الذي الشعر أقوى: مورفولوجيا الشعر

الشعر لشخص حديث ليس أكثر من عنصر من عناصر التعريف الذاتي المرئي ، جزء من الصورة والصورة. على الرغم من ذلك ، فإن هذه التكوينات الجلدية قرنية لها العديد من الوظائف البيولوجية المهمة: الحماية ، التنظيم الحراري ، اللمس ، إلخ. ما مدى قوة شعرنا؟ كما اتضح ، فهي أقوى عدة مرات من شعر الفيل أو الزرافة.

سنلتقي بكم اليوم دراسة قرر فيها علماء من جامعة كاليفورنيا بالولايات المتحدة الأمريكية التحقق من ارتباط سمك الشعر وقوته في أنواع مختلفة من الحيوانات ، بما في ذلك البشر. من الذي تبين أن الشعر هو الأكثر دواما ، ما هي الخصائص الميكانيكية التي يمتلكها الشعر بمختلف أنواعه ، وكيف يمكن لهذه الدراسة أن تساعد في تطوير أنواع جديدة من المواد؟ نتعرف على هذا من تقرير العلماء. دعنا نذهب.

أساس الدراسة

الشعر ، الذي يتكون بشكل أساسي من بروتين الكيراتين ، هو تكوين الجلد للقرون من الثدييات. في الواقع ، الشعر والصوف والفراء مترادفان. في تركيبته ، يتكون الشعر من ألواح الكيراتين ، والتي يتم تثبيتها على بعضها البعض ، مثل مفاصل الدومينو التي تسقط على بعضها البعض. كل شعر له ثلاث طبقات: بشرة - الطبقة الخارجية والحماية ؛ القشرة - مادة قشرية تتكون من خلايا ميتة ممدودة (مهمة لقوة ومرونة الشعر ، وتحدد لونها بسبب الميلانين) ، النخاع - الطبقة الوسطى من الشعر ، تتكون من خلايا كيراتين ناعمة وتجويفات هواء ، والتي تشارك في نقل المواد الغذائية إلى الآخرين طبقات.



إذا تم تقسيم الشعر رأسيًا ، فسنحصل على المنطقة الجلدية (العمود) وتحت الجلد (بصلة أو جذر). المصباح محاط ببصيل ، على شكله يعتمد شكل الشعر نفسه: جريب مستدير - خط مستقيم ، جريب بيضاوي - مجعد قليلاً ، جريب على شكل كلية - مجعد.

يشير العديد من العلماء إلى أن التطور البشري آخذ في التغير بسبب التقدم التكنولوجي. أي أن بعض الأعضاء والهياكل في جسمنا أصبحت تدريجيًا - تلك التي فقدت هدفها المقصود. هذه الأجزاء من الجسم تشمل أسنان الحكمة والملحق وشعري على الجسم. بمعنى آخر ، يعتقد العلماء أنه بمرور الوقت ، ستختفي هذه الهياكل ببساطة من تشريحنا. سواء كان ذلك صحيحًا أم لا ، من الصعب القول ، ولكن بالنسبة للعديد من الأشخاص العاديين ، ترتبط أسنان الحكمة ، على سبيل المثال ، بزيارة طبيب أسنان لاستخراجها المحتوم.

سواء كان الأمر كذلك ، يحتاج الشخص إلى الشعر ، وربما لم يعد يلعب دورًا حاسمًا في التنظيم الحراري ، ولكن في الجماليات لا يزال جزءًا لا يتجزأ منه. يمكن قول الشيء نفسه عن الثقافة العالمية. في العديد من البلدان ، منذ زمن سحيق ، كان الشعر يُعتبر مصدر القوة الكاملة ، وكان ختانهم مرتبطًا بمشاكل صحية محتملة وحتى فشل في الحياة. هاجر المعنى المقدس للشعر من الطقوس الشامانية للقبائل القديمة إلى الأديان الحديثة ، وأعمال الكتاب والفنانين والنحاتين. على وجه الخصوص ، كان جمال الإناث يرتبط في الغالب ارتباطًا وثيقًا بكيفية ظهور أو تصوير شعر السيدات الجميلات (على سبيل المثال ، في اللوحات).


لاحظ مدى تفصيل شعر فينوس (ساندرو بوتيتشيلي ، ولادة فينوس ، 1485).

دعونا نترك جانبا الجانب الثقافي والجمالي من الشعر والمضي قدما للنظر في دراسة العلماء.

الشعر ، بشكل أو بآخر ، موجود في العديد من أنواع الثدييات. إذا لم تعد للبشر أهمية كبيرة من وجهة نظر بيولوجية ، فبالنسبة للممثلين الآخرين في عالم الحيوان ، يعد الصوف والفراء سمات حيوية. علاوة على ذلك ، في بنيتها الأساسية ، فإن شعر الإنسان ، وشعر الفيل على سبيل المثال ، متشابهان للغاية ، على الرغم من وجود اختلافات. أكثرها وضوحا هو الأبعاد ، لأن شعر الفيل هو أكثر سمكا من شعرنا ، ولكن ، كما اتضح ، ليس أقوى.

كان العلماء يدرسون الشعر والصوف لبعض الوقت. تم تنفيذ نتائج هذه الأعمال في كل من مستحضرات التجميل والطب ، وفي الصناعة الخفيفة (أو كما هي الحال في شركة Kalugina L.P المعروفة: "الصناعة الخفيفة") ، أو بالأحرى ، في صناعة النسيج. بالإضافة إلى ذلك ، ساعدت دراسة الشعر بشكل كبير في تطوير المواد الحيوية القائمة على الكيراتين ، والتي تعلمت في بداية القرن الماضي عزلها عن قرون الحيوانات بالليمون.

وهكذا تم استخدام الكيراتين التي تم الحصول عليها لإنشاء المواد الهلامية التي يمكن تعزيزها عن طريق إضافة الفورمالديهايد. في وقت لاحق تعلموا عزل الكيراتين ليس فقط من قرون الحيوانات ، ولكن أيضا من شعرهم ، وكذلك من شعر الإنسان. وقد وجدت المواد التي تم إنشاؤها على أساس الكيراتين تطبيقها في مستحضرات التجميل والمواد المركبة ، وحتى في طلاء للأقراص.

اليوم ، صناعة دراسة وإنتاج مواد قوية وخفيفة الوزن تتطور بسرعة. الشعر ، كونه بطبيعته ، هو أحد المواد الطبيعية التي تلهم مثل هذه الدراسات. ما هي قوة الشد للصوف والشعر البشري ، والتي تتراوح من 200 إلى 260 ميجا باسكال ، وهو ما يعادل قوة محددة من 150-200 ميجا باسكال / ملغ ^-3 م. وهذا مشابه تقريبًا للصلب (250 ميجا باسكال / ملغ ^-3 م).

يلعب الدور الرئيسي في تشكيل الخواص الميكانيكية للشعر من خلال هيكلها الهرمي الذي يشبه دمية التعشيش. العنصر الأكثر أهمية في هذا الهيكل هو القشرة الداخلية للخلايا القشرية (يبلغ قطرها حوالي 5 ميكرون وطولها 100 ميكرون) ، وتتألف من ألياف ليفية مجمعة (قطرها حوالي 0.2-0.4 ميكرون) ، والتي بدورها تتكون من خيوط وسيطة (قطرها 7.5 نانومتر) ) جزءا لا يتجزأ من المصفوفة غير المتبلور.

الخواص الميكانيكية للشعر ، وحساسيتها لدرجة الحرارة والرطوبة والتشوه هي نتيجة مباشرة لتفاعل المكونات غير المتبلورة والبلورية للقشرة. عادة ما يكون لألياف الكيراتين في قشرة الشعر البشري خصائص شد أكبر مع إجهاد الشد لأكثر من 40٪.

ترجع هذه القيمة العالية إلى فك تركيبة α- الكيراتين ، وفي بعض الحالات ، تحوله إلى β- كيراتين ، مما يؤدي إلى زيادة في الطول (تمتد ثورة الحلزون الكاملة البالغة 0.52 نانومتر إلى 1.2 نانومتر في التكوين ب ). هذا هو أحد الأسباب الرئيسية التي ركزت عليها العديد من الدراسات على الكيراتين لإعادة إنشائها في شكل صناعي. لكن الطبقة الخارجية من الشعر (بشرة) ، كما نعلم بالفعل ، تتكون من صفائح (يبلغ سمكها 0.3 - 0.5 ميكرون وطولها 40 - 60 ميكرون).

في السابق ، أجرى العلماء بالفعل دراسة للخصائص الميكانيكية لشعر الأشخاص من مختلف الفئات العمرية والإثنية. في هذا العمل ، تم التركيز على دراسة الاختلاف في الخواص الميكانيكية لشعر أنواع الحيوانات المختلفة ، وهي: الرجل ، الحصان ، الدب ، الخنزير البري ، كابيبارا ، الخبازون ، الزرافة والفيلة.

نتائج البحوث

الصورة رقم 1: التشكل من شعر الإنسان ( أ - بشرة ؛ ب - كسر القشرة ؛ تظهر أطراف الألياف ، سطح الكسر حيث تكون ثلاث طبقات مرئية ؛ سطح القشرة الجانبية ، تظهر استطالة الألياف).

شعر شخص بالغ قطره حوالي 80-100 ميكرون. مع العناية الطبيعية بالشعر ، يكون مظهرها كليًا ( 1A ). المكون الداخلي للشعر البشري هو القشرة الليفية. بعد إجراء اختبار الشد ، وجد أن بشرة وقشرة شعر الإنسان قد تحطمت بشكل مختلف: عادة ما تنكسر بشرة (متداعية) ، وتم تقشير ألياف الكيراتين في القشرة وتمديدها من الهيكل العام ( 1B ).

في الصورة 1C ، يكون السطح الهش للبشرة مرئيًا بشكل واضح مع تصوُّر الطبقات التي تتداخل ألواح الإهاب ويبلغ سمكها 350-400 نانومتر. يُظهر التوضيح المرصود على سطح الكسر ، فضلاً عن الطبيعة الهشة لهذا السطح ، وجود اتصال بيني ضعيف بين الإهاب والقشرة ، وكذلك بين الألياف الموجودة داخل القشرة.

تم فصل ألياف الكيراتين في القشرة ( 1D ). هذا يشير إلى أن القشرة الليفية مسؤولة بشكل أساسي عن القوة الميكانيكية للشعر.


الصورة رقم 2: مورفولوجيا شعر الخيل ( أ - بشرة ، بعض لوحاتها تنحرف قليلاً بسبب نقص الرعاية ؛ ب - ظهور الفجوة ؛ ج - تفاصيل تمزق القشرة حيث تكون بشرة ممزقة ؛ د - تفاصيل بشرة).

يشبه هيكل شعر الخيل الشكل البشري ، باستثناء القطر ، الذي يكون أكبر بنسبة 50٪ (150 ميكرون). في الصورة 2A ، يمكنك أن ترى أضرارًا واضحة للعناية بالبشرة ، حيث لا ترتبط العديد من الألواح بشكل وثيق بالعمود كما كانت في شعر الإنسان. يحتوي تمزق شعر الخيل على تمزق منتظم وتمزق في الشعر (إزالة الصفائح الجلدية). على 2B كلا الخيارين الضرر مرئية. في المناطق التي تمزقت فيها الألواح تمامًا ، تكون الواجهة بين الإهاب والقشرة ( 2C ) مرئية. تم تمزيق العديد من الألياف و delaminated في منطقة الواجهة. عند مقارنة بيانات الملاحظة مع تلك السابقة (الشعر البشري) ، يشير هذا التدمير إلى أن شعر الحصان لم يتعرض لنفس التوتر الشديد الذي شعر به شعر الإنسان عندما تم ممدود الألياف في القشرة وفصلها تمامًا عن بشرة. يُلاحظ أيضًا أن بعض اللوحات منفصلة عن القضيب ، والتي قد تكون ناتجة عن إجهاد الشد ( 2D ).


شكل 3: التشكل لشعر الدب ( أ - بشرة ؛ ب - تلف في نقطتين مرتبطتين بمنطقة التمزق ؛ ج - تكسير بشرة من خلال إزالة الألياف في القشرة ؛ د - تفاصيل بنية الألياف ، العديد من الألياف المطولة من الهيكل العام مرئية).

سمك شعر الدب هو 80 ميكرون. ترتبط ألواح الإهاب بإحكام شديد مع بعضها البعض ( 3A ) ، وفي بعض المناطق يكون من الصعب تمييز اللوحات الفردية. قد يكون هذا بسبب احتكاك الشعر على تلك المجاورة. تحت إجهاد الشد ، تنفصل هذه الشعيرات حرفيًا مع ظهور تشققات طويلة (تدرج في 3B ) ، مما يشير إلى أنه مع التأثير الملزم الضعيف للبشرة التالفة ، يمكن بسهولة إزالة ألياف الكيراتين في القشرة. يؤدي التقسيم الطبقي للقشرة إلى وجود فجوة في البشرة ، كما يتضح من نمط كسر متعرج ( 3C ). يؤدي هذا الضغط إلى سحب بعض الألياف من القشرة ( ثلاثية الأبعاد ).


الصورة رقم 4: مورفولوجيا شعر الخنزير البري ( A - كسر عادي للشعر المسطح ؛ بنية B - بشرة توضح ضعف سلامة (تجميع) الصفائح ؛ C - تفاصيل الفجوة في السطح الفاصل بين بشرة وقشرة ؛ الألياف الموسعة والألياف الليفية الممتدة من الكتلة الكلية) .

شعر الخنزير البري كثيف للغاية (230 ميكرون) ، خاصةً إذا ما قورن بشعر الدب. يبدو تمزق شعر الخنزير أثناء التلف واضحًا تمامًا ( 4A ) عموديًا على اتجاه التوتر تحت التوتر.

تم مزق لوحات بشرة صغيرة نسبيا من الجسم الرئيسي للشعر بسبب تمدد حوافها ( 4B ).

يكون فصل الألياف مرئيًا بوضوح على سطح منطقة الكسر ، كما يُرى أيضًا أنها مترابطة جدًا داخل القشرة ( 4C ). تم الكشف فقط عن الألياف الموجودة على الواجهة بين القشرة والبشرة بسبب الانفصال ( 4D ) ، والذي كشف عن وجود ألياف ليفية قشرة سميكة (قطرها 250 نانومتر). تبرز بعض الألياف بشكل طفيف بسبب التشوه. ويعتقد أنها بمثابة شعر التسليح للخنازير البرية.


الصورة رقم 5: مورفولوجيا شعر الفيل ( أ - ج ) والزرافة ( د - واو ). أ - بشرة في خطوة كسر الشعر. ج - الفراغات داخل الشعر تشير إلى مكان تمزيق الألياف. د - لوحات بشرة ؛ ه - حتى كسر الشعر ؛ و - ألياف ممزقة من السطح في منطقة الكسر.

يمكن أن يصل سمك شعر العجل الفيل إلى حوالي 330 ميكرون ، ويمكن أن يصل طول الشخص البالغ إلى 1.5 ملم. يصعب التمييز بين الصفائح الموجودة على السطح ( 5A ) ، كما أن شعر الفيل عرضة للتلف الطبيعي ، أي لكسر نقية تحت التوتر. علاوة على ذلك ، فإن شكل السطح المكسور يدل على شكل تدريجي ( 5B ) ، ربما بسبب وجود عيوب طفيفة في قشرة الشعر. على سطح الصدع ، يمكنك أيضًا رؤية بعض الثقوب الصغيرة ، حيث قبل التلف ، على الأرجح ، توجد ألياف ليفية معززة ( 5C ).

كما أن شعر الزرافة كثيف للغاية (370 ميكرون) ، على الرغم من أن موقع ألواح بشرة غير واضح تمامًا ( 5D ). ويعتقد أن هذا يرجع إلى الأضرار الناجمة عن العوامل البيئية المختلفة (على سبيل المثال ، الاحتكاك ضد الأشجار أثناء التغذية). على الرغم من الاختلافات ، كان كسر شعر الزرافة مشابه لكسر الفيل ( 5F ).


الصورة رقم 6: مورفولوجيا شعر كابيبارا ( A هي البنية المزدوجة للألواح ؛ B هي المسيل للدموع للهيكل المزدوج ؛ C هي الألياف بالقرب من الخط المسيل للدموع الذي يبدو هشًا وصلبًا ؛ D هي الألياف الممدودة من منطقة المسيل للدموع للهيكل المزدوج).

كابيبارا الشعر والخبازين تختلف عن جميع الشعر الأخرى فحصها. في capybaras ، الفرق الرئيسي هو وجود تكوين بشرة مزدوجة وشكل شعر بيضاوي ( 6A ). يعد الأخدود الموجود بين الجزأين المتطابقين من الشعر ضروريًا لإزالة الماء بشكل أسرع من شعر الحيوان ، وكذلك من أجل تهوية أفضل ، مما يسمح له بالتجفيف بشكل أسرع. عند التعرض للتمدد ، يتم تقسيم الشعر إلى قسمين على طول الأخدود ، ويتم تدمير كل جزء من الأجزاء ( 6B ). يتم فك وامتداد العديد من ألياف القشرة ( 6C و 6D ).


الصورة رقم 7: مورفولوجيا الشعر البقري ( A - بنية بشرة وموقع التمزق ؛ ب - مورفولوجيا تدمير القشرة وتفاصيل هيكلها ؛ خلايا C مغلقة (20 ميكرون في القطر) ، والتي تتكون جدرانها من ألياف ؛ جدران خلايا D ).

في الخبازين (عائلة Tayassuidae ، أي البقري ) ، يكون للشعر قشرة مسامية ، وطبقة البشرة لا تحتوي على لوحات واضحة ( 7A ). يحتوي قشرة الشعر على خلايا مغلقة بقياس 10-30 ميكرون ( 7B ) ، وتتكون جدرانها من ألياف الكيراتين ( 7C ). هذه الجدران مسامية للغاية ، وحجم مسام واحد حوالي 0.5-3 ميكرون ( 7D ).

كما يتضح من الصورة 7 أ ، بدون دعم القشرة الليفية ، تتشقق بشرة على طول خط التمزق ، وتمتد الألياف في بعض الأماكن. هذه البنية الشعرية ضرورية من أجل أن يكون الشعر أكثر رأسية ، مما يزيد بصريًا من حجم الحيوان ، والتي يمكن أن تكون آلية وقائية للخبازين. شعر الخبازين يقاوم الضغط جيدًا ، لكن لا يمكنه التغلب على التمدد.

بعد تناول الخصائص الهيكلية لشعر الحيوانات المختلفة ، وكذلك أنواعها من الأضرار الناجمة عن التوتر ، بدأ العلماء في وصف الخواص الميكانيكية.


الصورة رقم 8: مخطط سلالة لكل نوع من الشعر والإعداد التجريبي للحصول على البيانات (معدل سلالة 10 ^-2 ثانية ^-1 ).

كما يتضح من الرسم البياني أعلاه ، كان رد الفعل على التمدد في شعر الأنواع الحيوانية المختلفة مختلفًا تمامًا. لذلك ، أظهر شعر شخص ، حصان ، خنزير بري ودببة تفاعلًا مشابهًا لرد فعل الصوف (ليس بشخص آخر ، ولكن بمواد نسيجية).

مع وجود معامل مرونة مرتفع نسبيًا يساوي 3.5-5 GPa ، تتكون المنحنيات من منطقة خطية (مرنة) ، يتبعها هضبة مع زيادة الضغط ببطء قبل التشوه من 0.20-0.25 ، وبعد ذلك يزيد معدل التصلب بشكل ملحوظ حتى تصل سلالة الكسر إلى 0.40. تشير منطقة الهضبة إلى فك التركيب الفلكي الحلزوني لخيوط القرتين الوسيطة ، والتي في بعض الحالات يمكن أن تتحول (جزئيًا) إلى صفائح ب (هياكل مسطحة). الفك التام يؤدي إلى تشوه 1.31 ، وهو أعلى بكثير مما كان عليه في نهاية هذه المرحلة (0.20 - 0.25).

يحيط الجزء الخيطي البلوري من الهيكل بمصفوفة غير متبلورة لا تتحول. الجزء غير المتبلور هو حوالي 55 ٪ من الحجم الكلي ، ولكن بشرط أن يبلغ قطر الشعيرات الوسيطة 7 نانومتر وأن يتم فصلها بمقدار 2 نانومتر من المواد غير المتبلورة. تم اشتقاق هذه المؤشرات الدقيقة في الدراسات السابقة.

في مرحلة التشوه ، التي تتميز بالصلابة ، تنزلق بين الألياف القشرية ، وكذلك بين العناصر الهيكلية الأصغر ، مثل الألياف المجهرية ، والخيوط الوسيطة والمصفوفة غير المتبلورة.

يظهر شعر الزرافة والفيل والخبازين تفاعلًا خطيًا نسبيًا دون تمييز واضح بين الهضاب ومناطق التصلب السريع (القمم). معامل المرونة منخفض نسبيا ويساوي حوالي 2 GPa.

على عكس الأنواع الأخرى ، يُظهر شعر الكابيبارا تفاعلًا يتميز بالصلابة السريعة ، حيث يتم تطبيق سلالات متعاقبة. ترتبط هذه الملاحظة بالهيكل غير العادي لشعر كابيبارا ، وبشكل أدق مع وجود جزأين متماثلين وأخدود طولي بينهما.

أجريت دراسات سابقة تقول إن معامل يونغ (معامل المرونة الطولية) يتناقص مع زيادة قطر الشعر في أنواع الحيوانات المختلفة. في هذه الأعمال ، لوحظ أن معامل يونغ في الخبازين هو أقل بكثير من الحيوانات الأخرى ، والتي قد تكون راجعة إلى مسامية بنية شعره.

ومن المثير للاهتمام أيضًا أن الخبازين لديهم بقع سوداء وبيضاء على شعرهم (لونان). تحدث استراحات التمزق في معظم الأحيان في المنطقة البيضاء من الشعر. يفسر زيادة الاستقرار في المنطقة السوداء بوجود الميلانوس ، الذي يوجد حصريًا في الشعر الأسود.

كل هذه الملاحظات فريدة حقًا ، ولكن يبقى السؤال الرئيسي هو: هل تلعب أبعاد الشعر دورًا في قوتها؟

إذا كنت تصف الشعر في الثدييات ، فيمكنك تسليط الضوء على الحقائق الرئيسية المعروفة للباحثين:

• معظم أنواع الشعر أكثر سمكا في الجزء المركزي وتفتق في النهاية ؛ معطف الحيوانات البرية هو أكثر سمكا بسبب بيئتها ؛
• , . , ;
• ( ).

, .


№9: .

- , , .

, V n , V ₀ . , σ P V , :

P ( V ) = P ( V ₀ ) · P ( V ₀ )… · P ( V ₀ ) = · P ( V ₀ ) ⁿ

V n V ₀ . P ( V ) .

, :

1 — P = 1 — exp [ - V / V ₀ · ( σ / σ ₀ ) ^m ]

σ — , σ ₀ — () , m — , . , V σ .

9 . №2 m, ( m = 0.11).

: — 235 , — 200 , — 300 , — 70 , — 345 — 370 .

, P ( V ) = 0.5, , .

9 50% ( P ( V ) = 0.5) .

, 100 350 200–250 125–150 . . , . , .

.

, . , , , . , , — , .

, . , , . , .

, , , .

, , . :)

:)

, . ? ? , , VPS $4.99 , entry-level , : VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps $19 ? ( RAID1 RAID10, 24 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 - Equinix Tier IV ? 2 Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 $199 ! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — $99! . c Dell R730xd 5-2650 v4 9000 ?