Чија коса е посилна: морфологија на косата

Косата за модерна личност не е ништо повеќе од елемент на визуелна самоидентификација, дел од сликата и сликата. И покрај ова, овие роговидени формации на кожата имаат неколку важни биолошки функции: заштита, терморегулација, допир итн. Колку е силна нашата коса? Како што се испостави, тие се многу пати посилни од косата на слон или жирафа.

Денес ќе се запознаеме со студија во која научниците од Универзитетот во Калифорнија (САД) решија да тестираат како дебелината на косата и нејзината сила се во корелација кај различни животински видови, вклучително и луѓето. Чија коса е најсилна, какви механички својства имаат различните типови на коса и како ова истражување може да помогне во развојот на нови видови материјали? За ова дознаваме од извештајот на научниците. Оди.

Истражувачка основа

Косата, која главно се состои од протеинот кератин, е роговиден облик на кожата на цицачите. Всушност, косата, волната и крзното се синоними. Структурата на косата се состои од кератински плочи кои се преклопуваат една со друга, како домино кои паѓаат едно врз друго. Секое влакно има три слоја: кутикулата е надворешниот и заштитен слој; кортекс - кортекс, кој се состои од издолжени мртви клетки (важни за јачината и еластичноста на косата, ја одредува нејзината боја поради меланин) и медулата - централниот слој на косата, кој се состои од меки кератински клетки и воздушни шуплини, што е вклучени во трансферот на хранливи материи на други слоеви.

Ако косата е поделена вертикално, добиваме поткожен дел (шахта) и поткожен дел (сијалица или корен). Сијалицата е опкружена со фоликул, чија форма го одредува обликот на самата коса: кружен фоликул е исправен, овален фоликул е малку кадрав, фоликул во облик на бубрег е кадрава.

Многу научници сугерираат дека човечката еволуција се менува поради технолошкиот напредок. Односно, некои органи и структури во нашето тело постепено стануваат рудиментирани - оние што ја изгубиле намената. Овие делови од телото вклучуваат мудрост заби, слепото црево и влакна на телото. Со други зборови, научниците веруваат дека со текот на времето, овие структури едноставно ќе исчезнат од нашата анатомија. Дали е тоа точно или не, тешко е да се каже, но за многу обични луѓе, умниците, на пример, се поврзани со посета на стоматолог за нивно неизбежно отстранување.

Како и да е, на човекот му е потребна коса, таа можеби повеќе нема да игра витална улога во терморегулацијата, но сепак е составен дел од естетиката. Истото може да се каже и за светската култура. Во многу земји, од памтивек, косата се сметаше за извор на сета сила, а нејзиното сечење беше поврзано со можни здравствени проблеми, па дури и неуспеси во животот. Светото значење на косата мигрирало од шаманските ритуали на античките племиња до помодерните религии, делата на писателите, уметниците и скулпторите. Особено, женската убавина честопати беше тесно поврзана со начинот на кој изгледаше или беше прикажана косата на прекрасните дами (на пример, на слики).

Забележете колку детално е прикажана косата на Венера (Сандро Ботичели, „Раѓање на Венера“, 1485 година).

Да го оставиме настрана културниот и естетскиот аспект на косата и да почнеме да ги разгледуваме истражувањата на научниците.

Косата, во една или друга форма, е присутна кај многу видови цицачи. Ако за луѓето тие веќе не се толку важни од биолошка гледна точка, тогаш за другите претставници на животинскиот свет волната и крзното се витални атрибути. Во исто време, во однос на нивната основна структура, човечката коса и, на пример, косата од слон се многу слични, иако постојат разлики. Најочигледна од нив се димензиите, бидејќи косата на слон е многу погуста од нашата, но, како што се испостави, не е посилна.

Научниците веќе подолго време ја проучуваат косата и волната. Резултатите од овие работи беа имплементирани и во козметологијата и медицината и во лесната индустрија (или, како што би рекол познатата Калугина Л.П.: „лесна индустрија“), поточно во текстилот. Покрај тоа, проучувањето на косата многу помогна во развојот на биоматеријали базирани на кератин, кои на почетокот на минатиот век научија да ги изолираат од животински рогови користејќи вар.

Така добиениот кератин се користел за создавање на гелови кои би можеле да се зајакнат со додавање формалдехид. Подоцна, тие научиле да го изолираат кератинот не само од животинските рогови, туку и од нивното крзно, како и од човечка коса. Супстанциите базирани на кератин ја најдоа својата употреба во козметиката, композитите, па дури и во облогите за таблети.

Во денешно време, индустријата за проучување и производство на издржливи и лесни материјали брзо се развива. Косата, бидејќи е природно таква, е еден од природните материјали што инспирира ваков вид на истражување. Размислете за јачината на истегнување на волната и човечката коса, која се движи од 200 до 260 MPa, што е еквивалентно на специфична јачина од 150-200 MPa/mg m-3. И ова е речиси споредливо со челик (250 MPa / mg m-3).

Главната улога во формирањето на механичките својства на косата ја игра нејзината хиерархиска структура, која потсетува на матриошка кукла. Најважниот елемент на оваа структура е внатрешниот кортекс на кортикалните клетки (со дијаметар од околу 5 μm и должина од 100 μm), кој се состои од групирани макрофибрили (со дијаметар од околу 0.2-0.4 μm), кои, пак, се состојат од средни филаменти (7.5 nm во дијаметар ), вградени во аморфна матрица.

Механичките својства на косата, нејзината чувствителност на температура, влажност и деформација се директен резултат на интеракцијата на аморфните и кристалните компоненти на кортексот. Кератинските влакна на кортексот на човечката коса обично имаат големо издолжување, со истегнување на повеќе од 40%.

Таквата висока вредност се должи на одмотување на структурата а-кератин и во некои случаи негова трансформација во b-кератин, што доведува до зголемување на должината (целосното вртење на спиралата од 0.52 nm се протега на 1.2 nm во конфигурацијата b). Ова е една од главните причини зошто многу студии се фокусираа конкретно на кератин со цел да се рекреираат во синтетичка форма. Но, надворешниот слој на косата (кутикулата), како што веќе знаеме, се состои од плочи (дебели 0.3-0.5 микрони и должина од 40-60 микрони).

Претходно, научниците веќе спроведоа истражување за механичките својства на косата на луѓе од различни возрасти и етнички групи. Во оваа работа, акцентот беше ставен на проучувањето на разликите во механичките својства на влакната на различни животински видови, и тоа: луѓе, коњи, мечки, диви свињи, капибари, пекари, жирафи и слонови.

Резултати од истражувањето

Слика бр. 1: Морфологија на човечка коса (А - кутикула; В - фрактура на кортекс; покажувајќи ги краевите на влакната, С — површината на раседот, каде што се видливи три слоја; D - странична површина на кортексот, покажувајќи издолжување на влакната).

Возрасно човечко влакно е со дијаметар од околу 80-100 микрони. Со нормална нега на коса, нивниот изглед е прилично холистички (1A). Внатрешната компонента на човечката коса е фиброзниот кортекс. По тестирањето на затегнување, беше откриено дека кутикулата и кортексот на човечката коса се скршиле поинаку: кутикулата обично се скршила абразивно (гужва), а кератинските влакна во кортексот биле излупени и извлечени од целокупната структура (1V).

Во сликата 1S кревката површина на кутикулата е јасно видлива со визуелизација на слоевите, кои се преклопувачки плочки на кутикулата и имаат дебелина од 350-400 nm. Набљудуваната раслојување на површината на фрактурата, како и кршливоста на оваа површина, укажува на слаба меѓусебна комуникација помеѓу кутикулата и кортексот и помеѓу влакната во кортексот.

Кератинските влакна во кортексот беа ексфолирани (1D). Ова сугерира дека фиброзниот кортекс е првенствено одговорен за механичката сила на косата.

Слика бр. 2: Морфологија на коњско влакно (А - кутикула, чии некои плочи се малку отстапени поради недостаток на грижа; В - појава на руптура; С — детали за руптура на кортексот, каде што е видлива искинатата кутикула; D - детали за кутикулата).

Структурата на коњското влакно е слична на човечката коса, освен дијаметарот, кој е 50% поголем (150 микрони). Во сликата 2A Можете да видите очигледно оштетување на кутикулата, каде што многу од плочите не се толку тесно поврзани со вратилото како што беа во човечка коса. Местото на раскинувањето на коњските влакна содржи и нормална пауза и кршење на влакната (разложување на кутикулите). На 2V И двата вида на оштетување се видливи. Во областите каде што ламелите се целосно откинати, интерфејсот помеѓу кутикулата и кортексот е видлив (2S). Неколку влакна беа искинати и расложени на интерфејсот. Споредувајќи ги овие набљудувања со претходните набљудувања (човечка коса), ваквите неуспеси укажуваат на тоа дека коњските влакна не доживеале толку стрес како човечката коса кога влакната во кортексот биле извлечени и целосно одвоени од кутикулата. Исто така, може да се види дека некои плочи се одвоиле од шипката, што може да се должи на напрегање на истегнување (2D).

Слика бр. 3: Морфологија на косата на мечка (А - кутикула; В — оштетување на две точки поврзани со областа на руптура; С — пукање на кутикулата со раслојување на влакна во кортексот; D - детали за структурата на влакната, видливи се неколку издолжени влакна од општата структура).

Дебелината на косата на мечка е 80 микрони. Плочите на кутикулите се исклучително цврсто прицврстени една за друга (3A), а во некои области дури е тешко да се разликуваат поединечни плочи. Ова може да се должи на триењето на косата против соседните. Под стрес на истегнување, овие влакна буквално се делат со појава на долги пукнатини (внесени на 3B), што укажува дека со слабиот врзувачки ефект на оштетената кутикула, кератинските влакна во кортексот лесно се раслојувале. Разложеноста на кортексот предизвикува прекин на кутикулата, како што е потврдено со цик-цак шемата на прекинот (3S). Оваа напнатост предизвикува некои влакна да се извлечат од кортексот (3D).

Слика бр. 4: морфологија на влакна од свиња (А - обична фрактура на рамна коса; В — структурата на кутикулата покажува лоша состојба на интегритет (групирање) на плочите; С — детали за јазот на интерфејсот помеѓу кутикулата и кортексот; D - влакна издолжени од вкупната маса и испакнати фибрили).

Косата на свињата е прилично густа (230 мм), особено во споредба со влакната од мечка. Кинењето на влакна од свиња кога е оштетено изгледа сосема јасно (4A) нормално на правецот на напрегањето на истегнување.

Релативно мали изложени кутикули беа откорнати од главното тело на косата поради истегнување на нивните рабови (4V).

На површината на зоната на уништување, разложеноста на влакната е јасно видлива; исто така е јасно дека тие биле многу цврсто поврзани едни со други внатре во кортексот (4S). Само влакната на интерфејсот помеѓу кортексот и кутикулата беа изложени поради одвојување (4D), што откри присуство на дебели кортикални фибрили (250 nm во дијаметар). Некои од фибрилите малку се испакнати поради деформација. Тие би требало да служат како средство за зајакнување на влакната на свињата.

Слика бр. 5: Морфологија на косата на слон (А - С) и жирафа (D - F). А - кутикула; В - постапно кршење на косата; С - празнините во внатрешноста на косата укажуваат на тоа каде се скинати влакната. D - кутикуларни плочи; Е - дури и кршење на косата; F - откинати влакна од површината во пределот на скршеницата.

Косата на слончето може да биде дебела околу 330 микрони, а кај возрасен може да достигне 1.5 мм. Плочите на површината тешко се разликуваат (5A).Влакното на слон е исто така склоно кон нормално распаѓање, т.е. до чиста затегнувачка фрактура. Покрај тоа, морфологијата на површината на фрактурата покажува скалест изглед (5V), веројатно поради присуството на помали дефекти во кортексот на косата. Некои мали дупки, исто така, може да се видат на површината на фрактурата, каде што веројатно се наоѓале зајакнувачки фибрили пред оштетувањето (5S).

Косата на жирафата е исто така доста густа (370 микрони), иако распоредот на кутикулите не е толку јасен (5D). Се верува дека ова се должи на нивното оштетување од различни фактори на животната средина (на пример, триење против дрвјата за време на хранењето). И покрај разликите, кршењето на косата на жирафата беше слично на она на слонот (5F).

Слика бр. 6: морфологија на косата капибара (А - двојна кутикуларна структура на плочите; В — руптура на двојната структура; С — влакната во близина на границата на руптурата изгледаат кршливи и крути; D - издолжени влакна од зоната на кинење на двојната структура).

Косата на капибарите и пекариите се разликува од сите други проучувани влакна. Во капибарата, главната разлика е присуството на конфигурација на двојна кутикула и овална форма на коса (6A). Жлебот помеѓу двата огледални делови од косата е неопходен за побрзо отстранување на водата од крзното на животното, како и за подобра вентилација, што овозможува побрзо сушење. Кога е изложена на истегнување, косата се дели на два дела по жлебот и секој дел се уништува (6V). Многу влакна на кортексот се одвојуваат и се протегаат (6S и 6D).

Слика бр. 7: Морфологија на косата на пекари (А - структура на кутикулата и место на руптура; В - морфологија на уништување на кортексот и детали за неговата структура; С — затворени ќелии (20 микрони во дијаметар), чии ѕидови се состојат од влакна; D - клеточни ѕидови).

Пекариите (семејството Tayassuidae, т.е. пекари) косата има порозен кортекс, а слојот на кутикулата нема посебни плочи (7A). Кората на косата содржи затворени клетки со големина од 10-30 микрони (7V), чии ѕидови се состојат од кератински влакна (7S). Овие ѕидови се доста порозни, а големината на една пора е околу 0.5-3 микрони (7D).

Како што можете да видите на сликата 7A, без поддршка на влакнестиот кортекс, кутикулата пука по линијата на прекин, а влакната се извлекуваат на некои места. Оваа структура на влакната е неопходна за косата да биде повертикална, визуелно зголемувајќи ја големината на животното, што може да биде одбранбен механизам за пекаријата. Пекариската коса доста добро се спротивставува на компресија, но не се справува со истегнување.

Откако ги разбраа структурните карактеристики на косата на различни животни, како и нивните видови оштетувања поради напнатоста, научниците почнаа да ги опишуваат механичките својства.

Слика бр. 8: дијаграм на деформација за секој тип коса и дијаграм на експерименталното поставување за добивање податоци (стапка на напрегање 10-2 s-1).

Како што може да се види од графиконот погоре, одговорот на истегнување на косата на различни животински видови беше сосема различен. Така, косата на човек, коњ, свиња и мечка покажа реакција слична на реакцијата на волна (не туѓа, туку текстилна материја).

При релативно висок модул на еластичност од 3.5-5 GPa, кривите се состојат од линеарен (еластичен) регион, проследен со плато со бавно растечки напрегање до напрегање од 0.20-0.25, по што стапката на стврднување значително се зголемува до неуспешна деформација од 0.40. Областа на платото се однесува на одмотување а-спирална структура на кератински меѓунишки, кои во некои случаи можат (делумно) да се трансформираат во b-листови (рамни структури). Целосното одмотување доведува до деформација од 1.31, што е значително повисоко отколку на крајот на оваа фаза (0.20–0.25).

Кристалниот дел од структурата налик на конец е опкружен со аморфна матрица која не се трансформира. Аморфниот дел сочинува околу 55% ​​од вкупниот волумен, но само ако дијаметарот на меѓуфиламентите е 7 nm и тие се одвоени со 2 nm аморфен материјал. Вакви прецизни показатели се изведени во претходните студии.

За време на фазата на стврднување на деформацијата, се случува лизгање помеѓу кортикалните влакна, како и помеѓу помалите структурни елементи како што се микрофибрилите, средните филаменти и аморфната матрица.

Влакната од жирафата, слонот и пекарите покажуваат релативно линеарен одговор на стврднување без јасна разлика помеѓу висорамнините и регионите на брзо стврднување (врвови). Модулот на еластичност е релативно низок и е околу 2 GPa.

За разлика од другите видови, влакната од капибара покажуваат реакција која се карактеризира со брзо стврднување кога се применуваат последователни напрегања. Оваа опсервација е поврзана со необичната структура на косата на капибарата, или поточно со присуството на два симетрични делови и надолжен жлеб меѓу нив.

Веќе се спроведени претходни студии кои укажуваат дека Јанг-овиот модул (надолжен модул на еластичност) се намалува со зголемување на дијаметарот на влакната кај различни животински видови. Овие дела забележаа дека младиот модул на пекариот е значително помал од оној на другите животни, што може да се должи на порозноста на структурата на неговата коса.

Исто така, љубопитно е што пекариите имаат и црни и бели области на косата (двобојни). Во белата површина на косата најчесто се јавуваат затегнувачки прекини. Зголемениот отпор на црната површина се должи на присуството на меланозоми, кои се наоѓаат исклучиво во црната коса.

Сите овие набљудувања се навистина уникатни, но главното прашање останува: дали димензиите на косата играат улога во нејзината сила?

Ако ја опишеме косата кај цицачите, можеме да ги истакнеме главните факти што им се познати на истражувачите:

• кај повеќето типови коса таа е погуста во централниот дел и се стеснува кон крајот; Крзното на дивите животни е подебело поради нивното живеалиште;
• Варијациите во дијаметарот на влакната од еден вид покажуваат дека дебелината на повеќето влакна варира во рамките на општиот опсег на дебелина за даден животински вид. Дебелината на влакната може да се разликува помеѓу различни претставници од ист вид, но што влијае на оваа разлика сè уште е непознато;
• Различни видови цицачи имаат различна дебелина на влакната (колку и да звучи клише).

Со сумирање на овие јавно достапни факти и податоците добиени за време на експериментите, научниците можеа да ги споредат сите резултати за да формираат односи помеѓу дебелината на косата и нејзината јачина.

Слика бр. 9: односот помеѓу дебелината на косата и нејзината сила кај различни животински видови.

Поради разликите во дијаметарот и растегливоста на влакното, научниците одлучија да видат дали нивните напрегања на истегнување може да се предвидат врз основа на статистиката на Веибул, која конкретно може да ги земе предвид разликите во големината на примерокот и големината на резултатот на дефектот.

Се претпоставува дека еден сегмент на коса со волумен V состоит из n елементи на волуменот и секоја единица волумен V0 има слична распределба на дефекти. Користење на претпоставката за најслабата врска, на дадено напонско ниво σ веројатност P одржување на интегритетот на даден сегмент на коса со волумен V може да се изрази како производ на дополнителните веројатности за одржување на интегритетот на секој од волуменските елементи, имено:

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

каде е волуменот V содржи n волуменски елементи V0. Како што се зголемува напонот P(V) природно се намалува.

Со користење на двопараметарска распределба на Веибул, веројатноста за неуспех на целиот волумен може да се изрази како:

1 - P = 1 - exp [ -V/V0 · (σ/σ0)м]

каде што σ - применет напон, σ0 е карактеристична (референтна) јачина, и m — Вајбулов модул, кој е мерка за варијабилноста на својствата. Вреди да се напомене дека веројатноста за уништување се зголемува со зголемување на големината на примерокот V при постојан напон σ.

На табелата 9A Прикажано е Веибуловата распределба на експериментални неуспешни напрегања за човечка и капибарна коса. Кривите за други видови беа предвидени со помош на формулата #2 со иста вредност од m како и за човечка коса (m = 0.11).

Просечните употребени дијаметри беа: свиња - 235 µm, коњ - 200 µm, пекари - 300 µm, мечка - 70 µm, коса од слон - 345 µm и жирафа - 370 µm.

Врз основа на фактот дека напрегањето на кршење може да се одреди кај P(V) = 0.5, овие резултати покажуваат дека напрегањето на неуспехот се намалува со зголемување на дијаметарот на влакната кај видовите.

На табелата 9V покажува предвидени напрегања на руптура со 50% веројатност за дефект (P(V) = 0.5) и просечниот експериментален напрегање на кршење за различни видови.

Станува јасно дека како што дијаметарот на влакното се зголемува од 100 на 350 mm, нејзиниот стрес на кршење се намалува од 200-250 MPa на 125-150 MPa. Резултатите од симулацијата на распределбата на Веибул се во одлична согласност со вистинските резултати од набљудувањето. Единствен исклучок е пекарената коса бидејќи е екстремно порозна. Вистинската јачина на пекарската коса е помала од онаа што е прикажана со моделирањето на дистрибуцијата на Веибул.

За подетално запознавање со нијансите на студијата, препорачувам да погледнете известуваат научниците и Дополнителни материјали до него.

Епилог

Главниот заклучок од горенаведените набљудувања е дека густата коса не е еквивалент на силна коса. Точно, како што велат самите научници, оваа изјава не е откритие на милениумот, бидејќи слични набљудувања беа направени при проучување на металната жица. Поентата овде не е дури ни во физиката, механиката или биологијата, туку во статистиката - колку е поголем објектот, толку е поголем опсегот за дефекти.

Научниците веруваат дека работата што ја разгледавме денес ќе им помогне на нивните колеги да создадат нови синтетички материјали. Главниот проблем е што и покрај развојот на современите технологии, тие сè уште не се способни да создадат нешто како човечка или слон коса. На крајот на краиштата, создавањето нешто толку мало е веќе предизвик, а да не зборуваме за неговата сложена структура.

Како што можеме да видиме, оваа студија покажа дека не само пајакова свила е достојна за вниманието на научниците како инспирација за идните ултра силни и ултра лесни материјали, туку и човечката коса може да изненади со своите механички својства и неверојатна сила.

Ви благодариме за читањето, останете љубопитни и имајте одлична недела момци. 🙂

Некои реклами 🙂

Ви благодариме што останавте со нас. Дали ви се допаѓаат нашите написи? Сакате да видите поинтересна содржина? Поддржете не со нарачка или препорака на пријатели, облак VPS за програмери од 4.99 долари, уникатен аналог на сервери на почетно ниво, кој беше измислен од нас за вас: Целата вистина за VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 јадра) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps од 19 долари или како да споделите сервер? (достапен со RAID1 и RAID10, до 24 јадра и до 40 GB DDR4).

Dell R730xd 2 пати поевтин во центарот за податоци Equinix Tier IV во Амстердам? Само овде 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 телевизор од 199 долари во Холандија! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - од 99 долари! Прочитајте за Како да се изгради инфраструктурна корп. класа со употреба на сервери Dell R730xd E5-2650 v4 вредни 9000 евра за денар?

Извор: www.habr.com