Hare vir 'n moderne mens is niks meer as 'n element van visuele self-identifikasie, deel van die beeld en beeld nie. Ten spyte hiervan het hierdie geil formasies van die vel verskeie belangrike biologiese funksies: beskerming, termoregulering, aanraking, ens. Hoe sterk is ons hare? Soos dit geblyk het, is hulle baie keer sterker as olifant- of kameelperdhare.
Vandag sal ons kennis maak met 'n studie waarin wetenskaplikes van die Universiteit van Kalifornië (VSA) besluit het om te toets hoe haardikte en die sterkte daarvan in verskillende dierspesies, insluitend mense, korreleer. Wie se hare is die sterkste, watter meganiese eienskappe het verskillende soorte hare, en hoe kan hierdie navorsing help om nuwe soorte materiale te ontwikkel? Ons leer hieroor uit die verslag van wetenskaplikes. Gaan.
Navorsingsbasis
Hare, wat grootliks uit die proteïen keratien bestaan, is die geil vorming van soogdiervel. Trouens, hare, wol en pels is sinoniem. Die struktuur van hare bestaan uit keratienplate wat mekaar oorvleuel, soos domino's wat bo-op mekaar val. Elke haar het drie lae: die kutikula is die buitenste en beskermende laag; korteks - die korteks, wat bestaan uit langwerpige dooie selle (belangrik vir die sterkte en elastisiteit van die hare, bepaal sy kleur as gevolg van melanien) en die medulla - die sentrale laag van die hare, bestaande uit sagte keratienselle en lugholtes, wat betrokke by die oordrag van voedingstowwe na ander lae.
As die hare vertikaal verdeel word, kry ons 'n onderhuidse gedeelte (skag) en 'n onderhuidse gedeelte (bol of wortel). Die bol word omring deur 'n follikel, waarvan die vorm die vorm van die hare self bepaal: 'n ronde follikel is reguit, 'n ovaal follikel is effens krullerig, 'n niervormige follikel is krullerig.
Baie wetenskaplikes stel voor dat menslike evolusie verander as gevolg van tegnologiese vooruitgang. Dit wil sê, sommige organe en strukture in ons liggaam word geleidelik rudimentêr – dié wat hul beoogde doel verloor het. Hierdie liggaamsdele sluit wysheidstande, blindederm en liggaamshare in. Met ander woorde, wetenskaplikes glo dat hierdie strukture mettertyd eenvoudig uit ons anatomie sal verdwyn. Of dit waar is of nie, is moeilik om te sê, maar vir baie gewone mense word wysheidstande byvoorbeeld geassosieer met die besoek van die tandarts vir hul onvermydelike verwydering.
Hoe dit ook al sy, 'n persoon het hare nodig; dit speel dalk nie meer 'n belangrike rol in termoregulering nie, maar dit is steeds 'n integrale deel van estetika. Dieselfde kan gesê word oor wêreldkultuur. In baie lande is hare van ouds af beskou as die bron van alle krag, en om dit te sny is geassosieer met moontlike gesondheidsprobleme en selfs mislukkings in die lewe. Die heilige betekenis van hare het gemigreer van die sjamanistiese rituele van antieke stamme na meer moderne godsdienste, die werke van skrywers, kunstenaars en beeldhouers. Veral vroulike skoonheid was dikwels nou verwant aan die manier waarop die hare van pragtige dames gelyk het of uitgebeeld is (byvoorbeeld in skilderye).
Let op hoe gedetailleerd die hare van Venus uitgebeeld word (Sandro Botticelli, "Birth of Venus", 1485).
Kom ons laat die kulturele en estetiese aspek van hare tersyde en begin om die navorsing van wetenskaplikes te oorweeg.
Hare, in een of ander vorm, is teenwoordig in baie spesies soogdiere. As dit vir mense nie meer so belangrik is uit 'n biologiese oogpunt nie, dan is wol en pels vir ander verteenwoordigers van die dierewêreld lewensbelangrike eienskappe. Terselfdertyd, in terme van hul basiese struktuur, stem menslike hare en byvoorbeeld olifanthare baie ooreen, hoewel daar verskille is. Die duidelikste daarvan is die afmetings, want olifanthare is baie dikker as ons s'n, maar, soos dit geblyk het, nie sterker nie.
Wetenskaplikes bestudeer al geruime tyd hare en wol. Die resultate van hierdie werke is geïmplementeer beide in skoonheidsmiddels en medisyne, en in ligte industrie (of, soos die bekende Kalugina L.P. sou sê: "ligte industrie"), of meer presies in tekstiele. Daarbenewens het die studie van hare baie gehelp met die ontwikkeling van biomateriale gebaseer op keratien, wat hulle aan die begin van die vorige eeu geleer het om van dierehorings met behulp van kalk te isoleer.
Die keratien wat so verkry is, is gebruik om gels te skep wat versterk kan word deur formaldehied by te voeg. Later het hulle geleer om keratien nie net van dierehorings te isoleer nie, maar ook van hul pels, sowel as van menslike hare. Stowwe gebaseer op keratien het hul gebruik gevind in skoonheidsmiddels, komposiete en selfs in tabletbedekkings.
Deesdae ontwikkel die industrie van studie en vervaardiging van duursame en liggewig materiale vinnig. Hare, aangesien dit natuurlik so is, is een van die natuurlike materiale wat hierdie soort navorsing inspireer. Oorweeg die treksterkte van wol en menslike hare, wat wissel van 200 tot 260 MPa, wat gelykstaande is aan 'n spesifieke sterkte van 150-200 MPa/mg m-3. En dit is amper vergelykbaar met staal (250 MPa / mg m-3).
Die hoofrol in die vorming van die meganiese eienskappe van hare word gespeel deur sy hiërargiese struktuur, wat herinner aan 'n matryoshka-pop. Die belangrikste element van hierdie struktuur is die binneste korteks van kortikale selle (deursnee ongeveer 5 μm en lengte 100 μm), bestaande uit gegroepeerde makrofibrille (deursnee ongeveer 0.2-0.4 μm), wat op hul beurt uit intermediêre filamente (7.5 nm) bestaan in deursnee), ingebed in 'n amorfe matriks.
Die meganiese eienskappe van hare, sy sensitiwiteit vir temperatuur, humiditeit en vervorming is 'n direkte gevolg van die interaksie van die amorfe en kristallyne komponente van die korteks. Die keratienvesels van die menslike haarkorteks het tipies hoë verlenging, met 'n trekspanning van meer as 40%.
So 'n hoë waarde is te danke aan die afwikkeling van die struktuur а-keratien en, in sommige gevalle, die transformasie daarvan in b-keratien, wat lei tot 'n toename in lengte ('n volle draai van 'n 0.52 nm helix word in die konfigurasie tot 1.2 nm gestrek b). Dit is een van die hoofredes waarom baie studies spesifiek op keratien gefokus het om dit in 'n sintetiese vorm te herskep. Maar die buitenste laag hare (kutikula), soos ons reeds weet, bestaan uit plate (0.3–0.5 mikron dik en 40–60 mikron lank).
Voorheen het wetenskaplikes reeds navorsing gedoen oor die meganiese eienskappe van hare van mense van verskillende ouderdomme en etniese groepe. In hierdie werk is die klem geplaas op die bestudering van die verskille in die meganiese eienskappe van hare van verskillende dierspesies, naamlik: mense, perde, bere, wildevarke, capibaras, peccaries, kameelperde en olifante.
Navorsingsresultate
Prent #1: Menslike hare morfologie (А - kutikula; В - korteksfraktuur; wat die punte van die vesels wys, С — die oppervlak van die fout, waar drie lae sigbaar is; D - laterale oppervlak van die korteks, wat veselverlenging toon).
'n Volwasse menslike haar is ongeveer 80-100 mikron in deursnee. Met normale haarversorging is hul voorkoms redelik holisties (1A). Die interne komponent van menslike hare is die veselagtige korteks. Na trektoetse is gevind dat die kutikula en korteks van menslike hare verskillend gebreek het: die kutikula het tipies skuurend (frommel) gebreek en die keratienvesels in die korteks is afgeskil en uit die algehele struktuur getrek (1V).
In die prent 1S die brose oppervlak van die kutikula is duidelik sigbaar met visualisering van die lae, wat oorvleuelende kutikula plate is en 'n dikte van 350–400 nm het. Die waargenome delaminering by die fraktuuroppervlak, sowel as die bros aard van hierdie oppervlak, dui op swak koppelvlakkommunikasie tussen die kutikula en korteks, en tussen vesels binne die korteks.
Keratienvesels in die korteks is afgeskilfer (1D). Dit dui daarop dat die veselagtige korteks hoofsaaklik verantwoordelik is vir die meganiese sterkte van die hare.
Beeld nr. 2: Perdehaarmorfologie (А - kutikula, waarvan sommige plate effens afgewyk is weens gebrek aan sorg; В - die voorkoms van die breuk; С — besonderhede van die breuk van die korteks, waar die geskeurde kutikula sigbaar is; D - kutikula besonderhede).
Die struktuur van perdehare is soortgelyk aan menslike hare, behalwe vir die deursnee, wat 50% groter is (150 mikron). In die prent 2A Jy kan ooglopende skade aan die kutikula sien, waar baie van die plate nie so nou aan die skag gekoppel is soos in menslike hare nie. Die plek van 'n perdehaarbreek bevat beide 'n normale breek en 'n haarbreuk (delaminering van die kutikula plate). Aan 2V Beide tipes skade is sigbaar. In areas waar die lamelle heeltemal afgeskeur is, is die raakvlak tussen die kutikula en korteks sigbaar (2S). Verskeie vesels is geskeur en gedelamineer by die koppelvlak. Deur hierdie waarnemings met vorige waarnemings (menslike hare) te vergelyk, dui sulke mislukkings daarop dat perdehare nie soveel spanning as menslike hare ervaar het toe die vesels in die korteks uitgetrek en heeltemal van die kutikula losgemaak is nie. Dit kan ook gesien word dat sommige plate van die staaf losgeraak het, wat as gevolg van trekspanning kan wees (2D).
Prent #3: Beerhaarmorfologie (А - kutikula; В — skade by twee punte wat verband hou met die breukarea; С - krake van die kutikula met delaminering van vesels in die korteks; D - besonderhede van die veselstruktuur, verskeie langwerpige vesels van die algemene struktuur is sigbaar).
Die dikte van 'n beerhaar is 80 mikron. Die kutikula plate is uiters styf aan mekaar geheg (3A), en in sommige gebiede is dit selfs moeilik om individuele plate te onderskei. Dit kan wees as gevolg van die wrywing van die hare teen naburige hare. Onder trekspanning skeur hierdie hare letterlik met die voorkoms van lang krake (ingesit op 3B), wat aandui dat met die swak bindingseffek van die beskadigde kutikula, die keratienvesels in die korteks maklik delamineer. Die delaminering van die korteks veroorsaak 'n breuk by die kutikula, soos blyk uit die sigsagpatroon van die breuk (3S). Hierdie spanning veroorsaak dat sommige vesels uit die korteks getrek word (3D).
Beeld nr. 4: beerhaarmorfologie (А - gewone plat haarlynfraktuur; В — die struktuur van die kutikula toon 'n swak toestand van integriteit (groepering) van die plate; С — besonderhede van die gaping by die raakvlak tussen die kutikula en korteks; D - vesels verleng van die totale massa en uitstaande fibrille).
Beerhare is redelik dik (230 mm), veral in vergelyking met beerhare. Die skeur van beerhare wanneer dit beskadig word, lyk redelik duidelik (4A) loodreg op die rigting van trekspanning.
Relatief klein blootgestelde kutikula plate is van die hoofliggaam van die hare geskeur as gevolg van rek van hul rande (4V).
Op die oppervlak van die vernietigingsone is die delaminering van vesels duidelik sigbaar; dit is ook duidelik dat hulle baie styf aan mekaar verbind was binne die korteks (4S). Slegs vesels by die raakvlak tussen korteks en kutikula is blootgestel as gevolg van skeiding (4D), wat die teenwoordigheid van dik kortikale fibrille (250 nm in deursnee) aan die lig gebring het. Sommige van die fibrille het effens uitgesteek as gevolg van vervorming. Hulle is veronderstel om te dien as 'n versterkingsmiddel vir die beer se hare.
Prent #5: Olifanthaarmorfologie (А - С) en kameelperd (D - F). А - kutikula; В - stapsgewyse hare breek; С - leemtes in die hare dui aan waar die vesels uitgeskeur is. D - kutikulêre plate; Е - selfs hare breek; F - vesels geskeur van die oppervlak in die fraktuur area.
Die hare van 'n baba-olifant kan ongeveer 330 mikron dik wees, en by 'n volwassene kan dit 1.5 mm bereik. Die plate op die oppervlak is moeilik om te onderskei (5A).Olifanthare is ook geneig tot normale afbreek, m.a.w. tot suiwer trekbreuk. Verder toon die morfologie van die fraktuuroppervlak 'n getrapte voorkoms (5V), moontlik as gevolg van die teenwoordigheid van geringe defekte in die haarkorteks. Sommige klein gaatjies kan ook op die fraktuuroppervlak gesien word, waar versterkende fibrille waarskynlik voor skade gevind is (5S).
Die kameelperd se hare is ook redelik dik (370 mikron), hoewel die rangskikking van die kutikula plate nie so duidelik is nie (5D). Daar word geglo dat dit te wyte is aan hul skade deur verskeie omgewingsfaktore (byvoorbeeld wrywing teen bome tydens voeding). Ten spyte van die verskille was die kameelperd se haarbreuk soortgelyk aan dié van die olifant (5F).
Beeld nr. 6: kapibara-haarmorfologie (А - dubbel kutikulêre struktuur van die plate; В - breuk van die dubbele struktuur; С — vesels naby die skeurgrens lyk bros en styf; D - verlengde vesels uit die sone van breuk van die dubbele struktuur).
Die hare van capybaras en peccaries verskil van alle ander hare wat bestudeer is. In die kapibara is die belangrikste verskil die teenwoordigheid van 'n dubbele kutikula-konfigurasie en 'n ovaal haarvorm (6A). Die groef tussen die twee spieëldele van die hare is nodig om water vinniger uit die dier se pels te verwyder, asook vir beter ventilasie, wat dit vinniger laat droog word. Wanneer dit aan strek blootgestel word, word die hare in twee dele langs die groef verdeel, en elke deel word vernietig (6V). Baie vesels van die korteks word geskei en gestrek (6S и 6D).
Prent #7: Peccary-haarmorfologie (А - struktuur van die kutikula en plek van breuk; В - morfologie van korteks vernietiging en besonderhede van sy struktuur; С — geslote selle (20 mikron in deursnee), waarvan die wande uit vesels bestaan; D - selwande).
Die peccaries (familie Tayassuidae, d.w.s. peccary) hare het 'n poreuse korteks, en die kutikula laag het nie duidelike plate nie (7A). Die haarkorteks bevat geslote selle wat 10-30 mikron meet (7V), waarvan die mure uit keratienvesels bestaan (7S). Hierdie mure is redelik poreus, en die grootte van een porie is ongeveer 0.5-3 mikron (7D).
Soos jy in die prentjie kan sien 7A, sonder die ondersteuning van die veselagtige korteks, kraak die kutikula langs die breeklyn, en die vesels word op sommige plekke uitgetrek. Hierdie haarstruktuur is nodig om die hare meer vertikaal te maak, wat die grootte van die dier visueel vergroot, wat 'n verdedigingsmeganisme vir die peccary kan wees. Peccary-hare weerstaan kompressie redelik goed, maar hanteer nie strek nie.
Nadat hulle die strukturele kenmerke van die hare van verskillende diere verstaan het, sowel as hul tipe skade as gevolg van spanning, het wetenskaplikes begin om die meganiese eienskappe te beskryf.
Beeld nr. 8: vervormingsdiagram vir elke haartipe en diagram van die eksperimentele opstelling vir die verkryging van data (rektempo 10-2 s-1).
Soos uit die grafiek hierbo gesien kan word, was die reaksie op strek in die hare van verskillende dierspesies heel anders. Dus het die hare van 'n persoon, 'n perd, 'n vark en 'n beer 'n reaksie getoon soortgelyk aan die reaksie van wol (nie iemand anders s'n nie, maar 'n tekstielmateriaal).
By 'n relatief hoë elastiese modulus van 3.5–5 GPa bestaan die krommes uit 'n lineêre (elastiese) gebied, gevolg deur 'n plato met stadig toenemende spanning tot 'n vervorming van 0.20–0.25, waarna die tempo van verharding aansienlik toeneem totdat 'n mislukkingsspanning van 0.40. Die plato-area verwys na ontspanning а-heliese struktuur van keratien-intermediêre filamente, wat in sommige gevalle (gedeeltelik) kan transformeer in b-velle (plat strukture). Volledige afwikkeling lei tot 'n vervorming van 1.31, wat aansienlik hoër is as aan die einde van hierdie stadium (0.20–0.25).
Die kristallyne draadagtige deel van die struktuur word omring deur 'n amorfe matriks wat nie transformeer nie. Die amorfe deel maak ongeveer 55% van die totale volume uit, maar slegs as die deursnee van die tussenfilamente 7 nm is en dat hulle geskei word deur 2 nm amorfe materiaal. Sulke presiese aanwysers is in vorige studies afgelei.
Tydens die verhardingstadium van vervorming vind gly plaas tussen kortikale vesels sowel as tussen kleiner strukturele elemente soos mikrofibrille, intermediêre filamente en die amorfe matriks.
Kameelperd-, olifant- en pekhare vertoon 'n relatief lineêre verhardingsreaksie met geen duidelike onderskeid tussen plato's en streke van vinnige verharding (pieke). Die elastiese modulus is relatief laag en is ongeveer 2 GPa.
Anders as ander spesies, vertoon kapibarahare 'n reaksie wat gekenmerk word deur vinnige verharding wanneer opeenvolgende spanning toegepas word. Hierdie waarneming word geassosieer met die ongewone struktuur van die kapibara se hare, of meer presies met die teenwoordigheid van twee simmetriese dele en 'n longitudinale groef tussen hulle.
Vorige studies is reeds gedoen wat daarop dui dat Young se modulus (lengte-elastiese modulus) afneem met toenemende haardeursnee by verskillende dierspesies. Hierdie werke het opgemerk dat die peccary se Young se modulus aansienlik laer is as dié van ander diere, wat kan wees as gevolg van die porositeit van sy haarstruktuur.
Dit is ook vreemd dat peccaries beide swart en wit areas op hul hare het (tweekleurig). Trekbreuke kom meestal in die wit area van die hare voor. Die verhoogde weerstand van die swart area is te wyte aan die teenwoordigheid van melanosome, wat uitsluitlik in swart hare voorkom.
Al hierdie waarnemings is werklik uniek, maar die hoofvraag bly: speel die afmetings van die hare 'n rol in die sterkte daarvan?
As ons hare by soogdiere beskryf, kan ons die belangrikste feite uitlig wat aan navorsers bekend is:
- in die meeste soorte hare is dit dikker in die sentrale deel en taps na die einde toe; Die pels van wilde diere is dikker as gevolg van hul habitat;
- Variasies in die deursnee van hare van een spesie dui daarop dat die dikte van die meeste hare varieer binne die algemene diktereeks vir 'n gegewe dierspesie. Die dikte van die hare kan verskil tussen verskillende verteenwoordigers van dieselfde spesie, maar wat hierdie verskil beïnvloed, is nog onbekend;
- Verskillende spesies soogdiere het verskillende haardiktes (so cliche as wat dit mag klink).
Deur hierdie publiek beskikbare feite en die data wat tydens die eksperimente verkry is op te som, kon wetenskaplikes al die resultate vergelyk om verwantskappe tussen haardikte en die sterkte daarvan te vorm.
Beeld nr. 9: die verband tussen haardikte en die sterkte daarvan in verskillende dierspesies.
As gevolg van die verskille in hare deursnee en rekbaarheid, het die wetenskaplikes besluit om te kyk of hul trekspannings voorspel kan word op grond van Weibull-statistieke, wat spesifiek verantwoordelik kan wees vir verskille in steekproefgrootte en gevolglike defekgrootte.
Daar word aanvaar dat 'n haarsegment met volume V состоит из n elemente van volume, en elke eenheid volume V0 het 'n soortgelyke verspreiding van defekte. Gebruik die swakste skakel aanname, by 'n gegewe spanningsvlak σ waarskynlikheid P handhawing van die integriteit van 'n gegewe haarsegment met volume V kan uitgedruk word as die produk van bykomende waarskynlikhede om die integriteit van elk van die volume-elemente te handhaaf, naamlik:
P(V) = P(V0) · P(V0)… · P(V0) = · P(V0)n
waar is die volume V bevat n volume-elemente V0. Soos die spanning toeneem P(V) neem natuurlik af.
Deur 'n twee-parameter Weibull verspreiding te gebruik, kan die waarskynlikheid van mislukking van die hele volume uitgedruk word as:
1 - P = 1 - exp [ -V/V0 · (σ/σ0)m]
waar σ - toegepaste spanning, σ0 is die kenmerkende (verwysings) sterkte, en m — Weibull-modulus, wat 'n maatstaf van eienskapsveranderlikheid is. Dit is opmerklik dat die waarskynlikheid van vernietiging toeneem met toenemende steekproefgrootte V by konstante spanning σ.
Op die grafiek 9A Die Weibull-verspreiding van eksperimentele mislukkingstres vir menslike en kapibarahare word getoon. Krommes vir ander spesies is voorspel met formule #2 met dieselfde waarde van m as vir menslike hare (m = 0.11).
Die gemiddelde diameters wat gebruik is, was: beer - 235 µm, perd - 200 µm, pekarie - 300 µm, beer - 70 µm, olifanthare - 345 µm en kameelperd - 370 µm.
Gebaseer op die feit dat die breekspanning bepaal kan word by P(V) = 0.5, hierdie resultate dui aan dat mislukkingstres afneem met toenemende haardeursnee oor spesies heen.
Op die grafiek 9V toon voorspelde breukspanning by 50% waarskynlikheid van mislukking (P(V) = 0.5) en die gemiddelde eksperimentele breekspanning vir verskillende spesies.
Dit word duidelik dat namate die hare se deursnee van 100 tot 350 mm toeneem, sy breekspanning van 200–250 MPa tot 125–150 MPa afneem. Die Weibull-verspreidingssimulasieresultate stem uitstekend ooreen met die werklike waarnemingsresultate. Die enigste uitsondering is peccary-hare aangesien dit uiters poreus is. Die werklike sterkte van peccary-hare is laer as dié wat deur Weibull-verspreidingsmodellering getoon word.
Vir 'n meer gedetailleerde kennismaking met die nuanses van die studie, beveel ek aan om na te kyk и aan hom.
Epiloog
Die hoofgevolgtrekking van bogenoemde waarnemings is dat dik hare nie die ekwivalent van sterk hare is nie. Dit is waar, soos die wetenskaplikes self sê, hierdie stelling is nie 'n ontdekking van die millennium nie, aangesien soortgelyke waarnemings gemaak is tydens die bestudering van metaaldraad. Die punt hier is nie eers in fisika, meganika of biologie nie, maar in statistiek – hoe groter die voorwerp, hoe groter is die omvang vir gebreke.
Wetenskaplikes glo dat die werk wat ons vandag hersien het, hul kollegas sal help om nuwe sintetiese materiale te skep. Die grootste probleem is dat hulle ondanks die ontwikkeling van moderne tegnologie nog nie in staat is om iets soos mens- of olifanthare te skep nie. Om iets so kleins te skep is immers reeds 'n uitdaging, om nie eens te praat van die komplekse struktuur daarvan nie.
Soos ons kan sien, het hierdie studie getoon dat nie net spinnekop die aandag van wetenskaplikes waardig is as 'n inspirasie vir toekomstige ultra-sterk en ultra-ligte materiale nie, maar ook menslike hare kan verras met sy meganiese eienskappe en ongelooflike sterkte.
Dankie vir julle aandag, bly nuuskierig en lekker week vir almal. 🙂
Sommige advertensies 🙂
Dankie dat jy by ons gebly het. Hou jy van ons artikels? Wil jy meer interessante inhoud sien? Ondersteun ons deur 'n bestelling te plaas of by vriende aan te beveel, , 'n unieke analoog van intreevlakbedieners, wat deur ons vir jou uitgevind is: (beskikbaar met RAID1 en RAID10, tot 24 kerne en tot 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2x goedkoper in Equinix Tier IV-datasentrum in Amsterdam? Net hier in Nederland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - vanaf $99! Lees van
Bron: will.com