स्पाइकी और तेज, जहां भी आप देखते हैं: समुद्री अर्चिन के दांतों के आत्म-तीक्ष्णता का तंत्र

लोगों में दांतों के बारे में बात करना अक्सर सफेद कोट में क्षय, ब्रेसिज़ और सैडिस से जुड़ा होता है जो सिर्फ अपने दांतों से खुद को मोती बनाने का सपना देखते हैं। लेकिन एक तरफ चुटकुले, क्योंकि दंत चिकित्सकों के बिना और मौखिक गुहा के पीछे स्वच्छता के नियमों को स्थापित करने के बाद, हम केवल एक ट्यूब के माध्यम से कुचल आलू और सूप खाएंगे। और सब कुछ विकास के लिए दोषी है, जिसने हमें सबसे टिकाऊ दांतों से दूर कर दिया, जो अभी भी पुनर्जीवित नहीं करता है, जो संभवतः दंत उद्योग के प्रतिनिधियों को अनिश्चित रूप से प्रसन्न करता है। यदि हम वन्यजीवों के दांतों के बारे में बात करते हैं, तो राजसी शेरों, रक्तवर्ण शार्क और बेहद सकारात्मक हाइना को तुरंत याद करें। हालांकि, अपने जबड़े की शक्ति और ताकत के बावजूद, उनके दांत समुद्री अर्चिन के दांतों की तरह अद्भुत नहीं हैं। हाँ, पानी के नीचे सुइयों की यह गेंद, जिस पर आप अपनी छुट्टी का एक अच्छा हिस्सा खराब कर सकते हैं, में काफी अच्छे दांत हैं। बेशक, वे कुछ ही हैं, केवल पांच, लेकिन वे अपने तरीके से अद्वितीय हैं और खुद को सान करने में सक्षम हैं। वैज्ञानिकों ने इस तरह की विशेषता की पहचान कैसे की है, यह प्रक्रिया वास्तव में कैसे आगे बढ़ती है और यह लोगों की मदद कैसे कर सकती है? हम इस बारे में अनुसंधान समूह की रिपोर्ट से सीखते हैं। चलो चलते हैं।

अध्ययन का आधार

सबसे पहले, यह अध्ययन के मुख्य चरित्र को जानने के लायक है - स्ट्रॉन्गिलोन्थ्रोटस फ्रेगिलिस, मानव भाषा बोल रहा है, एक गुलाबी समुद्री मूत्र के साथ। समुद्री अर्चिन की यह प्रजाति अपने अन्य समकक्षों से बहुत अलग नहीं है, एक अधिक चपटा ध्रुव आकार और एक ग्लैमरस रंग के अपवाद के साथ। वे काफी गहराई से (100 मीटर से 1 किमी तक) निवास करते हैं, और वे 10 सेंटीमीटर व्यास तक बढ़ते हैं।


एक समुद्री मूत्र का "कंकाल", जिसके माध्यम से पांच-बीम समरूपता दिखाई देती है।

समुद्री अर्चिन हैं, चाहे वह कितना भी कठोर क्यों न हो, सही और गलत हो सकता है। पूर्व में स्पष्ट रूप से पांच-बीम समरूपता के साथ लगभग पूरी तरह से गोल शरीर का आकार है, जबकि उत्तरार्द्ध अधिक असममित हैं।

पहली चीज जो आपकी आंख को पकड़ती है जब आप देखते हैं कि समुद्री यूरिन इसकी सुइयां हैं जो पूरे शरीर को कवर करती हैं। विभिन्न प्रकार की सुइयां 2 मिमी से 30 सेमी तक हो सकती हैं। सुइयों के अलावा, शरीर में गोलाकार (संतुलन अंग) और पेडीकेलारिया (प्रक्रियाएं, संदंश की याद ताजा करती हैं) होती हैं।


केंद्र में सभी पांच दांत स्पष्ट रूप से दिखाई देते हैं।

एक समुद्री मूत्र को चित्रित करने के लिए, आपको सबसे पहले उल्टा करने की आवश्यकता है, क्योंकि मुंह का उद्घाटन शरीर के निचले हिस्से में स्थित है, लेकिन शीर्ष पर अन्य छेद। समुद्र के मूत्र का मुख सुंदर वैज्ञानिक नाम "अरस्तू के लालटेन" के साथ एक चबाने वाले यंत्र से सुसज्जित है (यह अरस्तू था जिसने पहली बार इस अंग का वर्णन किया था और इसकी तुलना एक प्राचीन पोर्टेबल दीपक से की थी)। यह अंग पांच जबड़े से सुसज्जित है, जिनमें से प्रत्येक एक तेज दांत के साथ समाप्त होता है (जांच के तहत गुलाबी हेजहोग के अरस्तोटेलियन दीपक नीचे चित्रा 1 सी में दिखाया गया है)।

एक धारणा है कि समुद्री अर्चिन के दांतों का स्थायित्व उनके निरंतर तेज होने से सुनिश्चित होता है, जो कि बाहर की सतह के तीखेपन को बनाए रखने के लिए खनिजयुक्त टूथ प्लेटों के क्रमिक विनाश से होता है।

लेकिन वास्तव में यह प्रक्रिया कैसे आगे बढ़ती है, कौन से दांतों को तेज करने की आवश्यकता है और कौन सा नहीं, और यह महत्वपूर्ण निर्णय कैसे किया जाता है? वैज्ञानिकों ने इन सवालों के जवाब खोजने की कोशिश की।

अनुसंधान के परिणाम

चित्र संख्या 1

समुद्री अर्चिन के दंत रहस्यों को प्रकट करने से पहले, उनके दांतों की संरचना पर समग्र रूप से विचार करें।

चित्र 1 ए - 1 सी अध्ययन के नायक को दिखाता है, गुलाबी समुद्र का मूत्र। अन्य समुद्री अर्चिनों की तरह, इस प्रजाति के प्रतिनिधियों को समुद्र के पानी से अपने खनिज घटक मिलते हैं। कंकाल तत्वों में, मैग्नीशियम समृद्ध कैल्साइट के साथ दांत अत्यधिक खनिजयुक्त (99%) होते हैं।

जैसा कि हमने पहले चर्चा की, हेजहोग भोजन को खुरचने के लिए अपने दांतों का उपयोग करते हैं। लेकिन इसके अलावा, वे अपने दांतों का उपयोग छेद खोदने के लिए करते हैं जिसमें वे शिकारियों से छिपते हैं या यह खराब मौसम है। दांतों के लिए इस तरह के एक असामान्य उपयोग को देखते हुए, उत्तरार्द्ध बेहद टिकाऊ और तेज होना चाहिए।

छवि 1 डी एक पूरे दांत के एक खंड के माइक्रो कंप्यूटर टोमोग्राफी को दिखाता है, जिससे यह स्पष्ट होता है कि दांत एक अण्डाकार वक्र के साथ एक टी-आकार के क्रॉस सेक्शन के साथ बनता है।

दांत ( 1 ई ) के क्रॉस सेक्शन से पता चलता है कि दांत में तीन संरचनात्मक क्षेत्र होते हैं: प्राथमिक प्लेटें, पत्थर का क्षेत्र और माध्यमिक प्लेटें। पत्थर के क्षेत्र में एक कार्बनिक खोल से घिरे छोटे व्यास के फाइबर होते हैं। फाइबर मैग्नीशियम में समृद्ध कैल्साइट के कणों से बने पॉलीक्रिस्टलाइन मैट्रिक्स में संलग्न हैं। इन कणों का व्यास लगभग 10-20 एनएम है। शोधकर्ताओं ने ध्यान दिया कि मैग्नीशियम की एकाग्रता पूरे दांत में विषम है और इसके अंत के करीब बढ़ जाती है, जो इसके बढ़े हुए प्रतिरोध और कठोरता को सुनिश्चित करता है।

दाँत के पथरीले भाग का एक अनुदैर्ध्य खंड ( 1F ) तंतुओं के विनाश को दर्शाता है, साथ ही साथ तंतुओं और कार्बनिक खोल के बीच के इंटरफेस में प्रदूषण के कारण होने वाला अलगाव भी दर्शाता है।

प्राथमिक प्लेटें आमतौर पर कैल्साइट एकल क्रिस्टल से मिलकर बनती हैं और दांत की उत्तल सतह पर स्थित होती हैं, जबकि द्वितीयक प्लेटें अवतल सतह को भरती हैं।

छवि 1G में, आप एक दूसरे के समानांतर लेटे हुए घुमावदार प्राथमिक प्लेटों की एक सरणी देख सकते हैं। छवि तंतुओं और एक पॉलीक्रिस्टलाइन मैट्रिक्स को भी दिखाती है जो प्लेटों के बीच की जगह को भरती है। कील ( 1 एच ) अनुप्रस्थ टी-सेक्शन का आधार बनाता है और झुकने के दौरान दांतों की कठोरता को बढ़ाता है।

चूंकि हम गुलाबी समुद्र के मूत्र के दांत की संरचना को जानते हैं, इसलिए हमें अब इसके घटकों के यांत्रिक गुणों का पता लगाने की आवश्यकता है। ऐसा करने के लिए, स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप और नैनोइंडेंटेशन विधि * का उपयोग करके संपीड़न परीक्षण किए गए। नैनोमेकेनिकल परीक्षणों में दांत के अनुदैर्ध्य और अनुप्रस्थ झुकाव के साथ कटे हुए नमूने शामिल थे।

नैनोइंडेंटेशन * - एक नमूना की सतह में एक विशेष उपकरण, एक इंडेंटर दबाकर एक सामग्री का सत्यापन।

आंकड़ों के विश्लेषण से पता चला है कि अनुदैर्ध्य और अनुप्रस्थ दिशाओं में दांत की नोक पर औसत यंग मापांक (ई) और कठोरता (एच) हैं: ई _एल = 77.3 that 4.8 GPa, H _L = 4.3 ± 0.5 GPa (अनुदैर्ध्य) और E = _T 70.2 ± 7.2 GPa, H _T = 3.8 _a 0.6 GPa (अनुप्रस्थ)।

यंग का मापांक * एक भौतिक मात्रा है जो तनाव और संपीड़न का विरोध करने के लिए एक सामग्री की क्षमता का वर्णन करता है।

कठोरता * - कठिन शरीर (इंडेंटेटर) की शुरूआत का विरोध करने के लिए एक सामग्री की संपत्ति।

इसके अलावा, अनुदैर्ध्य दिशा में पत्थर क्षेत्र के लिए विस्को-प्लास्टिक क्षति का एक मॉडल बनाने के लिए चक्रीय अतिरिक्त लोडिंग के साथ खांचे बनाए गए थे। 2A एक लोड-विस्थापन वक्र दिखाता है।


चित्र संख्या 2

प्रत्येक चक्र के लिए मॉड्यूल की गणना ओलिवर-फ़ार विधि के आधार पर की गई थी, जो डेटा को लोड करने का उपयोग करते थे। इंडेंटेशन साइकिल ने इंडेंटेशन डेप्थ ( 2 बी ) में वृद्धि के साथ मॉड्यूल में एक नीरस कमी दिखाई। कठोरता में यह गिरावट अपरिवर्तनीय विकृति के परिणामस्वरूप क्षति ( 2 सी ) के संचय के कारण है। यह उल्लेखनीय है कि तीसरा विकास तंतुओं के आसपास होता है, और उनके माध्यम से नहीं।

सूक्ष्म स्तंभों के क्वासिस्टेटिक संपीड़न का उपयोग करके दांत के घटकों के यांत्रिक गुणों का भी मूल्यांकन किया गया था। माइक्रोमीटर के आकार के स्तंभों के निर्माण के लिए, एक केंद्रित आयन बीम का उपयोग किया गया था। दांत के उत्तल पक्ष पर प्राथमिक प्लेटों के बीच संबंध की ताकत का आकलन करने के लिए, प्लेटों ( 2 डी ) के बीच सामान्य इंटरफ़ेस के सापेक्ष एक झुकाव अभिविन्यास के साथ सूक्ष्म स्तंभ बनाए गए थे। चित्रा 2 ई एक तिरछा इंटरफ़ेस के साथ एक माइक्रो-कॉलम दिखाता है। ग्राफ 2F कतरनी तनाव माप के परिणामों को दर्शाता है।

वैज्ञानिकों ने एक जिज्ञासु तथ्य पर ध्यान दिया - लोच का मापा मापांक इंडेंटेशन परीक्षणों का लगभग आधा है। दांतों के इनेमल के लिए इंडेंटेशन और कम्प्रेशन टेस्ट के बीच ऐसा बेमेल संबंध भी बताया गया है। वर्तमान में, कई विसंगतियां हैं जो इस विसंगति की व्याख्या करती हैं (पर्यावरणीय प्रभावों से लेकर परीक्षण के दौरान नमूना संदूषण तक), लेकिन इस सवाल का कोई स्पष्ट जवाब नहीं है कि विसंगति क्यों है।

समुद्री मूत्र के दांतों के अध्ययन में अगला चरण एक स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप का उपयोग करके किए गए परीक्षण थे। दाँत को एक विशेष धारक से चिपकाया गया और अल्ट्रानोनोक्रिस्टलाइन हीरे ( 3 ए ) के एक सब्सट्रेट के खिलाफ दबाया गया।


चित्र संख्या 3

वैज्ञानिकों ने ध्यान दिया कि उनके पहनने के परीक्षण का संस्करण इसके विपरीत है जो आमतौर पर तब होता है जब हीरे की नोक को परीक्षण सामग्री के सब्सट्रेट में दबाया जाता है। पहनने के परीक्षण के लिए कार्यप्रणाली में परिवर्तन microstructures और दांत घटकों के गुणों का बेहतर अध्ययन करने की अनुमति देता है।

जैसा कि हम तस्वीरों में देख सकते हैं, जब एक महत्वपूर्ण भार पहुंच जाता है, तो चिप्स बनने लगते हैं। यह विचार करने योग्य है कि समुद्री अर्चिन में अरस्तू के लालटेन की "काटने" की ताकत 1 से 50 न्यूटन तक की प्रजातियों के आधार पर भिन्न होती है। परीक्षण में, सैकड़ों माइक्रोनवेटन से 1 न्यूटन तक एक बल लागू किया गया था, अर्थात्। पूरे एरिस्टोटेलियन लालटेन के लिए 1 से 5 न्यूटन से (क्योंकि पांच दांत हैं)।

चित्र 3B (i) में , छोटे कण दिखाई देते हैं (लाल तीर) जो पत्थर के क्षेत्र के पहनने से उत्पन्न होते हैं। जैसा कि पत्थर का क्षेत्र बाहर निकलता है और सिकुड़ता है, प्लेटों के बीच इंटरफेस में दरारें हो सकती हैं और संपीड़न-कतरनी भार और कैल्साइट प्लेटों के क्षेत्र में तनाव के संचय के कारण प्रसार हो सकता है। चित्र 3 बी (ii) और 3B (iii) उन स्थानों को दिखाते हैं जहां टुकड़े टूट गए थे।

तुलना के लिए, दो प्रकार के पहनने के प्रयोगों को अंजाम दिया गया: उपज शक्ति (डब्ल्यूसीएल) के अनुरूप एक निरंतर भार के साथ, और उपज शक्ति (डब्ल्यूसीएस) के अनुरूप एक निरंतर भार के साथ। नतीजतन, दांत पहनने के लिए दो विकल्प प्राप्त किए गए थे।



निरंतर लोडिंग के मामले में, डब्ल्यूसीएल परीक्षण में क्षेत्र का एक संपीड़न देखा गया था, लेकिन प्लेटों को कोई चिप्स या अन्य नुकसान नोट नहीं किया गया था ( 4 ए )। लेकिन डब्ल्यूसीएस परीक्षण में, जब नाममात्र संपर्क वोल्टेज को स्थिर रखने के लिए सामान्य बल बढ़ाया गया था, तो चिप्स और प्लेट्स (4 वी ) के नुकसान को देखा गया था।


चित्र संख्या 4

इन अवलोकनों की पुष्टि संपीड़न क्षेत्र के माप के ग्राफ ( 4C ) और स्लिप की लंबाई (परीक्षण के दौरान हीरे के नमूने) के आधार पर चिपकी हुई प्लेटों की मात्रा से की जाती है।

यह ग्राफ यह भी दर्शाता है कि डब्ल्यूसीएल के मामले में, यदि WCS के मामले में स्लाइडिंग दूरी अधिक है, तो भी चिप्स नहीं बनता है। 4V पर संपीड़ित और चिपकी प्लेटों का निरीक्षण आपको समुद्र के मूत्र के दांतों के स्व-तेज करने के तंत्र को बेहतर ढंग से समझने की अनुमति देता है।

प्लेट के टूटते ही पत्थर के संकुचित क्षेत्र का क्षेत्रफल बढ़ जाता है, जिससे संपीडित क्षेत्र [4B (iii-v)] के हिस्से को हटा दिया जाता है। माइक्रोस्ट्रक्चरल फीचर्स, जैसे कि पत्थर और स्लैब के बीच का बंधन, इस प्रक्रिया को सुविधाजनक बनाता है। माइक्रोस्कोपी से पता चला कि पत्थर के क्षेत्र में फाइबर झुकते हैं और दांतों के उत्तल भाग में प्लेटों की परतों के माध्यम से प्रवेश करते हैं।

ग्राफ 4C पर, चीप किए गए क्षेत्र में एक वॉल्यूम जंप दिखाई देता है जब दांत से एक नई प्लेट काट दी जाती है। यह उत्सुक है कि एक ही समय में चपटा क्षेत्र ( 4 डी ) की चौड़ाई में तेज कमी होती है, जो आत्म-तीक्ष्णता की प्रक्रिया को इंगित करता है।

सीधे शब्दों में कहें, इन प्रयोगों से पता चलता है कि पहनने के परीक्षणों के दौरान लगातार सामान्य (महत्वपूर्ण नहीं) लोड बनाए रखते हुए, एक धमाकेदार टिप तब होता है जब दांत तेज रहता है। यह पता चला है कि उपयोग के दौरान हेजहोग के दांत तेज होते हैं, अगर लोड महत्वपूर्ण से अधिक नहीं होता है, अन्यथा क्षति (चिप्स) बन सकती है, और तेज नहीं हो सकती है।


चित्र संख्या 5

दांत के माइक्रोस्ट्रक्चर की भूमिका, उनके गुणों और आत्म-तीक्ष्णता तंत्र में उनके योगदान को समझने के लिए, परिमित तत्व विधि ( 5 ए ) द्वारा पहनने की प्रक्रिया का एक nonlinear विश्लेषण किया गया था। ऐसा करने के लिए, हमने दांत की नोक के एक अनुदैर्ध्य खंड की छवियों का उपयोग किया, जो कि प्लेट और पत्थर के बीच पत्थर, प्लेट, कील और इंटरफेस से युक्त दो-आयामी मॉडल के आधार के रूप में कार्य करता है।

चित्र 5B - 5H पत्थर और स्लाइस क्षेत्र के किनारे पर Mises मानदंड (प्लास्टिसिटी मानदंड) के समोच्च भूखंड हैं। जब एक दांत संकुचित होता है, तो पत्थर बड़े विस्कोप्लास्टिक विकृति से गुजरता है, क्षति और अनुबंध ("चपटा") ( 5 बी और 5 सी ) जमा करता है। आगे संपीड़न से पत्थर में एक कतरनी बैंड का कारण बनता है, जहां अधिकांश प्लास्टिक विरूपण और क्षति जमा होती है, पत्थर के हिस्से को फाड़ देती है, जिससे सब्सट्रेट ( 5 डी ) के साथ इसका सीधा संपर्क होता है। इस मॉडल में पत्थर का ऐसा विखंडन प्रायोगिक अवलोकनों ( 3B (i) पर चिपके टुकड़े ) से मेल खाता है। संपीड़न भी प्लेटों के बीच में संदूषण की ओर जाता है, क्योंकि इंटरफ़ेस तत्व मिश्रित भार के अधीन होते हैं, जिससे डिकोहशन (प्रदूषण) होता है। जैसे-जैसे संपर्क क्षेत्र बढ़ता है, संपर्क तनाव बढ़ता है, जिससे दरार न्यूक्लियेट होती है और इंटरफेस में फैलती है ( 5B - 5% )। प्लेटों के बीच आसंजन का नुकसान उस मोड़ को बढ़ाता है जिस पर बाहरी प्लेट अलग हो जाती है।

स्क्रैचिंग इंटरफ़ेस को नुकसान पहुंचाता है, जिससे प्लेट को हटाने पर प्लेट को हटा दिया जाता है (ए) विभाजित होता है (जहां इंटरफेस से दरारें निकल जाती हैं और प्लेट में घुस जाती हैं, 5 जी )। जैसा कि प्रक्रिया जारी है, प्लेट के टुकड़े दांत की नोक ( 5 एच ) से अलग हो जाते हैं।

यह उत्सुक है कि सिमुलेशन बहुत सटीक रूप से पत्थर के क्षेत्र में और प्लेटों के क्षेत्र में दोनों को काटता है, जिसे वैज्ञानिकों ने पहले ही टिप्पणियों ( 3 बी और 5 आई ) के दौरान देखा है।

अध्ययन की बारीकियों के साथ एक अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मैं सुझाव देता हूं कि आप वैज्ञानिकों की रिपोर्ट और इसके लिए अतिरिक्त सामग्रियों पर ध्यान दें।

उपसंहार

इस काम ने एक बार फिर पुष्टि की कि विकास मानव दांतों के लिए बहुत सहायक नहीं था। गंभीर रूप से, उनके अध्ययन में, वैज्ञानिक समुद्र के अर्चिन के दांतों के आत्म-तीक्ष्णता के तंत्र की जांच और व्याख्या करने में सक्षम थे, जो दांत की असामान्य संरचना और उस पर सही भार पर आधारित है। हेजहॉग के दांत को कवर करने वाली प्लेटें एक निश्चित भार पर छूटती हैं, जो आपको दांत को तेज रखने की अनुमति देती हैं। लेकिन इसका मतलब यह नहीं है कि समुद्री अर्चिन पत्थरों को कुचल सकते हैं, क्योंकि जब महत्वपूर्ण भार पहुंच जाता है, तो दांतों पर दरारें और चिप्स बनते हैं। यह पता चला है कि सिद्धांत "शक्ति है, कोई दिमाग नहीं है," निश्चित रूप से कोई लाभ नहीं लाएगा।

आप सोच सकते हैं कि गहरे समुद्र के निवासियों के दांतों पर शोध करने से मनुष्यों को कोई लाभ नहीं होता है, इसके अलावा अतृप्त मानव जिज्ञासा को संतुष्ट करता है। हालांकि, इस अध्ययन के दौरान प्राप्त ज्ञान नए प्रकार की सामग्रियों के निर्माण के आधार के रूप में काम कर सकता है जिसमें हेजहोग्स के दांतों के समान गुण होंगे - बाहरी सहायता और स्थायित्व के बिना सामग्री स्तर पर प्रतिरोध, आत्म-तीक्ष्णता।

जैसा कि यह हो सकता है, प्रकृति में कई रहस्य हैं जिन्हें हमें अभी भी प्रकट करना है। क्या वे सहायक होंगे? शायद हां, लेकिन शायद नहीं। लेकिन कभी-कभी सबसे जटिल अध्ययनों में भी, कभी-कभी गंतव्य नहीं, बल्कि यात्रा ही महत्वपूर्ण होती है।


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