Чия коса е по-силна: морфология на косата

Косата за модерен човек не е нищо повече от елемент на визуална самоидентификация, част от изображението и образа. Въпреки това, тези рогови образувания на кожата имат няколко важни биологични функции: защита, терморегулация, допир и др. Колко силна е косата ни? Както се оказа, те са в пъти по-здрави от косата на слон или жираф.

Днес ще се запознаем с проучване, в което учени от Калифорнийския университет (САЩ) решиха да проверят как корелират дебелината на косъма и неговата здравина при различните животински видове, включително и хората. Чия коса е най-силна, какви механични свойства имат различните типове коса и как това изследване може да помогне за разработването на нови видове материали? Научаваме за това от доклада на учените. Отивам.

Изследователска база

Косата, състояща се предимно от протеина кератин, е роговото образувание на кожата на бозайниците. Всъщност косата, вълната и козината са синоними. Структурата на косата се състои от кератинови пластини, които се припокриват една върху друга, като домино, падащо едно върху друго. Всеки косъм има три слоя: кутикулата е външният и защитен слой; кортекс - кората, състояща се от продълговати мъртви клетки (важна за здравината и еластичността на косъма, определя цвета му благодарение на меланина) и медулата - централният слой на косъма, състоящ се от меки кератинови клетки и въздушни кухини, който е участващи в преноса на хранителни вещества към други слоеве.

Ако косата се раздели вертикално, получаваме подкожна част (ствол) и подкожна част (луковица или корен). Луковицата е заобиколена от фоликул, чиято форма определя формата на самата коса: кръгъл фоликул е прав, овален фоликул е леко къдрав, бъбрековиден фоликул е къдрав.

Много учени предполагат, че човешката еволюция се променя поради технологичния прогрес. Тоест някои органи и структури в тялото ни постепенно се превръщат в рудиментарни – такива, които са загубили предназначението си. Тези части на тялото включват мъдреци, апендикс и косми по тялото. С други думи, учените смятат, че с течение на времето тези структури просто ще изчезнат от нашата анатомия. Дали това е вярно или не е трудно да се каже, но за много обикновени хора мъдреците например са свързани с посещение при зъболекар за неизбежното им отстраняване.

Както и да е, човек се нуждае от коса, тя може вече да не играе жизненоважна роля в терморегулацията, но все още е неразделна част от естетиката. Същото може да се каже и за световната култура. В много страни от незапомнени времена косата се смяташе за източник на цялата сила и подстригването й се свързваше с възможни здравословни проблеми и дори неуспехи в живота. Свещеното значение на косата мигрира от шаманските ритуали на древните племена към по-модерни религии, произведенията на писатели, художници и скулптори. По-специално, женската красота често е тясно свързана с начина, по който косата на красивите дами изглежда или е изобразена (например в картини).

Забележете колко подробно е изобразена косата на Венера (Сандро Ботичели, „Раждането на Венера“, 1485 г.).

Нека оставим настрана културния и естетически аспект на косата и да започнем да разглеждаме изследванията на учените.

Косата под една или друга форма присъства при много видове бозайници. Ако за хората те вече не са толкова важни от биологична гледна точка, то за други представители на животинския свят вълната и козината са жизненоважни атрибути. В същото време, по отношение на основната си структура, човешката коса и например косата на слон са много сходни, въпреки че има разлики. Най-очевидният от тях са размерите, защото слонската коса е много по-дебела от нашата, но, както се оказа, не по-здрава.

Учените изучават косата и вълната от доста време. Резултатите от тези работи бяха приложени както в козметологията и медицината, така и в леката промишленост (или, както би казала известната Калугина Л. П.: „лека промишленост“), или по-точно в текстила. В допълнение, изследването на косата значително помогна за разработването на биоматериали на базата на кератин, които в началото на миналия век се научиха да изолират от животински рога с помощта на вар.

Така полученият кератин се използва за създаване на гелове, които могат да бъдат подсилени чрез добавяне на формалдехид. По-късно се научили да изолират кератин не само от рогата на животните, но и от козината им, както и от човешката коса. Веществата на основата на кератин са намерили своето приложение в козметиката, композитите и дори в покритията на таблети.

В наши дни индустрията за изучаване и производство на издръжливи и леки материали се развива бързо. Косата, тъй като е естествена, е един от естествените материали, които вдъхновяват този вид изследвания. Помислете за якостта на опън на вълната и човешката коса, която варира от 200 до 260 MPa, което е еквивалентно на специфична якост от 150-200 MPa/mg m-3. И това е почти сравнимо със стоманата (250 MPa / mg m-3).

Основна роля във формирането на механичните свойства на косата играе нейната йерархична структура, напомняща на матрьошка. Най-важният елемент на тази структура е вътрешната кора на кортикалните клетки (диаметър около 5 μm и дължина 100 μm), състояща се от групирани макрофибрили (диаметър около 0.2-0.4 μm), които от своя страна се състоят от междинни нишки (7.5 nm в диаметър ), вграден в аморфна матрица.

Механичните свойства на косъма, неговата 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 голямо удължение, с напрежение на опън над 40%.

Такава висока стойност се дължи на размотаването на конструкцията а-кератин и в някои случаи превръщането му в b-кератин, което води до увеличаване на дължината (пълен оборот на 0.52 nm спирала се разтяга до 1.2 nm в конфигурацията b). Това е една от основните причини много изследвания да се фокусират специално върху кератина, за да го пресъздадат в синтетична форма. Но външният слой на косата (кутикулата), както вече знаем, се състои от пластини (0.3–0.5 микрона дебелина и 40–60 микрона дължина).

Преди това учените вече са провели изследване на механичните свойства на косата на хора от различни възрастови и етнически групи. В тази работа акцентът беше поставен върху изучаването на разликите в механичните свойства на косата на различни животински видове, а именно: хора, коне, мечки, диви свине, капибари, пекари, жирафи и слонове.

Резултати от проучването

Изображение № 1: Морфология на човешката коса (А - кутикула; В - фрактура на кората; показващи краищата на влакната, С — повърхността на разлома, където се виждат три слоя; D - странична повърхност на кората, показваща удължаване на влакната).

Един възрастен човешки косъм е около 80-100 микрона в диаметър. При нормална грижа за косата външният им вид е доста холистичен (1А). Вътрешният компонент на човешката коса е фиброзната кора. След изпитване на опън беше установено, че кутикулата и кората на човешката коса се счупват по различен начин: кутикулата обикновено се счупва абразивно (смачкване), а кератиновите влакна в кората се отлепват и издърпват от цялостната структура (1V).

На снимката 1S крехката повърхност на кутикулата е ясно видима с визуализация на слоевете, които са припокриващи се кутикулни плочи и имат дебелина 350–400 nm. Наблюдаваното разслояване на повърхността на фрактурата, както и крехкият характер на тази повърхност, показва слаба междуфазова комуникация между кутикулата и кората и между влакната в кората.

Кератиновите влакна в кората бяха ексфолирани (1D). Това предполага, че фиброзният кортекс е основно отговорен за механичната здравина на косъма.

Изображение № 2: Морфология на конския косъм (А - кутикула, някои плочи от която са леко изкривени поради липса на грижи; В - поява на разкъсване; С — подробности за разкъсването на кората, където се вижда разкъсаната кутикула; D - детайли на кожичките).

Структурата на конския косъм е подобна на човешката коса, с изключение на диаметъра, който е 50% по-голям (150 микрона). На снимката 2А Можете да видите очевидно увреждане на кутикулата, където много от плочите не са толкова тясно свързани със стеблото, както при човешката коса. Мястото на счупване на конския косъм съдържа както нормално счупване, така и счупване на косъма (разслояване на кутикулните плочи). На 2V И двата вида щети са видими. В областите, където ламелите са напълно откъснати, се вижда границата между кутикулата и кортекса (2S). Няколко влакна бяха разкъсани и разслоени на интерфейса. Сравнявайки тези наблюдения с предишни наблюдения (човешка коса), такива неуспехи показват, че конската коса не е изпитала толкова голям стрес, колкото човешката коса, когато влакната в кортекса са били издърпани и напълно отделени от кутикулата. Може също да се види, че някои плочи са се отделили от пръта, което може да се дължи на напрежение на опън (2D).

Изображение #3: Морфология на косата на мечка (А - кутикула; В — увреждане в две точки, свързани с зоната на разкъсване; С — напукване на кутикулата с разслояване на влакна в кората; D - подробности за структурата на влакната, виждат се няколко удължени влакна от общата структура).

Дебелината на един мечешки косъм е 80 микрона. Кутикулните плочи са изключително плътно прикрепени една към друга (3А), а в някои области дори е трудно да се разграничат отделните плочи. Това може да се дължи на триенето на косата в съседните. При напрежение на опън тези косми буквално се нацепват с появата на дълги пукнатини (вмъкнати върху 3B), което показва, че със слабия свързващ ефект на увредената кутикула, кератиновите влакна в кората лесно се разслояват. Разслояването на кортекса причинява счупване на кутикулата, както се вижда от зигзагообразния модел на счупването (3S). Това напрежение кара някои влакна да бъдат изтеглени от кората (3D).

Изображение № 4: морфология на косата на глиган (А - обикновена плоска фрактура на косата; В — структурата на кутикулата показва лошо състояние на целостта (групиране) на плочите; С — подробности за празнината на границата между кутикулата и кората; D - влакна, удължени от общата маса и изпъкнали фибрили).

Косата на глигана е доста дебела (230 мм), особено в сравнение с косата на мечката. Разкъсването на косата от глиган при повреда изглежда доста ясно (4А) перпендикулярно на посоката на напрежението на опън.

Сравнително малки открити кутикулни плочи бяха откъснати от основното тяло на косъма поради разтягане на краищата им (4V).

На повърхността на зоната на унищожаване ясно се вижда разслояването на влакната; също така е ясно, че те са били много тясно свързани помежду си вътре в кората (4S). Само влакната на интерфейса между кората и кутикулата бяха изложени поради разделяне (4D), което разкрива наличието на дебели кортикални фибрили (250 nm в диаметър). Някои от фибрилите леко изпъкнаха поради деформация. Те трябва да служат като укрепващо средство за косата на глигана.

Изображение #5: Морфология на косата на слон (А - С) и жираф (D - F). А - кутикула; В - стъпаловидно разкъсване на косата; С - кухините в косъма показват къде са изтръгнати влакната. D - кутикуларни плочи; Е - равномерно накъсване на косата; F - влакна, откъснати от повърхността в областта на фрактурата.

Козината на слончето може да бъде с дебелина около 330 микрона, а при възрастен може да достигне 1.5 мм. Плочите на повърхността са трудни за разграничаване (5А).Козината на слон също е склонна към нормално разпадане, т.е. до чисто счупване на опън. Освен това морфологията на повърхността на фрактурата показва стъпаловиден вид (5V), вероятно поради наличието на незначителни дефекти в кората на косъма. Някои малки дупки също могат да се видят на повърхността на фрактурата, където вероятно са били разположени укрепващи фибрили преди повреда (5S).

Косата на жирафа също е доста дебела (370 микрона), въпреки че подреждането на кутикулните плочи не е толкова ясно (5D). Смята се, че това се дължи на тяхното увреждане от различни фактори на околната среда (например триене срещу дървета по време на хранене). Въпреки разликите, косите на жирафа бяха подобни на тези на слона (5F).

Изображение № 6: морфология на косата на капибара (А - двойна кутикуларна структура на плочите; В — разкъсване на двойната структура; С — влакната близо до границата на разкъсване изглеждат крехки и твърди; D - удължени влакна от зоната на разкъсване на двойната структура).

Косата на капибарите и пекариите е различна от всички останали изследвани косми. При капибарата основната разлика е наличието на конфигурация с двойна кутикула и овална форма на косата (6А). Жлебът между двете огледални части на косъма е необходим за по-бързото отстраняване на водата от козината на животното, както и за по-добра вентилация, което позволява по-бързото му изсъхване. Когато е изложена на разтягане, косата се разделя на две части по жлеба и всяка част се унищожава (6V). Много влакна на кората са разделени и разтегнати (6S и 6D).

Изображение #7: Морфология на косъма от пекари (А - структура на кутикулата и място на разкъсване; В — морфология на деструкцията на кората и подробности за нейната структура; С — затворени клетки (20 микрона в диаметър), стените на които се състоят от влакна; D - клетъчни стени).

Пекарите (семейство Tayassuidae, т.е. пекари) косата има пореста кора, а кутикулният слой няма отделни плочи (7А). Кората на косъма съдържа затворени клетки с размери 10-30 микрона (7V), чиито стени се състоят от кератинови влакна (7S). Тези стени са доста порести и размерът на една пора е около 0.5-3 микрона (7D).

Както можете да видите на снимката 7А, без подкрепата на фиброзния кортекс, кутикулата се напуква по линията на счупване и влакната се издърпват на някои места. Тази структура на косата е необходима, за да направи косата по-вертикална, визуално увеличавайки размера на животното, което може да бъде защитен механизъм за пекари. Косата от пекари се съпротивлява на компресия доста добре, но не се справя с разтягане.

След като разбраха структурните характеристики на косата на различни животни, както и видовете им повреди поради напрежение, учените започнаха да описват механичните свойства.

Изображение № 8: диаграма на деформация за всеки тип коса и диаграма на експерименталната настройка за получаване на данни (скорост на деформация 10-2 s-1).

Както може да се види от графиката по-горе, реакцията на разтягане на косата на различните животински видове е доста различна. Така косата на човек, кон, глиган и мечка реагира подобно на реакцията на вълна (не на някой друг, а на текстилен материал).

При относително висок модул на еластичност от 3.5–5 GPa, кривите се състоят от линейна (еластична) област, последвана от плато с бавно нарастващо напрежение до деформация от 0.20–0.25, след което скоростта на втвърдяване се увеличава значително до деформация на повреда от 0.40. Площта на платото се отнася до размотаване а-спирална структура на кератинови междинни нишки, които в някои случаи могат (частично) да се трансформират в b-листове (плоски конструкции). Пълното размотаване води до деформация от 1.31, което е значително по-високо, отколкото в края на този етап (0.20–0.25).

Кристалната нишковидна част на структурата е заобиколена от аморфна матрица, която не се трансформира. Аморфната част съставлява около 55% от общия обем, но само ако диаметърът на междинните нишки е 7 nm и че те са разделени от 2 nm аморфен материал. Такива точни показатели са изведени в предишни проучвания.

По време на етапа на втвърдяване на деформация се получава плъзгане между кортикалните влакна, както и между по-малки структурни елементи като микрофибрили, междинни нишки и аморфната матрица.

Космите на жираф, слон и пекари показват относително линеен отговор на втвърдяване без ясно разграничение между плата и области на бързо втвърдяване (върхове). Еластичният модул е ​​сравнително нисък и е около 2 GPa.

За разлика от други видове, косата на капибара показва реакция, характеризираща се с бързо втвърдяване, когато се прилагат последователни натоварвания. Това наблюдение се свързва с необичайната структура на косъма на капибарата или по-точно с наличието на две симетрични части и надлъжна бразда между тях.

Вече са проведени предишни проучвания, които показват, че модулът на Йънг (модул на надлъжен ластик) намалява с увеличаване на диаметъра на косъма при различни животински видове. Тези работи отбелязват, че модулът на Янг на пекари е значително по-нисък от този на други животни, което може да се дължи на порьозността на структурата на косата му.

Любопитно е също, че пекарите имат както черни, така и бели участъци по косата (двуцветни). Накъсванията на опън най-често се появяват в бялата област на косата. Повишената устойчивост на черната зона се дължи на наличието на меланозоми, които се намират изключително в черната коса.

Всички тези наблюдения са наистина уникални, но основният въпрос остава: играят ли роля размерите на косата за нейната здравина?

Ако опишем косата при бозайници, можем да подчертаем основните факти, които са известни на изследователите:

• при повечето типове коса тя е по-дебела в централната част и се стеснява към края; Козината на дивите животни е по-дебела поради местообитанието им;
• Вариациите в диаметъра на космите на един вид показват, че дебелината на повечето косми варира в рамките на общия диапазон на дебелина за даден животински вид. Дебелината на космите може да се различава между различните представители на един и същи вид, но какво влияе на тази разлика все още не е известно;
• Различните видове бозайници имат различна дебелина на косата (колкото и клиширано да звучи).

Чрез обобщаване на тези публично достъпни факти и данните, получени по време на експериментите, учените успяха да сравнят всички резултати, за да формират връзки между дебелината на косата и нейната здравина.

Изображение № 9: връзката между дебелината на косъма и неговата здравина при различни животински видове.

Поради разликите в диаметъра и разтегливостта на косъма, учените решиха да видят дали техните напрежения на опън могат да бъдат предвидени въз основа на статистиката на Weibull, която може конкретно да отчете разликите в размера на пробата и получения размер на дефекта.

Предполага се, че сегмент коса с обем V состоит из n елементи на обема и всяка единица обем V0 има подобно разпределение на дефектите. Използване на предположението за най-слабата връзка при дадено ниво на напрежение σ вероятност P поддържане на целостта на даден сегмент от косата с обем V може да се изрази като произведение на допълнителни вероятности за запазване на целостта на всеки от елементите на обема, а именно:

P(V) = P(V0) · P(V0)… · P(V0) = · P(V0)n

къде е обемът V съдържа n обемни елемента V0. С увеличаване на напрежението P(V) естествено намалява.

Използвайки двупараметърно разпределение на Weibull, вероятността от повреда на целия обем може да се изрази като:

1 - P = 1 - опит [ -V/V0 · ((σ/σ0)м]

където σ — приложено напрежение, σ0 е характеристичната (референтна) якост, и m — Модул на Weibull, който е мярка за променливост на свойството. Струва си да се отбележи, че вероятността от унищожаване се увеличава с увеличаване на размера на извадката V при постоянно напрежение σ.

На графиката 9А Показано е разпределението на Weibull на експерименталните напрежения на отказ за човешка коса и коса на капибара. Кривите за други видове са прогнозирани с помощта на формула #2 със същата стойност на m като за човешка коса (m = 0.11).

Използваните средни диаметри са: глиган - 235 µm, кон - 200 µm, пекари - 300 µm, мечка - 70 µm, коса на слон - 345 µm и жираф - 370 µm.

Въз основа на факта, че напрежението на разрушаване може да се определи при P(V) = 0.5, тези резултати показват, че напрежението при повреда намалява с увеличаване на диаметъра на косъма при различните видове.

На графиката 9V показва предвидени напрежения на разрушаване при 50% вероятност за повреда (P(V) = 0.5) и средното експериментално напрежение на разрушаване за различни видове.

Става ясно, че с увеличаване на диаметъра на косъма от 100 на 350 mm напрежението на скъсване намалява от 200–250 MPa на 125–150 MPa. Резултатите от симулацията на разпределението на Weibull са в отлично съответствие с действителните резултати от наблюдението. Единственото изключение е косата от пекари, тъй като е изключително пореста. Действителната сила на косъма от пекари е по-ниска от тази, показана от моделирането на разпределението на Weibull.

За по-подробно запознаване с нюансите на изследването препоръчвам да разгледате съобщават учените и Допълнителни материали на него.

Епилог

Основният извод от горните наблюдения е, че гъстата коса не е еквивалент на силна коса. Вярно е, както казват самите учени, това твърдение не е откритие на хилядолетието, тъй като подобни наблюдения са направени при изучаване на метална тел. Въпросът тук дори не е във физиката, механиката или биологията, а в статистиката - колкото по-голям е обектът, толкова по-голяма е възможността за дефекти.

Учените смятат, че работата, която прегледахме днес, ще помогне на техните колеги да създадат нови синтетични материали. Основният проблем е, че въпреки развитието на съвременните технологии, те все още не са в състояние да създадат нещо като човешка или слонска коса. В крайна сметка създаването на нещо толкова малко вече е предизвикателство, да не говорим за сложната му структура.

Както виждаме, това изследване показа, че не само паяжината е достойна за вниманието на учените като вдъхновение за бъдещи ултраздрави и ултра леки материали, но и човешката коса може да изненада със своите механични свойства и невероятна здравина.

Благодаря за четенето, останете любопитни и желая страхотна седмица, момчета. 🙂

Малко реклами 🙂

Благодарим ви, че останахте с нас. Харесвате ли нашите статии? Искате ли да видите още интересно съдържание? Подкрепете ни, като направите поръчка или препоръчате на приятели, облачен VPS за разработчици от $4.99, уникален аналог на сървъри от начално ниво, който беше изобретен от нас за вас: Цялата истина за VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 ядра) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как да споделите сървър? (предлага се с RAID1 и RAID10, до 24 ядра и до 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 пъти по-евтин в центъра за данни Equinix Tier IV в Амстердам? Само тук 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV от $199 в Холандия! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Прочети за Как да изградим инфраструктура Corp. клас с използване на сървъри Dell R730xd E5-2650 v4 на стойност 9000 евро за стотинка?

Източник: www.habr.com