Épineux et tranchant, où que vous regardiez: le mécanisme d'auto-affûtage des dents des oursins

Parler des dents chez les gens est le plus souvent associé à des caries, des accolades et des sadiques en blouse blanche qui rêvent juste de se faire des perles à partir de vos dents. Mais les blagues mises à part, car sans dentistes et sans règles d'hygiène établies derrière la cavité buccale, nous ne mangerions des pommes de terre et de la soupe écrasées que dans un tube. Et tout est à blâmer pour l'évolution, qui nous a éloignés des dents les plus résistantes, qui ne se régénèrent toujours pas, ce qui plait sans doute aux représentants de l'industrie dentaire. Si nous parlons des dents de la faune, rappelons immédiatement les lions majestueux, les requins sanguinaires et les hyènes extrêmement positives. Cependant, malgré la puissance et la force de leurs mâchoires, leurs dents ne sont pas aussi étonnantes que celles des oursins. Oui, cette boule d'aiguilles sous l'eau, sur laquelle vous pouvez gâcher une bonne partie de vos vacances, a de très bonnes dents. Bien sûr, ils sont peu nombreux, seulement cinq, mais ils sont uniques à leur manière et capables de se perfectionner. Comment les scientifiques ont-ils identifié une telle caractéristique, comment se déroule exactement ce processus et comment peut-il aider les gens? Nous en apprenons à travers le rapport du groupe de recherche. Allons-y.

Base d'étude

Tout d'abord, il convient de connaître le personnage principal de l'étude - Strongylocentrotus fragilis, parlant le langage humain, avec un oursin rose. Cette espèce d'oursins n'est pas très différente de ses autres homologues, à l'exception d'une forme de pôle plus aplatie et d'une couleur glamour. Ils habitent assez profondément (de 100 m à 1 km), et ils atteignent jusqu'à 10 cm de diamètre.


Le "squelette" d'un oursin, à travers lequel la symétrie à cinq faisceaux est visible.

Les oursins sont, peu importe à quel point cela peut paraître grossier, bons et mauvais. Les premiers ont une forme de corps presque parfaitement ronde avec une symétrie à cinq faisceaux prononcée, tandis que les seconds sont plus asymétriques.

La première chose qui attire votre attention lorsque vous voyez un oursin est ses aiguilles qui couvrent tout le corps. Différents types d'aiguilles peuvent aller de 2 mm à 30 cm En plus des aiguilles, le corps a des sphéridies (organes d'équilibre) et des pédicellaires (processus, rappelant les forceps).


Les cinq dents sont clairement visibles au centre.

Pour représenter un oursin, vous devez d'abord vous retourner, car l'ouverture de la bouche est située sur la partie inférieure du corps, mais les autres trous sur le dessus. L'embouchure de l'oursin est équipée d'un appareil à mâcher portant le beau nom scientifique de «Lanterne d'Aristote» (c'est Aristote qui a décrit pour la première fois cet organe et l'a comparé en forme avec une lampe portable ancienne). Cet organe est équipé de cinq mâchoires, dont chacune se termine par une dent pointue (la lampe aristotélicienne du hérisson rose à l'étude est représentée sur la figure 1C ci-dessous).

On suppose que la durabilité des dents des oursins est assurée par leur affûtage constant, qui se produit par la destruction progressive des plaques dentaires minéralisées pour maintenir la netteté de la surface distale.

Mais comment se déroule exactement ce processus, quelles dents doivent être aiguisées et lesquelles ne le sont pas, et comment cette importante décision est-elle prise? Les scientifiques ont essayé de trouver des réponses à ces questions.

Résultats de recherche

Image n ° 1

Avant de révéler les secrets dentaires des oursins, réfléchissez à la structure de leurs dents dans leur ensemble.

Les photos 1A - 1C montrent le héros de l'étude, l'oursin rose. Comme les autres oursins, les représentants de cette espèce tirent leurs composants minéraux de l'eau de mer. Parmi les éléments squelettiques, les dents sont fortement minéralisées (99%) avec de la calcite enrichie en magnésium.

Comme nous en avons discuté plus tôt, les hérissons utilisent leurs dents pour gratter la nourriture. Mais en plus de cela, ils utilisent leurs dents pour creuser des trous dans lesquels ils se cachent des prédateurs ou il fait mauvais temps. Compte tenu d'une telle utilisation inhabituelle des dents, ces dernières devraient être extrêmement durables et tranchantes.

L'image 1D montre la tomographie par micro-ordinateur d'un segment d'une dent entière, ce qui montre clairement que la dent est formée le long d'une courbe elliptique avec une coupe transversale en forme de T.

La coupe transversale de la dent ( 1E ) montre que la dent se compose de trois zones structurelles: plaques primaires, zone de pierre et plaques secondaires. La zone de pierre est constituée de fibres de petit diamètre entourées d'une coquille organique. Les fibres sont enfermées dans une matrice polycristalline composée de particules de calcite riches en magnésium. Le diamètre de ces particules est d'environ 10-20 nm. Les chercheurs notent que la concentration de magnésium est hétérogène dans toute la dent et augmente plus près de son extrémité, ce qui garantit sa résistance à l'usure et sa dureté accrues.

Une coupe longitudinale ( 1F ) de la zone pierreuse de la dent montre la destruction des fibres, ainsi que la séparation qui se produit en raison de la délamination à l'interface entre les fibres et la coque organique.

Les plaques primaires sont généralement constituées de monocristaux de calcite et sont situées sur la surface convexe de la dent, tandis que les plaques secondaires remplissent la surface concave.

Dans l'image 1G, vous pouvez voir un tableau de plaques primaires incurvées parallèles les unes aux autres. L'image montre également des fibres et une matrice polycristalline remplissant l'espace entre les plaques. La quille ( 1H ) forme la base de la section transversale en T et augmente la rigidité de la dent lors de la flexion.

Puisque nous connaissons la structure de la dent de l'oursin rose, nous devons maintenant découvrir les propriétés mécaniques de ses composants. Pour ce faire, des tests de compression ont été réalisés à l'aide d'un microscope électronique à balayage et de la méthode de nanoindentation * . Les tests nanomécaniques ont impliqué des échantillons coupés le long des orientations longitudinale et transversale de la dent.

Nanoindentation * - vérification du matériau en enfonçant un outil spécial, un pénétrateur, dans la surface d'un échantillon.

L'analyse des données a montré que le module d'Young moyen (E) et la dureté (H) à l'extrémité de la dent dans les directions longitudinale et transversale sont: E _L = 77,3 ± 4,8 GPa, H _L = 4,3 ± 0,5 GPa (longitudinal) et E _T = 70,2 ± 7,2 GPa, H _T = 3,8 ± 0,6 GPa (transversal).

Le module de Young * est une grandeur physique décrivant la capacité d'un matériau à résister à la tension et à la compression.

Dureté * - propriété d'un matériau de résister à l'introduction d'un corps plus dur (pénétrateur).

De plus, dans le sens longitudinal, des rainures ont été réalisées avec une charge cyclique supplémentaire pour créer un modèle d'endommagement visco-plastique pour la zone de pierre. 2A montre une courbe charge-déplacement.


Image n ° 2

Le module pour chaque cycle a été calculé sur la base de la méthode Oliver-Farr en utilisant des données de déchargement. Les cycles d'indentation ont montré une diminution monotone du module avec une augmentation de la profondeur d'indentation ( 2B ). Cette détérioration de la rigidité est due à l'accumulation de dommages ( 2C ) résultant d'une déformation irréversible. Il est à noter que le troisième développement se produit autour des fibres, et non à travers elles.

Les propriétés mécaniques des constituants dentaires ont également été évaluées à l'aide de la compression quasi-statique des micro-piliers. Pour la fabrication de piliers micrométriques, un faisceau ionique focalisé a été utilisé. Pour évaluer la force de la connexion entre les plaques primaires du côté convexe de la dent, des micro-colonnes ont été réalisées avec une orientation inclinée par rapport à l'interface normale entre les plaques ( 2D ). La figure 2E montre une micro-colonne avec une interface oblique. Le graphique 2F montre les résultats des mesures des contraintes de cisaillement.

Les scientifiques notent un fait curieux: le module d'élasticité mesuré est presque la moitié de celui des tests d'indentation. Un tel décalage entre les tests d'indentation et de compression est également noté pour l'émail des dents. Actuellement, plusieurs théories expliquent cet écart (des influences environnementales pendant les tests à la contamination des échantillons), mais il n'y a pas de réponse claire à la question de savoir pourquoi il y a un écart.

L'étape suivante de l'étude des dents d'un oursin a été les tests d'usure effectués au microscope électronique à balayage. La dent a été collée sur un support spécial et pressée contre un substrat de diamant ultrananocristallin ( 3A ).


Image n ° 3

Les scientifiques notent que leur version du test d'usure est l'opposé de ce qui se fait habituellement lorsque la pointe de diamant est enfoncée dans le substrat du matériau à tester. L'évolution de la méthodologie du test d'usure permet une meilleure étude des propriétés des microstructures et des composants dentaires.

Comme nous pouvons le voir sur les photos, lorsqu'une charge critique est atteinte, des copeaux commencent à se former. Il convient de noter que la force de la «morsure» de la lanterne aristotélicienne chez les oursins varie selon les espèces de 1 à 50 Newtons. Dans le test, une force a été appliquée de centaines de micronewtons à 1 newton, soit de 1 à 5 Newtons pour toute la lanterne aristotélicienne (car il y a cinq dents).

Dans l'image 3B (i) , de petites particules sont visibles (flèche rouge) résultant de l'usure de la zone de pierre. Lorsque la zone de la pierre s'use et se contracte, des fissures aux interfaces entre les plaques peuvent se produire et se propager en raison de la charge de compression-cisaillement et de l'accumulation de contraintes dans la zone des plaques de calcite. Les images 3B (ii) et 3B (iii) montrent les endroits où les fragments se sont rompus.

A titre de comparaison, deux types d'expériences d'usure ont été réalisées: avec une charge constante correspondant à la limite d'élasticité (WCL), et avec une charge constante correspondant à la limite d'élasticité (WCS). En conséquence, deux options d'usure des dents ont été obtenues.



Dans le cas d'un chargement constant, une compression de la région a été observée dans le test WCL, mais aucun éclat ou autre dommage aux plaques n'a été noté ( 4A ). Mais dans le test WCS, lorsque la force normale a été augmentée pour maintenir la tension de contact nominale constante, des puces et une perte de plaques (4 V ) ont été observées.


Image n ° 4

Ces observations sont confirmées par le graphique ( 4C ) des mesures de la zone de compression et du volume des plaques écaillées, en fonction de la longueur du glissement (échantillon de diamant lors du test).

Ce graphique montre également que dans le cas de WCL, les puces ne se forment pas même si la distance de glissement est supérieure à celle dans le cas de WCS. L'inspection des plaques compressées et ébréchées à 4V permet de mieux comprendre le mécanisme d'auto-affûtage des dents d'un oursin.

La surface de la zone comprimée de la pierre augmente à mesure que la plaque se casse, ce qui entraîne le retrait d'une partie de la zone compressée [4B (iii-v)] . Les caractéristiques microstructurales, telles que la liaison entre la pierre et les dalles, facilitent ce processus. La microscopie a montré que les fibres dans la zone de la pierre se plient et pénètrent à travers les couches de plaques dans la partie convexe de la dent.

Sur le graphique 4C, un saut de volume dans la zone écaillée est visible lorsqu'une nouvelle plaque est déconnectée de la dent. Il est curieux qu'au même moment, il y ait une forte diminution de la largeur de la zone aplatie ( 4D ), ce qui indique le processus d'auto-affûtage.

Autrement dit, ces expériences ont montré que, tout en maintenant une charge normale (non critique) constante pendant les tests d'usure, une pointe émoussée se produit tandis que la dent reste tranchante. Il s'avère que les dents des hérissons sont aiguisées pendant l'utilisation, si la charge ne dépasse pas la critique, sinon des dommages (copeaux) peuvent se former et ne pas s'aiguiser.


Image n ° 5

Pour comprendre le rôle des microstructures dentaires, leurs propriétés et leur contribution au mécanisme d'auto-affûtage, une analyse non linéaire du processus d'usure par la méthode des éléments finis ( 5A ) a été réalisée. Pour ce faire, nous avons utilisé des images d'une coupe longitudinale de la pointe de la dent, qui a servi de base à un modèle bidimensionnel composé de pierre, de plaques, de quille et d'interfaces entre les plaques et la pierre.

Les images 5B - 5H sont des courbes de niveau du critère de Mises (critère de plasticité) en bordure de la zone de pierre et de dalle. Lorsqu'une dent est comprimée, la pierre subit de grandes déformations viscoplastiques, accumule des dommages et se contracte («aplatie») ( 5B et 5C ). Une compression supplémentaire provoque une bande de cisaillement dans la pierre, où la plupart de la déformation plastique et des dommages s'accumulent, arrachant une partie de la pierre, conduisant à son contact direct avec le substrat ( 5D ). Une telle fragmentation de la pierre dans ce modèle correspond à des observations expérimentales (fragments taillés sur 3B (i) ). La compression conduit également à un délaminage entre les plaques, car les éléments d'interface sont soumis à une charge mixte, ce qui conduit à une décohésion (délaminage). À mesure que la région de contact augmente, les contraintes de contact augmentent, ce qui provoque la nucléation et la propagation de la fissure à l'interface ( 5B - 5E ). La perte d'adhérence entre les plaques améliore le coude auquel la plaque extérieure se détache.

Les rayures aggravent les dommages à l'interface, ce qui entraîne le retrait de la plaque lorsque les plaques (a) sont divisées (où les fissures s'écartent de l'interface et pénètrent dans la plaque, 5G ). Au fur et à mesure que le processus se poursuit, des fragments de la plaque se détachent de la pointe de la dent ( 5H ).

Il est curieux que la simulation prédit très précisément l'écaillage à la fois dans la zone de la pierre et dans la zone des plaques, ce que les scientifiques ont déjà remarqué lors des observations ( 3B et 5I ).

Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de consulter le rapport des scientifiques et les documents supplémentaires qui s'y rapportent.

Épilogue

Ce travail a une fois de plus confirmé que l'évolution n'était pas très favorable aux dents humaines. Sérieusement, dans leur étude, les scientifiques ont pu examiner et expliquer en détail le mécanisme d'auto-affûtage des dents des oursins, qui est basé sur la structure inhabituelle de la dent et la charge correcte sur celle-ci. Les plaques recouvrant la dent du hérisson s'exfolient à une certaine charge, ce qui vous permet de garder la dent aiguisée. Mais cela ne signifie pas que les oursins peuvent écraser les pierres, car lorsque les charges critiques sont atteintes, des fissures et des copeaux se forment sur les dents. Il s'avère que le principe «il y a du pouvoir, pas d'esprit» n'apporterait certainement aucun avantage.

Vous pourriez penser que rechercher les dents des habitants des grands fonds n'apporte aucun bénéfice aux humains, en plus de satisfaire une curiosité humaine insatiable. Cependant, les connaissances acquises au cours de cette étude peuvent servir de base à la création de nouveaux types de matériaux qui auront des propriétés similaires aux dents des hérissons - résistance à l'usure, auto-affûtage au niveau du matériau sans aide extérieure et durabilité.

Quoi qu'il en soit, la nature a de nombreux secrets que nous devons encore révéler. Seront-ils utiles? Peut-être oui, mais peut-être pas. Mais parfois même dans les études les plus complexes, parfois pas la destination, mais le voyage lui-même est important.


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