За съвременния човек косата е не повече от елемент на визуалната самоидентификация, част от имиджа и образа. Независимо от това, тези рогови образувания на кожата имат няколко важни биологични функции: защита, терморегулация, осезание и т.н. Колко здрави всъщност са нашите коси? Оказва се, че те са многократно по-здрави от косите на слона или жирафа.
Днес ще се запознаем с изследването, в което учени от Калифорнийския университет (САЩ) решават да проверят как корелира дебелината на косата и нейната здравина при различни видове животни, включително човека. 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 типове материали? За това ще научим от доклада на учените. Да започваме.
Основата на изследването
Косата, която по-голямата си част се състои от протеина кератин, е рогово образувание на кожата на бозайниците. Всъщност косата, козината и пухът са синоними. Структурно, косата се състои от пластинки кератин, които се наслагват една върху друга, подобно на паднали костилки домино. Всяка коса има три слоя: кутикула — външният защитен слой; кортекс — корковото вещество, състоящо се от удължени мъртви клетки (важно за здравината и еластичността на косата, определя цвета ѝ чрез меланин) и мозъчната субстанция — 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 епидермисен участък (стержен) и подкожен (луковица или корен). Луковицата е заобиколена от фоликул, от формата на който зависи и формата на самата коса: кръгъл фоликул — права, овален фоликул — леко вълниста, бъбрековиден фоликул — къдрав.
Много учени смятат, че с напредъка на технологиите, еволюцията на човека се променя. Тоест, някои органи и структури в нашето тяло постепенно стават рудиментарни – тоест, които са загубили своето първоначално предназначение. Към такива части на тялото можем да отнесем зъби на мъдростта, апендикса и окосмяване по тялото. С други думи, учените смятат, че с течение на времето тези структури просто ще изчезнат от нашата анатомия. Дали е така или не, е трудно да се каже, но за много хора зъбите на мъдростта, например, асоциират с посещение при стоматолога за тяхното неизбежно отстраняване.
Каквото и да се случи, косата е необходима на човека, може би вече не играе толкова важна роля в терморегулацията, но все пак в естетиката остава неотменна част. Същото може да се каже и за световната култура. В много страни от векове косата се е смятала за източник на сила, а отрязването й е било свързвано с възможни здравословни проблеми и дори неудачи в живота. Свещеното значение на косата се е пренесло от шаманските ритуали на древните племена към по-съвременни религии, произведения на писатели, художници и скулптори. В частност, женската красота често е била взаимосвързана с начина, по който изглеждали или били изобразени (например, на картини) косите на нежните дами.
Обърнете внимание колко детайлно са изобразени косите на Венера (Сандро Ботичели, «Раждането на Венера», 1485).
Оставяме настрана културния и естетически аспект на косата и пристъпваме към разглеждане на изследване на учените.
Косата, под каквато и да е форма, присъства при много видове бозайници. Ако за човека тя вече не е толкова важна от биологична гледна точка, то за другите представители на животинския свят, козината и пухът са жизненоважни атрибути. Въпреки това, по своята основна структура косата на човека и, например, на слона е много подобна, въпреки че има и разлики. Най-очевидната от тях е размерът, тъй като косата на слона е много по-дебела от нашата, но, както се оказа, не и по-здрава.
Косата и космите са изучавани от учените отдавна. Резултатите от тези изследвания намериха приложение както в козметологията и медицината, така и в леката промишленост (или както би казала известната Калугина Л.П.: «леката промишленост»), а именно в текстилната. Освен това, изучаването на косата драматично допринесе за разработването на биоматериали, базирани на кератин, който още в началото на миналия век беше усвоен от рогата на животни с помощта на вар.
Полученият по този начин кератин се използва за създаване на гелове, които можеха да бъдат укрепени чрез добавяне на формалдехид. По-късно, кератинът бе извлечен не само от рогата на животните, но и от тяхната вълна, както и от човешката коса. Вещества, произведени на основата на кератин, намериха своето приложение в козметиката, композитите и дори в покритията за таблетки.
В наши дни бързо се развива индустрията за изучаване и производство на издръжливи и леки материали. Косата, будейки се по природа такава, е един от природните материали, вдъхновяващи подобни изследвания. Какво струва границата на якост на опън на вълна и човешка коса, която варира между 200 и 260 МПа, което е еквивалентно на специфичната якост от 150-200 МПа / мг м-3. А това е почти сравнимо със стомана (250 МПа / мг м-3).
Основна роля в формирането на механичните свойства на косата играе нейната йерархична структура, наподобяваща матрьошка. Най-важният елемент на 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 филаменти (7.5 нм в диаметър), вградени в аморфна матрица.
Механичните свойства на косата, тяхната чувствителност към температура, влажност и деформация са директен резултат от взаимодействието на аморфния и кристалният компонент на кортекса. Кератиновите влакна на кортекса на човешката коса обикновено имат по-голяма разтегливост с деформация на счупване над 40%.
Тази висока стойност е следствие от развиването на структурата а-кератин и, в някои случаи, от превръщането му в b-кератин, което води до увеличаване на дължината (пълен завой на спирала 0.52 нм се разтяга до 1.2 нм в конфигурация b). Това е една от основните причини, поради която много изследвания се съсредоточиха върху кератина, за да го възпроизведат в синтетична форма. Външният слой на косата (кутината), както вече знаем, се състои от пластинки (с дебелина 0.3–0.5 мкм и дължина 40–60 мкм).
По-рано учените вече проведоха изследвания на механичните свойства на косата на хора от различни възрастови и етнически групи. В настоящия труд акцентът беше поставен върху изучаването на разликите в механичните свойства на косата на различни видове животни, а именно: човек, кон, мечка, глиган, капибара, пекара, жираф и слон.
Резултати от изследването
Изображение №1: морфология на човешката коса (И — кутикула; В — счупването на кортекса; показващо краищата на влакната, С — повърхността на счупването, където се виждат три слоя; D — страничната повърхност на кортекса, показваща изтеглянето на влакното).
Косата на възрастен човек има диаметър около 80-100 мкм. При нормална грижа за косата, външният вид е достатъчно целенасочен (1А). Вътрешният компонент на косата на човека е фиброзният кортекс. След теста за разтягане беше установено, че кутикулата и кортекса на човешката коса счупват по различен начин: кутикулата обикновено се счупва абразивно (разпада се), а кератиновите влакна в кортекса са били отделени и изтеглени от общата структура (1В).
На снимката 1С ясно се вижда чупливата повърхност на кутикулата с визуализация на слоевете, които представляват припокриващи се пластинки на кутикулата с дебелина 350–400 нм. Наблюдаваното разслояване на повърхността на разрушението, както и чупливата природа на тази повърхност, показват слабата междуслойна връзка между кутикулата и кортекса, както и между влакната в кортекса.
Кератиновите влакна в кортекса бяха разслоени (1D). Това показва, че влакнестият кортекс е отговорен преди всичко за механичната здравина на косата.
Изображение №2: морфология на конската коса (И — кутикула, някои пластинки от която са леко отклонени поради липсата на грижа; В — външен вид на разкъсването; С — детайли от разкъсването на кортекса, където се вижда откъснатата 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 може да се видят очевидни увреждания на кутикулата, където много пластинки не са толкова здраво свързани със стеблото, както беше при косата на човека. Мястото на разкъсването на конската коса съдържа както обикновен счупване, така и разкъсване на косата (разслояване на пластинките на кутикулата). На 2В са видими и двата варианта на увреждения. На участъците, където пластинките напълно са се откъснали, е видим интерфейс между кутикулата и кортекса (2С). Няколко влакна са били извадени и се разслояват в областта на интерфейса. Сравнявайки тези наблюдения с предишни (човешка коса), подобни разрушения показват, че конската коса не е изпитала такова силно напрежение, както човешката коса, когато влакната в кортекса са били издърпани и напълно откъснати от кутикулата. Също така е видимо, че някои пластинки са се отделили от стеблото, което може да е свързано с напрежение на опън (2D).
Изображение №3: морфология на мечешката коса (И — кутикула; В — увреждания на две точки, свързани с областта на разкъсването; С — напукване на кутикулата с разслояване на влакната в кортекса; D — детайли на структурата на влакната, видими са няколко издължени влакна от общата структура).
Дебелината на мечешката коса е 80 мкм. Пластинките на кутикулата са изключително здраво свързани помежду си (3А), а на някои участъци дори е трудно да се различат отделните пластинки. Такова може да бъде свързано с триенето на косата о съседните. При опън напрежение тези коси буквално се разпадаха с появата на дълги пукнатини (вмъкване на 3B), което показва, че при слаб свързващ ефект на повредената кутикула кератиновите влакна в кортекса лесно се разслояват. Разслояването на кортекса причинява разкъсване на кутикулата, което се потвърджа от зигзагообразния модел на счупване (3С). Това напрежение води до изтегляне на някои влакна от кортекса (3D).
Изображение №4: морфология на косата на вълка (И — обикновен плосък счупване на косата; В — структурата на кутикулата демонстрира лошо състояние на целостта (групираността) на пластинките; С — детайли на разкъсването на интерфейса между кутикулата и кортекса; D — влакна, изтеглени от общата маса, и издаващи фибрили).
Косата на вълка е достатъчно дебела (230 мм), особено в сравнение с мечешката.4А) перпендикулярно на направлението на напрежението при разтягане.
Относително малки голи пластинки на кутикулата бяха отстранени от основното тяло на косъма поради разтягане на ръбовете (4В).
На повърхността на зоната на разрушение ясно се вижда разслояване 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 обнажени поради разделяне (4D), което разкри наличието на дебели фибрили на кортекса (250 нм в диаметър). Някои от фибрилите леко са излезли навън поради деформация. Предполага се, че те служат за укрепване на косата на дивата свиня.
Изображение №5: морфология на косата на слона (И — С) и жирафа (D — F). И — кутикула; В — стъпаловидно счупване на косъма; С — кухини вътре в косъма указват къде са били извлечени влакната. D — кутикуларни пластинки; Е — равномерно счупване на косъма; F — влакна, извлечени от повърхността в зоната на счупване.
Косите на слончетата могат да имат дебелина около 330 мкм, а при възрастните да достигат 1.5 мм. Пластинките на повърхността са трудни за разпознаване (5А).Косата на слона също е склонна към нормално разрушение, т.е. към чисто счупване при разтягане. Освен това морфологията на повърхността на разрушението демонстрира стъпаловиден вид (5В), възможно е, че е поради наличие на незначителни дефекти в кортекса на косъма. На повърхността на счупването също могат да се видят някои малки отвори, където преди повредата вероятно са се намирали укрепващи фибрили (5С).
При жирафа космите също са доста дебели (370 мкм), макар че разположението на пластинките на кутикулата не е толкова ясно (5D). Счита се, че това е свързано с увреждането им от различни фактори на околната среда (например триене в дървета по време на хранене). Въпреки различията, счупването на косъма при жирафа е подобно на това при слона (5F).
Изображение №6: морфология на косъма на капибарата (И — двойна кутикуларна структура на пластинките; В — разкъсване на двойната структура; С — влакната близо до границата на разкъсването изглеждат крехки и твърди; D — удължени влакна от зоната на разкъсване на двойната структура).
Косите на капибарата и пекари са различни от всички останали изследвани косми. При капибарата основното отличие е наличието на двойна конфигурация на кутикулата и овална форма на косъма (6А). Жлебо между двете огледални части на косата е необходимо за по-бързо отстраняване на водата от козината на животното, а също така и за по-добра вентилация, което позволява по-бързо изсъхване. При въздействие на опън косата се разделя на две части по дължина на жлеба, а всяка от частите се разрушава (6В). Много влакна от кортекса се разслояват и изтеглят (6С и 6D).
Изображение №7: морфология на косата на пекара (И — структура на кутикулата и мястото на счупване; В — морфология на разрушаването на кортекса и детайли от нейната структура; С — затворени клетки (20 мкм в диаметър), стените на които се състоят от влакна; D — стените на клетките).
При пекара (семейство Tayassuidae, т.е. пекареви) косите имат порест кортекс, а слой кутикула няма ясни пластини (7А). Кортексът на косата съдържа затворени клетки с размери 10-30 мкм (7В), стените на които са изградени от кератинови влакна (7С). Тези стени са достатъчно порести и размерът на една порa е около 0.5-3 мкм (7D).
Както се вижда на снимката, 7А, без подкрепа от влакнестия кортекс, кутикулата се напуква по линията на счупване, а влакната в някои места се изтягат. Такава структура на косата е необходима, за да бъдат косите по-вертикални, визуално увеличаващи размера на животното, което може да бъде защитен механизъм за пекара. Косите на пекара са доста устойчиви на притискане, но не се справят с разтягането.
След като проучиха структурните особености на косите на различни животни, както и техните видове повреди от натягане, учените започнаха да описват механичните свойства.
Изображение №8: диаграма на деформацията за всеки от видовете коси и схема на експерименталната установка за получаване на данни (скорост на деформация 10-2 с-1).
Както се вижда от графика по-горе, реакцията на разтягане на косите на различни видове животни беше достатъчно различна. Така, косите на човека, коня, дива свиня и мечка показаха реакция, сходна с реакцията на вълната (не на чията, а на текстилния материал).
С относително висок модул на еластичност от 3.5-5 ГПа, кривите се състоят от линейна (еластична) област, следвана от плато с бавно нарастващо напрежение до деформация 0.20-0.25, след което скоростта на втвърдяване значително нараства до деформация на разрушение в 0.40. Областта на платото се отнася до разгъване. а-спирална структура на кератиновите междинни влакна, които в някои случаи могат (частично) да се превръщат в b-листи (плоски структури). Пълното разплитане обаче води до деформация 1.31, което е значително по-високо от края на тази фаза (0.20–0.25).
Кристалната нишковидна част на структурата е заобиколена от аморфна матрица, която не се трансформира. Аморфната част представлява 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 на 2 нм. Тези точни показатели бяха извлечени в по-ранни изследвания.
На етапа на деформация, характеризираща се с укрепване, се извършва плъзгане между кортикалните влакна, както и между по-малките структурни елементи, като микрофибрили, междинни влакна и аморфната матрица.
Власите на жирафа, слона и пекарите демонстрират относително линейна реакция на укрепване без ясно разграничаване между плато и области на бързо укрепване (пикове). Модулът на еластичност е относително нисък и е около 2 ГПа.
В отличие от други видове, власите на капибарата демонстрират реакция, характеризираща се с бързо укрепване, на което се налагат последователни напрежения. Това наблюдение е свързано с необичайната структура на власите на капибарата, а именно с наличието на две симетрични части и надлъжен жлеб между тях.
По-рано са провеждани изследвания, които показват, че модулът на Юнг (модулът на надлъжната еластичност) намалява при увеличаване на диаметъра на власите при различни видове животни. В тези трудове се отбелязва, че модулът на Юнг при пекарите е значително по-нисък, отколкото при другите животни, което може да е свързано с порьозността на структурата на техните власини.
Интересно е също, че при пекарите има и черни, и бели участъци на власа (двуцветност). Разривите при опъване най-често се случват именно в белата част на власа. Повишената устойчивост на черната част обяснява наличието на меланозоми, които се срещат изключително в черните власи.
Всички тези наблюдения наистина са уникални, но остава основния въпрос – играят ли роля габаритите на власа за неговата здравина?
Когато описваме косата при бозайниците, можем да изтъкнем основните 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 поради средата, в която живеят;
- промените в диаметъра на космите от един вид показват, че дебелината на повечето косми варира в рамките на общия диапазон на дебелини за съответния вид животно. Дебелината на космите при различните представители на един вид може да се различава, но засега е неизвестно какво причинява това отклонение;
- различните видове бозайници имат различна дебелина на косата (както и да звучи банално).
Обобщавайки тези известни факти и получените данни от експерименти, учените успяха да свържат всички резултати за формиране на зависимости между дебелината на косата и нейната здравина.
Изображение №9: зависимостта между дебелината на косата и нейната здравина при различни видове животни.
Поради различия в диаметъра и разтегливостта на космите, учените решиха да установят дали е възможно да се предвиди тяхното напрежение на скъсване въз основа на статистиката на Вейбул, която може да отчита различията в размера на пробата и съответния размер на дефекта.
Предполага се, че сегментът на косата с обем V се състои от n обемни елементи, като всеки единичен 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 дадения сегмент на косата с обем V може да бъде изразена като произведение на допълнителни вероятности за запазване целостта на всеки от обемните елементи, именно:
P(V) = P(V0) · P(V0)… · P(V0) = · P(V0)n
където обемът V съдържа n обемни елемента 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 (референтна) здравина, а m — модулът на Вейбул, който е мярка за променливост на свойствата. Следва да се отбележи, че вероятността за разрушаване нараства с увеличаване на обема на пробата V при постоянно напрежение σ.
На графиката 9А показано разпределение Вейбул при експерименталните разрушителни напрежения за косата на човека и капибара. Кривите за други видове бяха предсказани с използване на формулата №2 с същата стойност m, както за косата на човека (m = 0.11).
Като среден диаметър бяха взети: дива свиня — 235 мкм, кон — 200 мкм, пекари — 300 мкм, мечка — 70 мкм, слонова коса — 345 мкм и жираф — 370 мкм.
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 косата при различни видове.
На графиката 9В са показани прогнозирани разривни напрежения при 50% вероятност за разрушение (P(V) = 0.5) и средно експериментално разривно напрежение за различни видове.
Става ясно, че с увеличаването на диаметъра на косата от 100 до 350 мм нейното разрушително напрежение намалява от 200–250 МПа до 125–150 МПа. Резултатите от моделирането на разпределението на Вейбул прекрасно съвпадат с резултатите от фактическите наблюдения. Единственото изключение са косата на пекарите, тъй като те са изключително порести. Фактическата сила на косата на пекарите е по-ниска от показаната от моделирането на разпределението на Вейбул.
За по-подробно запознаване с нюансите на изследването, препоръчвам да се запознаете с и към него.
Епилог
Основният извод от описаните наблюдения е, че дебелата коса не е эквивалент на здрави. Всъщност, както самите учени казват, това твърдение не е откритие на хилядолетието, тъй като подобни наблюдения са направени и при изучаването на метални проводници. Тук става дума не само за физика, механика или биология, а за статистика — колкото по-голям е обектът, толкова повече място има за дефекти.
Учените вярват, че обсъденият днес труд ще помогне на техните колеги да създадат нови синтетични материали. Основен проблем е, че въпреки напредъка на новите технологии, те все още не могат да създадат нещо подобно на косата на човека или слона. В крайна сметка, да се създаде нещо толкова малко е вече предизвикателство, да не говорим за сложната му структура.
Както виждаме, това изследване показа, че далеч не само паяжината е заслужаваща внимание от учените като вдъхновение за бъдещи свръхздрави и свръхлеки материали, но и косата на човека може да изненада с механичните си свойства и удивителна здравина.
Благодаря за вниманието, бъдете любопитни и желая на всички успешна работна седмица, момчета. 🙂
Малко реклама 🙂
Благодарим ви, че оставате с нас. Харесвате ли нашите статии? Искате ли да виждате повече интересни материали? Подкрепете ни, като направите поръчка или препоръчате на познати, , уникален аналог на entry-level сървъри, който е създаден от нас за вас: (с налични опции за RAID1 и RAID10, до 24 ядра и до 40GB DDR4).
Dell R730xd на половин цена в дата центъра Equinix Tier IV в Амстердам? Всичко това само при нас в Нидерландия! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от 99 $! Чете се за това
Източник: habr.com
