БИОФИЗИКА ВОЛОСЯНОГО

ПОКРОВАЮ.Ф. Ивлев

ИПЭЭ РАН

Диапазон изменчивости волосяного покрова

Густота волос (см–2) – 10 ÷ 105

Длина волос (см) – 0.5 ÷ 50

Диаметр волос (мкм) – 5 ÷ 103

Густота волос (см–2) – 10 ÷ 105

Длина волос (см) – 0.5 ÷ 50

Диаметр волос (мкм) – 5 ÷ 103

ТЕПЛОЗАЩИТА

ТЕПЛОЗАЩИТНОЕ ПОКРЫТИЕ

Хорошая теплоизоляция

Структурная устойчивость

Коэффициент теплопроводности(удельная теплопроводность)

λ =QS

(–1

)T1 – T

2

L

Q

SL

T1

T2

Количество теплоты, которое проходит за единицу времени через материал с единичной площадью сечения и при единичном температурном градиенте Q – поток теплаS – площадь сеченияT – температураL – толщина образца

Теплопроводность волосяного покрова и густота волос

0.025

0.050

0.075

0.100

0.125

0.150

0.175

01000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Густота волос (см-2)

λ (Вт·м–1·С°–1)

теплопроводность воздуха

Возможные механизмы передачи тепла внутри волосяного покрова

ИЗЛУЧЕНИЕ

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ(через воздух и кератин)

КОНВЕКЦИЯ

ИСПАРЕНИЕ

Основные механизмы передачи тепла внутри волосяного покрова

ИЗЛУЧЕНИЕ

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ(через воздух и кератин)

Структура волосяного покрова и теплопроводность

Теплопроводность кератина в 10 раз выше теплопроводности воздуха

Чем меньше объемная доля кератина внутри волосяного покрова, тем меньше теплопередача внутри него и тем лучше теплозащитные свойства

объемная доля кератина пропорциональна произведению густоты волос (N) на квадрат их диаметра (d): Nd2

Волосы экранируют излучениеТепловое излучение

S

Площадь “экранов” над поверхностью кожи площадью S ропорциональна числу волос над этой поверхностью N

S,

их длине Δl и толщине d:

NSdΔl

Δl

d

NS = 6

N

d

l

УвеличениеNd2

УМЕНЬШЕНИЕ УВЕЛИЧЕНИЕ

УвеличениеNdl

УменьшениеNdl

УменьшениеNd2

Рост теплопотерь

Снижение теплопотерь

Оптимизация теплозащитных свойств волосяного покрова

Оптимизация соотношения теплопередачи теплопроводностью и излучением

Nd2 – constNdl – const

102

0.001 0.01 0.1

103103

104

105

0.1 1 10

100

101

102

N (

см –

2 )

d (см) l (см)N

d (

см –

1 )N = 0,039d –2

r2 = 0,68

Nd = 14l –1

r2 = 0,50

Nd2 – const Ndl – const

N ~ l –2

d ~ l

Соотношение основных структурных показателей волосяного покрова

Объем волос в летнем и зимнем покрове

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0

1,2

Горностай Полевка-экономка

Рыжая полевка Обыкновеннаябурозубка

Лето

Зима

Во время сезонной линьки количестство биоматериала

и энергии для генерации покрова ограничено

Nd2l – const

Nd2l – const

Увеличение длины волос (l)

Уменьшение объемной доли волос (Nd2)Снижение теплопроводности

Усиление теплопотерь излучением

Компенсаторные взаимосвязанныеизменения густоты волос и их толщины

Оптическая плотность волосяного покрова (Ndl) при разных значениях

густоты (N) и толщины (d) волос

Nd2l – constNd2 = 0,05l = 1 см

Прерывистой линией показана взаимная связь между толщиной и густотой волос. Сплошной линией показано изменение оптической плотности.

d1

δ

l ~

l

Восстановление волоса после деформации

δ

l

δ – смещение волосаl – длина волосаE – модуль упругости волосаJ – осевой момент инерции поперечного сечения волосаk – число контактов волоса с другими волосамиF

k – сила адгезии единичного контакта

δ = akF

kl3

EJ; J ~ d4; k ~ Ndl

δ ~Nl4

d3

Динамическая устойчивость:N( )

3

силы упругостисилы адгезии

d

l

Динамическая устойчивость волосяного покрова (l/δ)

d1δl ~ lN( )

3

N ~ l–2 ; l ~ d

– const

lδ

~1N ~ l2

Иглоподобные образования возникают на тех участках тела, автогруминг которых затруднен

Иглы могут эффективно экранировать тепловое излучение

Ячеистая структура медулярной части игл американского дикобраза может увеличить экранирующую поверхность в 10-100 раз

1 мм 0,1 мм

Erethizon dorsatum

Перспективные исследовательские задачи

Связь структуры волосяного покрова с «комфортным» поведением

Возникновение и эволюция защитных образований волосяного покрова

Функциональный смысл топографической изменчивости волосяного покрова

Морфо-функциональные особенности волосяного покрова летающих животных

Функциональные аспекты происхождение волосяного покрова

Редукция волосяного покрова Разработка методов количественного описания структуры

волосяного покрова