发型设计是我们日常生活的一部分，但你真的在显微镜下看过你的头发吗?
在这篇文章中，我将介绍头发的功能，结构，最后是微观视图。
在扫描电子显微镜(SEM)和复合显微镜下的头发。
你可以看到表面的鳞片(称为角质层)。人类头发的宽度约为70微米。
图片来源:开云体育全站app下载安装科学的形象
本文涵盖了
头发的生物学
头发的功能
毛发是哺乳动物的特征。它不同于鱼的鳞片和鸟的羽毛。皮毛是一种厚厚的毛发，覆盖在许多哺乳动物的皮肤上。它由一个较长的组合组成保护头发在上面和短一点羊毛的头发(亦称下层绒毛或向下的头发)下面。护发防止水分到达皮肤;下面的皮毛就像一块绝缘毯，让动物保持温暖。
伴热保温
头发的主要用途是提供伴热保温．生活在寒冷气候中的动物通常覆盖着一层较厚的毛发(也被称为外套或羊毛)。例如，麝牛有30厘米(12英寸)长的浓密的保护毛。一些沙漠哺乳动物，如骆驼，用浓密的皮毛来防止太阳热量到达皮肤，使动物保持凉爽。由于服装的发展，人类几乎不需要额外的御寒保护，是毛发最少的哺乳动物之一。
(图中)阿拉斯加麝牛有一层非常浓密的皮毛。
图片来源:土地管理局
防水
皮毛也有作为防水层．水生哺乳动物，如海狸和水獭，将空气困在皮毛中，通过保持皮肤干燥来保存热量。
保护
头发也提供保护为了动物。豪猪和刺猬的刺是中空的毛，用角蛋白使其变硬。根据动物的栖息地，毛皮的颜色和图案可以用来伪装。毛细胞的底部被神经包围，使头发也是一个感觉器官。鬃毛是通常用于视觉信号的长毛发，如狮子的鬃毛。
头发的基本结构
毛发可以被描述为从哺乳动物皮肤的毛囊中生长出来的长长的线状物质。头发主要由一种蛋白质组成角蛋白．详细来说，头发的基本结构可以分为三个解剖区域:角质层，皮质,髓质．
毛发结构:角质层、皮层和髓质。
图片来源:Bigen
角质层
角质层是毛发的外层，起着保护鳞片的作用。角质层由重叠的透明角蛋白细胞组成。这些细胞已经死亡并角化，但保留了它们的角蛋白纤维，这些纤维可以抵抗化学物质，并保护皮层不受化学物质的影响。
角质层的状况决定了你头发的光滑和光泽——因为它是看得见摸得着的。化学过程、过度暴露在阳光下(紫外线)、烘干机产生的过多热量、滥用刷牙和梳头、过度氯化的游泳池水等都可能损伤角质层。
护发素的处理只会增加化学层，让头发看起来光滑有光泽。由于缺乏活细胞，受损的角质层一旦受损就不能自行修复。
【图中】毛发表面的角质层决定了毛发的状况。
图片来源:Bigen
皮质
皮质是头发的主体，是水分和天然色素(称为黑色素)储存的地方。头发的其他部分没有色素。皮层中黑色素的含量决定了你头发的自然颜色。一些染发产品，尤其是在提亮头发时，会对黑色素起作用。白发中缺少黑色素。
皮层由细长纺锤状细胞组成。皮质可能包含称为皮质fusi的空气空间、色素颗粒和称为卵形体的大椭圆形结构。
髓质
髓质是头发的核心，可能存在也可能不存在。它可能是充满空气的，如果是这样，在显微镜的透射光下将显示为黑色或不透明的结构。如果髓质存在，其结构可能是连续的或破碎的。科学上还不清楚为什么会发生这种情况。
头发微观结构的示意图。请注意，角质层鳞片总是从头发的近端或根端指向头发的远端或尖端。
[在这张图中]头发微观结构的示意图。
请注意，角质层鳞片总是从头发的近端或根端指向头发的远端或尖端。
头发是如何生长的?
我们的头发是从毛囊长出来的。毛囊位于皮肤的真皮层，由20种不同的细胞类型组成，每种细胞都有不同的功能。
[图中]毛囊的结构。
图片来源:维基
我们可以根据头发的位置把它分成两部分。毛囊内残留在皮肤下的部分被称为毛囊发根．发根的基部被称为毛囊。毛球被血管包围，并为新毛细胞的形成接受营养物质。
当新的毛细胞在毛球处形成时，原有的毛发会上升到皮肤表面以上，成为皮肤的一部分毛干．与此同时，这些细胞也经历了一个称为角化的成熟过程，在这个过程中，它们失去了细胞核(死细胞)，并充满了一种称为角蛋白的纤维蛋白。因此，头发可以简单地描述为一股角化蛋白。
毛发法医学开云体育全站app下载安装
毛发学是研究毛发的科学。我们对三原学的了解不仅有利于药物和化妆品，而且对法医科学家来说，三原学也是一种很有价值的工具，可以找出犯罪现场背后的真相。
对头发进行显微镜检查是法医调查的重要组成部分。就像指纹一样，每个人的头发类型都是独一无二的。我们的头发有软的、中等的、硬的、厚的、粗的、直的、卷的、受损的、有颜色的——还有以上几种类型的多种组合。头发生长时还会从周围环境中吸收化学物质(如金属)。所有这些特性都可以在法医学中用于识别个体。开云体育全站app下载安装
另一个使头发成为有价值的法医调查工具的原因是它的持久性。头发比大多数其他身体组织和液体更不易腐烂，因此保持完好的时间比其他证据长得多。这种持久性使头发成为犯罪现场最常见的证据之一。
法医科学家进行三种主要类型的头发分析
显微镜下的形态
法医观察头发在显微镜下根据…收集证据形态．他们通常研究头发的鳞片图案、颜色和髓质的外观。有经验的法医学家可以很容易地分辨出毛发样本是人类的还是动物的。通过比较不同的头发样本，他们还可以确定它是否来自特定的人。
毛干的化学成分
法医科学家可以测试毛干为其化学成分．例如，对头发的化学分析可以判断出这个人是否使用过药物或经历过营养不良。所有这些证据都可以为头发主人的身体状况提供有价值的信息。
头发根部细胞的DNA
法证科学家可获得来自细胞的DNA在头发的根部。这些DNA样本可以提供关于谁拥有头发的确凿证据。
[图中]美国联邦调查局用于毛发证据微观分析的实用指南和手册。你可以下载并在网站．
要了解更多关于FBI法医科学家如何处理毛发证据的细节，请点击这个链接:https://archives.fbi.gov/archives/about-us/lab/forensic-开云体育全站app下载安装science-communications/fsc/july2000/deedric1.htm
比较显微镜
比较显微镜可以并排观察两个物体(例如毛发或纤维)，是法医科学的强大工具。开云体育全站app下载安装
比较显微镜由一对匹配的复合显微镜和常规标本台组成。这些阶段由透镜、棱镜和镜子组成的系统连接在一起，这就是所谓的光学桥。这座桥允许研究人员在一个视野内同时观察和比较两个物理上分离但光学上连接的物体。这个视野被光学发际线分割了。
[在图中]比较显微镜。来源:Ken-a-vision Microscopes。(B)两个头发标本并排比较的例子，以判断它们是否来自同一个人。来源:kfrazierforensics．(C)用于枪支调查的分割图像。来源:Ludesco显微镜。
毛发的显微观察
立体显微镜下的头发
在使用复合显微镜之前，用立体显微镜对头发进行初步检查是很好的。在立体显微镜下，你可以很容易地观察到头发的基本特征，如颜色、形状、纹理和长度。
下面是一张图片来提醒你复合显微镜和立体显微镜之间的区别。我们还写了一篇关于"如何选择复合显微镜与立体显微镜．”
复合显微镜和立体显微镜的区别。
你可能需要的材料:
- 不同的毛发标本-尝试收集不同类型的毛发，如人体的毛发(不同的身体区域)，不同人的毛发，动物的毛发，如狗和猫等。
- 立体显微镜(数码USB显微镜也可以)
- 镊子
你可以寻找什么?
用镊子轻轻挑出头发，放在低倍立体显微镜下。观察不同类型的头发是否有区别。
在立体显微镜下，你应该能看到形状头发(直的或扭的，等等)以及颜色一缕头发。在更高的放大倍数下，你还可以看到纹理外观在头发表面。在观察不同类型的头发时，你还可以通过某些特征来区分它们，例如，不同发丝之间的厚度。
[上图]5倍放大的立体显微镜下的人类头发。
图片来源:显微镜下的世界
复合显微镜下的头发
复合显微镜比立体显微镜具有更高的分辨毛发细部结构的能力。然而，光必须穿过毛发标本才能产生清晰的显微图像。有两种主要的方法可以用来观察头发的不同结构。
方法一:用透明指甲油制作鳞片铸件，观察头发的“微观形貌”
规模铸造在生物学、植物学、古生物学甚至法医学中都是非常有用的技术。开云体育全站app下载安装基本上，比例铸造使用一种成型材料(如胶水)来复制你想要研究的表面。一个好的比例铸造可以保留非常微小的表面纹理的细节(称为“微貌)，这样你就可以在显微镜下研究它。
将鳞片铸造技术应用于毛发标本，可以很好地保存毛发的表面纹理。因为角质层的特征(如鳞片的大小、形状和排列)是毛发的关键特征，毛发的鳞片铸造对于生物学家或法医调查人员识别毛发的来源(人类或动物)非常有用。
[图中]一个按比例铸造的头发的例子。
你可以看到头发表面的一层鳞状结构。
你可能需要的材料:
- 指甲油(透明的，无颜色的优先)
- 显微镜载玻片
- 镊子或钳子
- 不同的头发标本
- 一种复合显微镜
按照以下步骤制作你的鳞片铸造幻灯片:
1.将头发剪成1-2厘米长，并随时准备。
2.在空白的显微镜载玻片上刷指甲大小的区域。
请注意:乳胶(用于成型)可以用来代替指甲油
3.在指甲油干透之前，迅速将头发放在涂指甲油的地方。
4.不受干扰地放置10到15分钟，让指甲油晾干。
5.一旦指甲油几乎干了，用镊子把你的头发纤维从滑梯里拉出来。有时，在拔头发的过程中，头发可能会断成碎片。没关系。尽量多拔头发。没有必要去除每一根头发。
请注意:指甲油/乳胶是用来附着和保留鳞片铸件的，一旦头发被扯掉，鳞片铸件仍留在载玻片上。
6.反映毛发纹理的清晰复制品将留在显微镜载玻片上。您的幻灯片现在可以观看了!
注意:虽然指甲油是透明的，但保留了毛发表面鳞片的质感。在显微镜下，你可以通过阴影的对比分辨出代表头发纹理的起伏。较低的光强度可以给你更高的对比度和更好的图像。
你可以寻找什么?
鳞片铸造技术是理想的查看头发外层包含尺度(不是针对头发的内部结构)。一旦头发被扯掉，鳞片的形状(或称为“微地形”)仍然附着在载玻片上，可以使用低功率的物镜观看。
用显微镜的低倍物镜检查载玻片。寻找单个音阶的印象。比较不同类型的毛发，并区分鳞片的特征。
生物学家研究从动物身上收集的毛发模型，以确定尺度模式。毛发鳞片的排列和形状因物种而异，而且往往非常独特。科学家通常将天平分为两大类:
- 冠状-完全包围整个宽度的毛干
- 叠瓦-短，宽，不环绕毛干
[上图]哺乳动物毛发不同角质层鳞片的例子。
图片来源:MicrolabNW显微摄影
试着收集尽可能多的不同类型的毛发标本(从人类和动物)。制作精良的铸造载玻片可长期保存在载玻片箱内(远离灰尘)。你可以建立自己的头发收藏图书馆。
[图中]不同哺乳动物的毛发标本。
请注意，每个图像的放大倍数是不同的。此外，对于每一种动物来说，来自不同类型(护毛或羊毛)和身体位置的毛发可能非常不同。欲了解更多详情，请浏览以下网站:MicrolabNW显微照片画廊．
方法二:制作完整的毛发贴片，观察内部特征(髓质)
为了观察头发的内部结构，如髓质，一个完整的载玻片是理想的。
你可能需要的材料:
- 显微镜载玻片
- 安装介质(可以是水或70%甘油湿装介质）
- 盖玻片
- 镊子或钳子
- 不同的头发标本
- 一种复合显微镜
按照以下步骤制作你的整个安装幻灯片:
1.将头发剪成1厘米长(小于封面尺寸)。
2.取一个干净的显微镜载玻片，滴一滴安装介质或水在上面。你可以学习"如何选择安装介质”
3.将几缕头发放在山上或水滴上。
4.慢慢地有角度地放下盖子。首先让液滴的一侧接触到盖子。这使得空气可以从另一边逸出。你可以用产钳来帮助你控制被单．
5.用薄纸擦拭封面的一侧，去除多余的溶液。
6.可选:您还可以用强力胶(或指甲油)密封封面的所有边缘，以防止封面的移动和长期存储。
你可以寻找什么?
首先在显微镜的低倍镜下检查整个载玻片。一旦你找到了正确的焦点，就切换到高强度的目标。
浓密的头发或颜色较深的头发可能需要更强的光强度来照亮其内部结构。检查毛发的几种来源(人类和动物的，或者来自不同身体部位的毛发)，并寻找不同的内部特征，如颗粒或空气空间。画出你观察到的头发的特征或拍一些照片。你也可以测量你的头发宽度，如果你有微观的统治者．
发质的:根据髓质的外观来识别头发的
髓质是头发中可能存在的细胞的核心。如果它充满空气，它在透射光下看起来是一个黑色或不透明的结构。
一个完整的镶嵌可以研究髓质的外观;然而，髓质并不总是存在于头发中(尤其是人类的头发)。当髓质出现时，它们通常在物种之间表现出独特的变化。髓质的外观可分为连续的(未破碎)、间歇的(间隔规则)或破碎的(间隔不规则)。
[在此图中]三种基本髓质类型的示意图。
人类和动物髓质的区别
鉴定毛发是来自人类还是动物是法医毛发分析的第一步。在人类的毛发中，髓质在外观上通常是无定形的，而在动物的毛发中，它们的结构通常非常规则和明确。人类的头发通常包含一个薄(小于头发直径的三分之一)，碎片化或无髓质区域。动物毛发通常有较厚的髓质(超过毛发直径的一半)，具有规则的图案。
【上图】人类和动物毛发中髓质的典型差异。
人的毛髓质呈碎片状、不规则状，而小鼠的毛髓质呈周期性。
[图中]哺乳动物毛发的不同髓样。
[图中]不同哺乳动物的毛髓样的集合。
最有趣的标本是从西伯利亚冰层中发现的冻毛猛犸象的毛发。请注意，每个图像的放大倍数是不同的。此外，对于每一种动物来说，来自不同类型(护毛或羊毛)和身体位置的毛发可能非常不同。欲了解更多详情，请浏览以下网站:MicrolabNW显微照片画廊．
头发生物学的高级显微镜
与其他生物学研究领域一样，三原学也受益于显微技术的进步。例如，扫描电子显微镜(SEM)可以揭示毛发的详细表面纹理(类似于鳞片铸造，但具有更高的分辨率)。
【上图】加热和酶水解处理对毛发影响的扫描电子显微镜分析。
A, B -控制;C, D -经酶解物和矫直剂180°处理后;E, F-经热处理后的酶水解产物。来源:BMC生物技术．
荧光显微镜和分子生物学的结合为生物学家研究毛发的生长，特别是毛囊内的干细胞提供了一个很好的工具。这一知识可能会提高我们治疗因衰老或疾病引起的脱发的成功率。
(A)毛囊的解剖结构。(B)毛囊的荧光图像显示两种类型的干细胞。这些颜色是由能够识别干细胞上特定蛋白质标记的抗体标记出来的。来源:发展．
结论
把你的学生变成一个犯罪现场调查小组，让他们用头发分析来解决“犯罪”。在他们学习科学概念的同时，法医之谜既能吸引他们，也能激发他们的兴趣。开云体育全站app下载安装
从法医学的角度来看，教授基本的生理科学概念是很有趣的。开云体育全站app下载安装通过将解决问题的方法纳入科学教育，教师以令人兴奋和创新的方式吸引学生。开云体育全站app下载安装法医实验室还提供科学和数学的“真实世界”应用。开云体育全站app下载安装
参考文献
”显微镜下:通过毛发分析获得法医鉴定”
”头发和纤维分析的历史”
”比较显微镜”
”人和动物毛发的鉴别”
”《头发、纤维、犯罪与证据》作者:道格拉斯·w·迪德里克。法医学通讯，200开云体育全站app下载安装0年7月-第2卷-第3号．
”MicrolabNW显微照片画廊”
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