Косата за съвременния човек е не повече от елемент на визуална самоидентификация, част от имиджа и облика. Въпреки това, тези роговидни образувания на кожата имат няколко важни биологични функции: защита, терморегулация, осезание и др. Колко здрави всъщност са косите ни? Оказва се, че те са многократно по-здрави от косите на слон или жираф.
Днес ще се запознаем с изследване, в което учени от Университета в Калифорния (САЩ) решиха да проверят как се корелират дебелината на косъма и неговата здравина при различни видове животни, включително хора. Чии коси се оказаха най-здрави, какви механични свойства притежават косите на различни видове и как това изследване може да помогне в разработването на нови видове материали? За това ще научим от доклада на учените. Да започваме.
Основи на изследването
Косата, съставена основно от протеин кератин, е роговидно образувание на кожата на бозайниците. Всъщност, косата, вълната и кожуха са синоними. По своята структура косата се състои от пластинки кератин, които се наслагват една върху друга, като паднали една върху друга домино. Всяка коса има три слоя: кутикула — външният и защитен слой; кортекс — корковото вещество, състоящо се от удължени мъртви клетки (важно за здравината и еластичността на косата, определя цвета й благодарение на меланина) и медуларно вещество — централният слой на косата, състоящ се от меки кератинови клетки и въздушни кухини, който участва в предаването на хранителни вещества към другите слоеве.
Ако разделим косата вертикално, ще получим надкожен участък (стебло) и подкожен (луковица или корен). Луковицата е обгърната от фоликул, чието оформяне определя и формата на самата коса: кръгъл фоликул — прав, овален фоликул — леко къдрав, бъбрековиден фоликул — къдрав.
Много учени предполагат, че с напредъка на технологиите еволюцията на човека се променя. Тоест, някои органи и структури в нашето тяло постепенно стават рудиментарни — т.е. такива, които са загубили своето предназначение. Към тези части на тялото можем да отнесем зъбите мъдрост, апендикса и косменото покритие на тялото. С други думи, учените смятат, че с времето тези структури просто ще изчезнат от нашата анатомия. Дали е така или не, е трудно да се каже, но за много хора зъбите мъдрост, например, асоциират с посещение на зъболекар за тяхното неизбежно извличане.
Каквото и да е, космите на човека са необходими, може би вече не играят важна роля в терморегулацията, но в естетиката все още са неразривна част. Същото може да се каже и за световната култура. В много страни от древни времена космите са считани за източник на цялата сила, а тяхното подстригване е свързвано с възможни здравословни проблеми и дори неуспехи в живота. Сакралното значение на космите се е прехвърлило от шаманските ритуали на древни племена към по-съвременни религии, произведения на писатели, художници и скулптори. В частност, женската красота често е била тясно свързана с това как изглеждат или се изображават (например, на картини) космите на нежните дами.
Обърнете внимание, колко детайлно са изобразени космите на Венера (Сандро Ботичели, „Раждането на Венера“, 1485).
Оставяме настрана културния и естетически аспект на космите и започваме да разглеждаме изследването на учените.
Космите, по един или друг начин, присъстват при много видове бозайници. Ако за човека те вече не са толкова важни от биологична гледна точка, то за другите представители на животинския свят козината и мехът са жизненоважни атрибути. При това, по своята основна структура косъмът на човека и, например, на слона, са много сходни, въпреки че съществуват и различия. Най-очевидното от тях е размерът, тъй като космите на слона са много по-дебели от нашите, но, както се оказа, не и по-здрави.
Учени изучават косата и вълната от доста време. Резултатите от тези изследвания се реализират както в козметиката и медицината, така и в леката промишленост (или както би казала известната Калугина Л.П.: „лека промишленост“), а именно в текстилната. Освен това, изследването на косата значително помогна в разработването на биоматериали на основата на кератин, който още в началото на миналия век е започнал да се извлича от рогата на животни с помощта на вар.
Полученият по този начин кератин се използва за създаване на гелове, които могат да бъдат усилени чрез добавяне на формалдехид. По-късно, кератинът е научен да се извлича не само от рогата на животни, но и от тяхната вълна, както и от човешката коса. Веществата, създадени на основата на кератин, намират приложение в козметиката, композитите и дори в покритията за таблетки.
В наши дни бързо се развива индустрията за изследване и производство на здрави и леки материали. Косата, будейки се такива по природа, е един от природните материали, вдъхновяващи подобни изследвания. Какво да кажем за пределната якост на опън на вълната и човешката коса, която е от 200 до 260 МПа, което е равно на специфичната якост от 150-200 МПа / мг м-3. А това е практически сравнимо със стомана (250 МПа / мг м-3).
Основната роля в формирането на механичните свойства на косата играе нейното йерархично строение, което напомня на матрьошка. Най-важният елемент от тази структура е вътрешният кортекс от коркови клетки (диаметър около 5 мкм, а дължина 100 мкм), състоящи се от групирани макрофибрили (диаметър около 0.2-0.4 мкм), които, от своя страна, се състоят от междинни влакна (7.5 нм в диаметър), вградени в аморфна матрица.
Механичните свойства на косата, тяхната чувствителност към температура, влажност и деформация са пряк резултат от взаимодействието на аморфните и кристалните компоненти на кортекса. Кератиновите влакна на кортекса на човешката коса обикновено имат голяма разтегливост с деформация при счупване над 40%.
Така високата стойност се дължи на разгръщането на структурата и-кератин и, в някои случаи, неговото превръщане в b-кератин, което води до увеличаване на дължината (пълен оборот на спирала 0.52 нм се разтяга до 1.2 нм в конфигурация b). Това е и една от основните причини, поради които много изследвания се съсредоточиха именно върху кератина, за да го възпроизведат в синтетична форма. А външният слой на косата (куткула), каквато знаем, се състои от пластинки (с дебелина 0.3–0.5 мкм и 40–60 мкм дължина).
По-рано учените вече бяха провели изследване на механичните свойства на косата на хора от различни възрастови и етнически групи. В настоящата работа акцентът беше поставен върху изследването на разликите в механичните свойства на косата на различни видове животни, а именно: човек, кон, мечка, глиган, капибара, пекари, жираф и слон.
Резултати от изследването
Изображение №1: морфология на човешката коса (А — кутикула; В — счупване на кортекса; показващо краищата на влакната, С — повърхност на счупването, където се виждат трите слоя; D — странична повърхност на кортекса, показваща опъването на влакното).
Диаметърът на косата на възрастен човек е около 80-100 мкм. При нормална грижа за косата, външният им вид е сравнително целостен (1А). Вътрешният компонент на косата на човека е фиброзният кортекс. След изпитване на опън беше установено, че кутикулата и кортексът на човешката коса се счупват по различен начин: кутикулата обикновено се чупи абразивно (на парчета), докато кератиновите влакна в кортекса са отделени и изтеглени от общата структура (1В).
На снимката 1С ясно се вижда крехката повърхност на кутикулата с визуализация на слоевете, които представляват застъпващи се пластинки на кутикулата и имат дебелина 350–400 нм. Наблюдаваното разграждане на повърхността на счупването, както и крехката природа на тази повърхност показват слаба междинна връзка между кутикулата и кортекса, а също така между влакната вътре в кортекса.
Кератиновите влакна в кортекса бяха отделени (1D). Това показва, че влакнестият кортекс основно отговаря за механичната здравина на косата.
Изображение №2: морфология на конската коса (А — кутикула, някои от пластинките, която малко се отклонява поради недостатъчна грижа; В — вид на счупването; С — детайли на счупването на кортекса, където се вижда откъсната кутикула; D — детайли на кутикулата).
Структурата на конските коси е подобна на човешките, с изключение на диаметъра, който е с 50% по-голям (150 мкм). На снимката 2А можете да видите явни повреди на кутикулата, където много пластини не са свързани с стержена толкова плътно, както при човешките коси. Мястото на разкъсването на конската коса съдържа както обичайната счупеност, така и разкъсване на косата (разслояване на кутикулните пластини). На 2В са видими и двата варианта на повреди. На участъците, където пластините напълно са се откъснали, се вижда интерфейсът между кутикулата и кортекса (2С). Няколко влакна са били изскубнати и се разслоили в областта на интерфейса. Сравнявайки данните от наблюденията с предишните (човешка коса), подобни разрушения показват, че косата на коня не е била подложена на такова силно напрежение, както човешките коси, когато влакната в кортекса са били изтеглени и напълно отделени от кутикулата. Също така е видно, че някои пластини са се откъснали от стержена, което може да е свързано с напрежение при разтягане (2D).
Изображение №3: морфология на мечешка коса (А — кутикула; В — повреди на две места, свързани с областта на разкъсване; С — напукване на кутикулата с разслояване на влакната в кортекса; D — детайли от структурата на влакната, видими няколко издължени влакна от общата структура).
Дебелината на мечешката коса е 80 мкм. Пластините на кутикулата са изключително плътно прикрепени една към друга (3А), а на някои места дори е трудно да се различат отделните пластини. Такова може да бъде свързано с триенето на косата с съседни. При отпусково напрежение тези коси буквално са се разчупили с появата на дълги пукнатини (вмъкване на 3B), което показва, че при слаб свързващ ефект на повредената кутикула кератиновите влакна в кортекса лесно са се разслоили. Разслояването на кортекса причинява разкъсване на кутикулата, което се потвърджа от зигзагообразния модел на разлагане (3С). Това напрежение води до изтегляне на някои влакна от кортекса (3D).
Изображение №4: морфология на косата на дива свиня (А — обикновено плоско счупване на косата; В — структурата на кутикулата демонстрира лошо състояние на целостта (групираността) на пластините; С — детайли от разкъсването на интерфейса между кутикулата и кортекса; D — издължени от общата маса влакна и изтъкнати фибрили).
Косите на дивата свиня са доста дебели (230 мм), особено в сравнение с мечешките.4А) перпендикулярно на посок на опъване.
Относително малките оголени пластинки кутикула бяха откъснати от основното тяло на косъма поради опъването на техните ръбове (4В).
На повърхността на зоната на разрушение ясно се вижда деламинация на влакната, също така е видно, че те са били много плътно свързани помежду си вътре в кортекса (4С). Само влакната на интерфейса между кортекса и кутикулата бяха оголени поради разделянето (4D), което разкри наличието на дебели фибрили на кортекса (250 нм в диаметър). Някои от фибрилите леко излязоха навън поради деформация. Смята се, че те служат за укрепление на косата на свинята.
Изображение №5: морфология на косата на слона (А — С) и жирафа (D — F). А — кутикула; В — стъпаловиден негатив на косъма; С — кухини вътре в косъма указват, къде са били изтеглени влакна. D — кутикуларни пластинки; Е — равен негатив на косъма; F — влакна, изтеглени от повърхността в областта на разлома.
Космите на слончето могат да имат дебелина около 330 мкм, а на възрастния да достигат 1.5 мм. Пластинките на повърхността са трудно различими (5А).Косъмът на слона също е склонен към нормално разрушение, т.е. към чисто разкъсване при опъване. Морфологията на повърхността на разрушението демонстрира стъпаловиден вид (5В), вероятно, причинен от наличието на незначителни дефекти в кортекса на косъма. На повърхността на разлома също могат да се видят някои малки дупки, където преди повредата вероятно са се намирали укрепващи фибрили (5С).
При жирафа космите също са достатъчно дебели (370 мкм), въпреки че разположението на пластинките кутикула не е толкова ясно (5D). Смята се, че това е свързано с тяхното увреждане от различни фактори на околната среда (например триене в дървета по време на хранене). Въпреки различията, разломът на косъма при жирафа беше сходен с този на слона (5F).
Изображение №6: морфология на косъма на капибара (А — двойна кутикуларна структура на пластинките; В — разкъсване на двойната структура; С — влакна близо до границата на разкъсването изглеждат крехки и твърди; D — удължени влакна от зоната на разкъсване на двойната структура).
Космите на капибара и пекари се различават от всички останали изследвани косми. При капибара основното отличие е наличието на двойна конфигурация на кутикулата и овална форма на косъма (6А). Жлеб между две зеркалообразни части на косата е необходим, за да се отстрани водата от козината на животното по-бързо, а също така за по-добра вентилация, което позволява да изсъхне по-бързо. При нагласяне, косата се разделя на две части по дължината на жлеба, а всяка от частите се поврежда (6В). Много от влакната на кортекса се разслояват и се удължават (6С и 6D).
Изображение №7: морфология на косата на пекара (А — структура на кутикулата и мястото на разкъсването; В — морфология на разрушението на кортекса и детайли от неговата структура; С — затворени клетки (20 мкм в диаметър), стените на които са съставени от влакна; D — стените на клетките).
При пекара (семейство Tayassuidae, т.е. пекасови) косата има порест кортекс, а слой кутикула няма ясни пластинки (7А). Кортекса на косата съдържа затворени клетки с размер 10-30 мкм (7В), стените на които са съставени от кератинови влакна (7С). Тези стени са достатъчно порести, а размерът на едно пори е около 0.5-3 мкм (7D).
Както се вижда на снимката, без подкрепата на влакнистия кортекс, кутикулата се напуква по линията на разкъсването, а влакната на места се удължават. Подобна структура на косата е необходима, за да бъдат косите по-вертикални, визуално увеличавайки размера на животното, което може да бъде защитен механизъм за пекара. Косите на пекара са достатъчно устойчиви на натиск, но не могат да се справят с разтягане. 7АСлед като проучиха структурните особености на косата на различни животни, както и техните типове повреди от натегне, учените преминаха към описанието на механичните свойства.
Изображение №8: диаграма за деформация за всеки от типовете коса и схема на експерименталната установка за получаване на данни (скорост на деформация 10-2 с-1).
Както се вижда от графиката по-горе, реакцията на разтягане при косите на различни видове животни беше достатъчно различна. Така, косите на човека, коня, дивата свиня и мечката показаха реакция, подобна на реакцията на вълната (не на която и да е, а на текстилния материал).
При относително висок модул на еластичност, равен на 3.5–5 ГПа, кривите се състоят от линейна (еластична) област, следвана от платау с бавно нарастващо напрежение до деформация 0.20–0.25, след което скоростта на укрепване значително нараства до деформация на разрушаване от 0.40. Областта на платау се отнася до разплита.
Разбира се, при различни условия и за различни видове коса, характеристиките на деформацията и разкъсването могат да варират. и-спирална структура на кератиновите междинни влакна, които в някои случаи могат (частично) да се преобразуват в b-листи (плоски структури). Пълното разопакуване води до деформация 1.31, което е значително по-високо, отколкото в края на тази фаза (0.20–0.25).
Кристалната нишковидна част на структурата е обградена от аморфна матрица, която не се трансформира. Аморфната част съставлява около 55% от общия обем, но само при условие, че диаметърът на междинните влакна е 7 нм и че те са разделени от аморфен материал с 2 нм. Такива точни показатели бяха извлечени в предишно проведени изследвания.
На етапа на деформация, характеризиращ се с упрочняване, настъпва плъзгане между кортикалните влакна, както и между по-малките структурни елементи, като микрофибрили, междинни влакна и аморфната матрица.
Космите на жирафа, слона и пекарито демонстрират относително линейна реакция на упрочняване без ясно разграничение между платото и областите на бързо упрочняване (пикове). Модулът на еластичността е относително нисък и е около 2 ГПа.
В отличие от други видове, космите на капибарата демонстрират реакция, характеризираща се с бързо упрочняване, на което се налагат последователни напрежения. Това наблюдение е свързано с необичайната структура на косъма на капибарата, а по-точно с наличието на две симетрични части и продълговат жлеб между тях.
Вече бяха провеждани изследвания, които сочат, че модулът на Юнг (модул на надлъжната еластичност) намалява с увеличаването на диаметъра на косъма при различни видове животни. В тези трудове е отбелязано, че модулът на Юнг при пекарито е значително по-нисък в сравнение с други животни, което може да бъде свързано с порьозността на структурата на косъма му.
Интересно е и това, че при пекарито има и черни, и бели участъци на косъма (двуцветност). Разкъсванията при опън най-често настъпват именно в белия участък на косъма. Повишената устойчивост на черния участък се обяснява с наличието на меланосоми, които се срещат изключително в черните косми.
Всички тези наблюдения са наистина уникални, но остава основният въпрос — играят ли роля размерите на косъма за неговата здравина?
Ако опишем косата при бозайниците, можем да изтъкнем основни факти, известни на изследователите:
- при повечето видове косата е по-дебела в централната част и се стеснява към края; козината на дивите животни е по-дебела заради средата им на живот;
- промените в диаметъра на косъмчетата от един вид показват, че дебелината на повечето косъмчета варира в определен диапазон за съответния вид животно. Дебелината на косъмчетата при различни представители на един вид може да се различава, но все още не е известно какво влияе на тази разлика;
- различните видове бозайници имат различна дебелина на косата (колкото и да звучи банално).
Обобщавайки тези общодостъпни факти и данните, получени по време на експериментите, учените успяха да съпоставят всички резултати за формиране на зависимости между дебелината на косата и нейната якост.
Изображение №9: зависимост на дебелината на косата и нейната якост при различни видове животни.
Поради разликите в диаметъра и еластичността на косата, учените решиха да установят дали може да се предскаже тяхната опънна якост, основавайки се на статистиката на Вейбул, която може да отчита разликите в размера на пробата и резултантния размер на дефекта.
Предполага се, че сегментът на косата с обем V се състои от n обемни елементи, като всеки отделен обем V0 има аналогично разпределение на дефектите. Използвайки предположението за най-слабото звено, при дадено ниво на напрежение σ вероятността P да се запази целостта на този сегмент на косата с обем V може да бъде изразена като произведение от допълнителни вероятности за запазване целостта на всеки от обемните елементи, а именно:
P(V) = P(V0) · P(V0)… · P(V0) = · P(V0)n
където обемът V съдържа n обемни елементи V0. При увеличаване на напрежението P(V) естествено намалява.
Използвайки двупараметричното разпределение на Вейбул, вероятността за разрушаване на целия обем може да бъде изразена като:
1 — P = 1 — exp [ —V/V0 · (σ/σ0)m]
където σ — приложеното напрежение, σ0 — характерната (еталонна) якост, а m — модулът на Вейбул, който е мярка за изменчивостта на свойствата. Следва да се отбележи, че вероятността за разрушаване нараства с увеличаването на обема на избора V при постоянно напрежение σ.
На графика 9А Показано разпределението на Вейбул за експериментални разрушителни напрежения на човешки и капибарски косми. Кривите за други видове бяха предсказани с използването на формула №2 с същото значение m, както за човешкия косъм (m = 0.11).
За среден диаметър бяха използвани: глиган — 235 микрона, кон — 200 микрона, пекари — 300 микрона, мечка — 70 микрона, слонов косъм — 345 микрона и жираф — 370 микрона.
Въз основа на това, че разрушителното напрежение може да бъде определено при P(V) = 0.5, тези резултати показват, че разрушителното напрежение намалява с увеличаването на диаметъра на косъма при различни видове.
На графика 9В са показани предсказваните разривни напрежения при 50% вероятност за разрушение (P(V) = 0.5) и средното експериментално разривно напрежение за различни видове.
Става ясно, че с увеличаването на диаметъра на косъма от 100 до 350 мм его разрушително напрежение намалява от 200–250 МПа до 125–150 МПа. Резултатите от моделирането по разпределението на Вейбул съвпадат отлично с резултатите от действителните наблюдения. Единственото изключение са космите на пекаря, тъй като те са изключително порести. Действителната якост на косъма на пекаря е по-ниска от показаното от моделирането по разпределението на Вейбул.
За по-подробно запознаване с нюансите на изследването, препоръчвам да се запознаете с и към него.
Епилог
Основният извод от гореописаните наблюдения е, че дебелите косми не са еквивалент на здрави. Истината, както казват самите учени, е, че това твърдение не е откритие на хилядолетието, тъй като подобни наблюдения са направени и при изучаване на метални проводници. Тук става въпрос даже не за физика, механика или биология, а за статистика — колкото по-голям е обектът, толкова повече пространство има за дефекти.
Учени вярват, че разгледаното днес изследване ще помогне на техните колеги да създадат нови синтетични материали. Основната проблема е, че въпреки напредъка на съвременните технологии, те все още не могат да създадат нещо подобно на косъма на човека или слона. В крайна сметка, създаването на нещо толкова малко е вече предизвикателство, да не говорим за сложната му структура.
Както видим, настоящето проучване показа, че не само паяжината остава интересна за учените като вдъхновение за бъдещи супер здрави и супер леки материали, но и човешките косми могат да изненадат със своите механични свойства и удивителна здравина.
Благодаря за вниманието, оставете се любопитни и приятна работна седмица на всички, приятели. 🙂
Малко реклама 🙂
Благодаря, че оставате с нас. Харесвате ли нашите статии? Искате ли да видите повече интересни материали? Подкрепете ни, като направите поръчка или я препоръчате на познати, , уникален аналог на entry-level сървъри, създаден от нас за Вас: (налични опции с RAID1 и RAID10, до 24 ядра и до 40GB DDR4).
Dell R730xd два пъти по-евтин в дата-центъра Equinix Tier IV в Амстердам? Само при нас в Нидерландия! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Четете за това
Източник: habr.com
