Wessen Haar ist stärker: Haarmorphologie

Haar ist für einen modernen Menschen nichts anderes als ein Element der visuellen Selbstidentifikation, Teil des Bildes und des Bildes. Trotzdem haben diese Hornhautformationen mehrere wichtige biologische Funktionen: Schutz, Wärmeregulierung, Berührung usw. Wie stark ist unser Haar? Wie sich herausstellte, sind sie um ein Vielfaches stärker als die Haare eines Elefanten oder einer Giraffe.

Heute treffen wir uns mit Ihnen in einer Studie, in der Wissenschaftler der University of California (USA) herausgefunden haben, wie die Dicke des Haares und seine Stärke bei verschiedenen Tierarten, einschließlich Menschen, zusammenhängen. Wessen Haar hat sich als das haltbarste herausgestellt, welche mechanischen Eigenschaften haben Haare verschiedener Arten und wie kann diese Studie bei der Entwicklung neuer Arten von Materialien helfen? Dies erfahren wir aus dem Bericht von Wissenschaftlern. Lass uns gehen.

Studienbasis

Haar, das hauptsächlich aus Keratinprotein besteht, ist die Hornhautbildung von Säugetieren. In der Tat sind Haare, Wolle und Fell synonym. Das Haar besteht in seiner Struktur aus Keratinplatten, die wie aufeinander fallende Dominoknöchel übereinander liegen. Jedes Haar hat drei Schichten: Nagelhaut - die äußere und Schutzschicht; Cortex - eine kortikale Substanz, die aus länglichen abgestorbenen Zellen besteht (wichtig für die Festigkeit und Elastizität des Haares, bestimmt seine Farbe aufgrund von Melanin) und Medulla - die zentrale Schicht des Haares, bestehend aus weichen Keratinzellen und Lufthöhlen, die an der Übertragung von Nährstoffen auf andere beteiligt ist Schichten.



Wenn das Haar vertikal geteilt ist, erhalten wir den Hautbereich (Schaft) und den Unterhautbereich (Zwiebel oder Wurzel). Die Zwiebel ist von einem Follikel umgeben, von dessen Form die Form des Haares selbst abhängt: ein runder Follikel - eine gerade Linie, ein ovaler Follikel - leicht gelockt, ein nierenförmiger Follikel - gelockt.

Viele Wissenschaftler vermuten, dass sich die menschliche Evolution aufgrund des technologischen Fortschritts verändert. Das heißt, einige Organe und Strukturen in unserem Körper werden allmählich rudimentär - diejenigen, die ihren beabsichtigten Zweck verloren haben. Zu diesen Körperteilen gehören Weisheitszähne, Blinddarm und Haaransatz am Körper. Mit anderen Worten, Wissenschaftler glauben, dass diese Strukturen mit der Zeit einfach aus unserer Anatomie verschwinden werden. Ob es wahr ist oder nicht, ist schwer zu sagen, aber für viele normale Menschen sind Weisheitszähne zum Beispiel mit dem Besuch eines Zahnarztes verbunden, um eine unvermeidliche Extraktion durchzuführen.

Wie dem auch sei, ein Mensch braucht Haare, vielleicht spielen sie keine entscheidende Rolle mehr bei der Wärmeregulierung, aber in Bezug auf die Ästhetik sind sie immer noch ein wesentlicher Bestandteil. Gleiches gilt für die Weltkultur. In vielen Ländern galt Haar von jeher als die Quelle aller Stärke, und ihre Beschneidung war mit möglichen Gesundheitsproblemen und sogar mit Lebensversagen verbunden. Die heilige Bedeutung von Haaren wanderte von schamanistischen Ritualen alter Stämme zu moderneren Religionen, zu Werken von Schriftstellern, Künstlern und Bildhauern. Insbesondere die weibliche Schönheit war oft eng mit dem Aussehen oder der Darstellung der Haare liebenswerter Damen verbunden (z. B. auf Gemälden).


Beachten Sie, wie detailliert das Haar der Venus ist (Sandro Botticelli, Die Geburt der Venus, 1485).

Lassen wir den kulturellen und ästhetischen Aspekt des Haares außer Acht und betrachten wir das Studium der Wissenschaftler.

Haare sind in der einen oder anderen Form in vielen Säugetierarten vorhanden. Wenn sie für den Menschen aus biologischer Sicht nicht mehr so ​​wichtig sind, sind Wolle und Fell für andere Vertreter der Tierwelt lebenswichtige Attribute. Darüber hinaus sind sich Menschenhaar und beispielsweise Elefantenhaar in ihrer Grundstruktur sehr ähnlich, obwohl es Unterschiede gibt. Das offensichtlichste von ihnen sind die Dimensionen, denn die Haare eines Elefanten sind viel dicker als unsere, aber, wie sich herausstellte, nicht stärker.

Wissenschaftler studieren seit geraumer Zeit Haare und Wolle. Die Ergebnisse dieser Arbeiten wurden sowohl in der Kosmetik und Medizin als auch in der Leichtindustrie (oder sozusagen der bekannten Kalugina L.P .: „Leichtindustrie“) bzw. in der Textilindustrie umgesetzt. Darüber hinaus trug die Untersuchung der Haare wesentlich zur Entwicklung von auf Keratin basierenden Biomaterialien bei, die zu Beginn des letzten Jahrhunderts lernten, mit Kalk aus den Hörnern von Tieren zu isolieren.

Das so erhaltene Keratin wurde zur Herstellung von Gelen verwendet, die durch Zugabe von Formaldehyd verstärkt werden konnten. Später lernten sie, Keratin nicht nur aus den Hörnern von Tieren zu isolieren, sondern auch aus ihren Haaren sowie aus menschlichen Haaren. Auf der Basis von Keratin hergestellte Substanzen haben ihre Anwendung in Kosmetika, Verbundstoffen und sogar in der Beschichtung für Tabletten gefunden.

Heute entwickelt sich die Industrie für die Untersuchung und Herstellung von festen und leichten Materialien rasant. Haar ist von Natur aus eines der natürlichen Materialien, die solche Studien inspirieren. Was ist die Zugfestigkeit von Wolle und menschlichem Haar, die von 200 bis 260 MPa reicht, was einer spezifischen Festigkeit von 150-200 MPa / mg m ^{-3 entspricht} . Und das ist fast vergleichbar mit Stahl (250 MPa / mg m ^-3 ).

Die Hauptrolle bei der Bildung der mechanischen Eigenschaften des Haares spielt seine hierarchische Struktur, die einer Nistpuppe ähnelt. Das wichtigste Element dieser Struktur ist der innere Kortex von Kortikaliszellen (Durchmesser ca. 5 µm und Länge 100 µm), bestehend aus gruppierten Makrofibrillen (Durchmesser ca. 0,2-0,4 µm), die wiederum aus Zwischenfilamenten (7,5 nm Durchmesser) bestehen ) eingebettet in die amorphe Matrix.

Die mechanischen Eigenschaften der Haare, ihre Empfindlichkeit gegenüber Temperatur, Feuchtigkeit und Verformung sind eine direkte Folge des Zusammenwirkens der amorphen und kristallinen Bestandteile der Kortikalis. Menschenhaarkortexkeratinfasern haben üblicherweise größere Zugeigenschaften bei einer Zugspannung von mehr als 40%.

Ein derart hoher Wert ist auf das Abwickeln der Struktur von α- Keratin und in einigen Fällen auf dessen Umwandlung in β- Keratin zurückzuführen, was zu einer Längenzunahme führt (eine vollständige Helixumdrehung von 0,52 nm erstreckt sich in Konfiguration b auf 1,2 nm). Dies ist einer der Hauptgründe, warum sich viele Studien auf Keratin konzentrierten, um es in synthetischer Form nachzubilden. Die äußere Haarschicht (Nagelhaut) besteht jedoch, wie wir bereits wissen, aus Platten (0,3–0,5 μm dick und 40–60 μm lang).

Zuvor haben Wissenschaftler bereits die mechanischen Eigenschaften der Haare von Menschen unterschiedlichen Alters und ethnischer Gruppen untersucht. In dieser Arbeit wurde der Schwerpunkt auf die Untersuchung der unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften der Haare verschiedener Tierarten gelegt: Mensch, Pferd, Bär, Wildschwein, Capybara, Bäcker, Giraffe und Elefant.

Forschungsergebnisse

Bild Nr. 1: Morphologie eines menschlichen Haares ( A - Kutikula; B - Kortexfraktur; zeigt die Enden der Fasern; C - Bruchfläche, auf der drei Schichten sichtbar sind; D - laterale Kortexfläche, zeigt die Faserdehnung).

Das Haar eines Erwachsenen hat einen Durchmesser von ca. 80-100 Mikron. Bei normaler Haarpflege wirkt sie ganzheitlich ( 1A ). Der innere Bestandteil des menschlichen Haares ist die faserige Kortikalis. Nach einem Zugversuch wurde festgestellt, dass die Kutikula und die Kortikalis von menschlichem Haar unterschiedlich brachen: Die Kutikula brachen normalerweise abrasiv (bröckelten) und die Keratinfasern in der Kortikalis wurden von der allgemeinen Struktur abgezogen und gedehnt ( 1B ).

In Bild 1C ist die zerbrechliche Oberfläche der Nagelhaut deutlich sichtbar, wenn die Schichten sichtbar gemacht werden, die sich mit Nagelhautplatten überlappen und eine Dicke von 350 bis 400 nm haben. Die beobachtete Delamination auf der Bruchfläche sowie die Sprödigkeit dieser Oberfläche zeigen eine schwache Grenzflächenverbindung zwischen der Kutikula und der Kortikalis sowie zwischen den Fasern innerhalb der Kortikalis.

Die Keratinfasern im Cortex wurden delaminiert ( 1D ). Dies deutet darauf hin, dass der fibröse Kortex in erster Linie für die mechanische Festigkeit des Haares verantwortlich ist.


Bild Nr. 2: Morphologie des Pferdehaares ( A - Nagelhaut, von der einige Platten aufgrund mangelnder Pflege leicht abweichen; B - Spaltbild; C - Details des Risses der Kortikalis, wo die zerrissene Nagelhaut sichtbar ist; D - Details der Nagelhaut).

Die Struktur des Pferdehaares ist ähnlich wie beim Menschen, mit Ausnahme des um 50% größeren Durchmessers (150 Mikrometer). In Abbildung 2A sehen Sie offensichtliche Nagelhautschäden, bei denen viele Platten nicht so eng mit dem Schaft verbunden sind wie auf menschlichem Haar. Das Zerreißen von Pferdehaar beinhaltet sowohl ein regelmäßiges Zerreißen als auch ein Zerreißen von Haaren (Delamination von Nagelhautplatten). Auf 2B sind beide Schadensoptionen sichtbar. In Bereichen, in denen die Platten vollständig abgerissen sind, ist die Grenzfläche zwischen Nagelhaut und Kortex ( 2C ) sichtbar. Im Grenzflächenbereich wurden mehrere Fasern herausgerissen und delaminiert. Vergleicht man die Beobachtungsdaten mit den vorhergehenden (menschliches Haar), so zeigt eine solche Zerstörung, dass das Pferdehaar nicht die gleiche intensive Spannung aufwies wie menschliches Haar, wenn die Fasern in der Hirnrinde verlängert und vollständig von der Nagelhaut gelöst waren. Es ist auch zu sehen, dass sich einige der Platten von der Stange gelöst haben, was auf eine Zugspannung ( 2D ) zurückzuführen sein kann.


Bild 3: Morphologie eines Bärenhaares ( A - Kutikula; B - Schädigung an zwei mit dem Bruchbereich verbundenen Stellen; C - Rissbildung der Kutikula mit Delamination der Fasern in der Kortikalis; D - Einzelheiten der Struktur der Fasern; mehrere längliche Fasern aus der allgemeinen Struktur sind sichtbar).

Die Dicke der Bärenhaare beträgt 80 µm. Die Nagelhautplatten sind extrem fest miteinander verbunden ( 3A ), und in einigen Bereichen ist es sogar schwierig, einzelne Platten zu unterscheiden. Dies kann auf die Reibung der Haare der Nachbarn zurückzuführen sein. Unter Zugbeanspruchung spaltete sich dieses Haar buchstäblich mit dem Auftreten langer Risse (Einlage auf 3B ), was darauf hinweist, dass sich die Keratinfasern in der Kortikalis aufgrund der schwachen Bindungswirkung der beschädigten Kutikula leicht delaminieren. Die Schichtung der Kortikalis führt zu einer Lücke in der Kutikula, was durch ein Zick-Zack-Bruchmuster ( 3C ) belegt wird. Diese Beanspruchung führt zum Abziehen einiger Fasern aus der Kortikalis ( 3D ).


Bild Nr. 4: Wildschweinhaarmorphologie ( A - gewöhnliche flache Haarfraktur; B - Nagelhautstruktur zeigt eine schlechte Integrität (Gruppierung) von Platten; C - Details der Lücke an der Grenzfläche zwischen Nagelhaut und Kortex; D - Fasern gedehnt und Fibrillen aus der Gesamtmasse hervorstehend) .

Wildschweinhaar ist ziemlich dick (230 Mikron), besonders im Vergleich zu Bärenhaar. Ein Bruch des Eberhaares während einer Schädigung sieht recht deutlich ( 4A ) senkrecht zur Spannungsrichtung unter Spannung aus.

Relativ kleine freiliegende Nagelhautplatten wurden aufgrund der Dehnung ihrer Ränder vom Hauptkörper des Haares abgerissen ( 4B ).

Die Trennung der Fasern ist an der Oberfläche der Bruchzone deutlich zu erkennen, und es ist auch zu sehen, dass sie innerhalb der Kortikalis sehr eng miteinander verbunden waren ( 4C ). Nur die Fasern an der Grenzfläche zwischen Kortikalis und Kutikula wurden aufgrund der Trennung ( 4D ) freigelegt, was das Vorhandensein von dicken Kortikalisfibrillen (250 nm Durchmesser) ergab. Einige der Fibrillen ragten aufgrund von Verformung leicht hervor. Es wird angenommen, dass sie als Haarverstärkung für Wildschweine dienen.


Bild Nr. 5: Morphologie von Elefantenhaar ( A - C ) und Giraffe ( D - F ). A - Nagelhaut; In - step Haarausfall; C - Hohlräume im Haar zeigen an, wo die Fasern gerissen waren. D - Nagelhautplatten; E - gleichmäßige Haarausfall; F - Fasern, die im Bereich der Bruchstelle von der Oberfläche abgerissen wurden.

Das Haar eines Elefantenkalb kann etwa 330 Mikrometer dick sein, und bei Erwachsenen kann es 1,5 mm erreichen. Die Platten auf der Oberfläche sind schwer zu unterscheiden ( 5A ). Elefantenhaar ist auch anfällig für normale Zerstörung, d.h. zu einem reinen Bruch unter Spannung. Darüber hinaus zeigt die Morphologie der Bruchfläche eine stufenweise Form ( 5B ), möglicherweise aufgrund des Vorhandenseins geringfügiger Defekte in der Haarkortikalis. Auf der Oberfläche des Fehlers können Sie auch einige kleine Löcher erkennen, in denen sich vor dem Schaden wahrscheinlich Verstärkungsfibrillen ( 5C ) befanden.

Das Haar der Giraffe ist ebenfalls ziemlich dick (370 Mikrometer), obwohl die Position der Nagelhautplatten nicht so klar ist ( 5D ). Es wird angenommen, dass dies auf ihre Schädigung durch verschiedene Umwelteinflüsse zurückzuführen ist (z. B. Reibung gegen Bäume während des Fressens). Trotz der Unterschiede ähnelte der Haarbruch der Giraffe dem eines Elefanten ( 5F ).


Bild 6: Morphologie des Capybara-Haares ( A ist die doppelkutikuläre Struktur der Platten; B ist der Riss der Doppelstruktur; C ist die Faser in der Nähe der Risslinie, die spröde und steif erscheint; D ist die längliche Faser aus der Risszone der Doppelstruktur).

Capybaras und Bäcker unterscheiden sich von allen anderen untersuchten Haaren. Bei Capybaras ist der Hauptunterschied das Vorhandensein einer doppelten Nagelhautkonfiguration und einer ovalen Haarform ( 6A ). Die Furche zwischen den beiden gespiegelten Teilen des Haares ist notwendig, um das Wasser schneller aus dem Tierhaar zu entfernen und eine bessere Belüftung zu gewährleisten, damit es schneller trocknen kann. Wenn das Haar einer Dehnung ausgesetzt wird, wird es entlang der Rille in zwei Teile geteilt, und jeder der Teile wird zerstört ( 6B ). Viele Kortexfasern werden delaminiert und gedehnt ( 6C und 6D ).


Bild Nr. 7: Pekarishaarmorphologie ( A - Kutikelstruktur und Bruchstelle; B - Morphologie der Kortexzerstörung und Einzelheiten ihrer Struktur; C - geschlossene Zellen (20 μm Durchmesser), deren Wände aus Fasern bestehen; D - Zellwände).

Bei Bäckern (der Tayassuidae- Familie, d. H. Peccary) hat das Haar eine poröse Kortikalis, und die Nagelhautschicht hat keine klaren Platten ( 7A ). Die Haarkortikalis enthält geschlossene Zellen mit einer Größe von 10-30 Mikron ( 7B ), deren Wände aus Keratinfasern bestehen ( 7C ). Diese Wände sind ziemlich porös und die Größe einer Pore beträgt etwa 0,5 bis 3 µm ( 7D ).

Wie in Bild 7A zu sehen ist, reißt die Kutikula ohne die Unterstützung der fibrösen Kortikalis entlang der Bruchlinie, und die Fasern werden an einigen Stellen gedehnt. Eine solche Haarstruktur ist notwendig, damit das Haar vertikaler ist und die Größe des Tieres visuell vergrößert wird, was ein Schutzmechanismus für Bäcker sein kann. Die Haare der Bäcker halten der Kompression ziemlich gut stand, können aber nicht mit Dehnung fertig werden.

Nachdem sich die Wissenschaftler mit den strukturellen Merkmalen der Haare verschiedener Tiere sowie der Art ihrer Schäden aufgrund von Verspannungen befasst hatten, begannen sie, die mechanischen Eigenschaften zu beschreiben.


Bild Nr. 8: Dehnungsdiagramm für jeden Haartyp und Versuchsaufbau zur Datenerfassung (Dehnungsrate 10 ^-2 s ^-1 ).

Wie aus der obigen Grafik ersichtlich ist, war die Reaktion auf das Strecken in den Haaren verschiedener Tierarten sehr unterschiedlich. Das Haar einer Person, eines Pferdes, eines Wildschweins und eines Bären reagierte also ähnlich wie Wolle (nicht das eines anderen, sondern Textilmaterial).

Bei einem relativ hohen Elastizitätsmodul von 3,5–5 GPa bestehen die Kurven aus einem linearen (elastischen) Bereich, gefolgt von einem Plateau mit einer langsam ansteigenden Spannung vor der Verformung von 0,20–0,25. Danach steigt die Härtungsrate signifikant an, bis die Bruchdehnung 0,40 beträgt. Der Plateaubereich bezieht sich auf das Abwickeln der α- helikalen Struktur von Keratin-Zwischenfilamenten, die sich in einigen Fällen (teilweise) in b- Blätter (flache Strukturen) verwandeln können. Vollständiges Abwickeln führt zu einer Verformung von 1,31, die viel höher ist als am Ende dieser Phase (0,20–0,25).

Der kristalline fadenförmige Teil der Struktur ist von einer amorphen Matrix umgeben, die sich nicht umwandelt. Der amorphe Teil macht etwa 55% des Gesamtvolumens aus, jedoch nur unter der Bedingung, dass der Durchmesser der Zwischenfilamente 7 nm beträgt und sie durch 2 nm amorphes Material getrennt sind. Solche genauen Indikatoren wurden in früheren Studien abgeleitet.

Im Stadium der Verformung, gekennzeichnet durch Aushärtung, gleiten zwischen kortikalen Fasern sowie zwischen kleineren Strukturelementen wie Mikrofibrillen, Zwischenfilamenten und einer amorphen Matrix.

Das Haar einer Giraffe, eines Elefanten und eines Bäckers zeigt eine relativ lineare Härtungsreaktion ohne klare Unterscheidung zwischen Hochebenen und Bereichen mit schneller Härtung (Spitzen). Der Elastizitätsmodul ist relativ niedrig und beträgt etwa 2 GPa.

Im Gegensatz zu anderen Arten zeigen Capybara-Haare eine Reaktion, die durch schnelles Aushärten gekennzeichnet ist und bei der aufeinanderfolgende Stämme angewendet werden. Diese Beobachtung ist mit der ungewöhnlichen Struktur von Capybara-Haaren verbunden, genauer gesagt mit dem Vorhandensein von zwei symmetrischen Teilen und einer Längsrille zwischen ihnen.

Frühere Studien haben ergeben, dass der Elastizitätsmodul (Elastizitätsmodul in Längsrichtung) bei verschiedenen Tierarten mit zunehmendem Haardurchmesser abnimmt. In diesen Arbeiten wurde festgestellt, dass der Elastizitätsmodul bei Bäckern viel niedriger ist als bei anderen Tieren, was auf die Porosität der Struktur seiner Haare zurückzuführen sein kann.

Interessant ist auch, dass Bäcker sowohl schwarze als auch weiße Flecken auf ihren Haaren haben (zweifarbig). Reißbrüche treten am häufigsten im weißen Bereich des Haares auf. Die erhöhte Stabilität der schwarzen Region erklärt sich durch das Vorhandensein von Melanos, die ausschließlich in schwarzen Haaren zu finden sind.

Alle diese Beobachtungen sind wirklich einzigartig, aber die Hauptfrage bleibt: Spielen die Abmessungen des Haares eine Rolle für seine Stärke?

Wenn Sie die Haare bei Säugetieren beschreiben, können Sie die wichtigsten Fakten hervorheben, die Forschern bekannt sind:

• Die meisten Haartypen sind im Mittelteil dicker und verjüngen sich zum Ende hin. Das Fell der Wildtiere ist aufgrund ihres Lebensraums dicker.
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№9: .

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, 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 ) .

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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 . . , . , .

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