Чья шевелюра прочнее: морфология волос

Волосы для современного человека являются не более чем элементом визуальной самоидентификации, частью имиджа и образа. Несмотря на это, данные роговые образования кожи имеют несколько важных биологических функций: защита, терморегуляция, осязание и т.д. Насколько же прочные наши волосы? Как оказалось, они в разы прочнее волос слона или жирафа.

Сегодня мы с вами познакомимся с исследованием, в котором ученые из Калифорнийского университета (США) решили проверить, как коррелирует толщина волоса и его прочность у разных видов животных, включая человека. Чьи волосы оказались самыми прочными, какими механическими свойствами обладают волосы разных видов и как данное исследование может помочь в разработке новых типов материалов? Об этом мы узнаем из доклада ученых. Поехали.

Основа исследования

Волосы, состоящие по большей степени из белка кератина, это роговые образования кожи млекопитающих. По факту, волосы, шерсть и мех являются синонимами. По своей структуре волос состоит из пластинок кератина, которые накладываются друг на друга, как упавшие друг на друга костяшки домино. Каждый волос имеет три слоя: кутикула — внешний и защитный слой; кортекс — корковое вещество, состоящее из удлиненных мертвых клеток (важен для прочности и эластичности волоса, определяет его цвет за счет меланина) и мозговое вещество — центральный слой волоса, состоящий из мягких кератиновых клеток и воздушных полостей, который участвует в передаче питательных веществ к другим слоям.

Если волос разделять вертикально, то мы получим надкожный участок (стержень) и подкожный (луковица или корень). Луковица окружена фолликулом, от формы которого зависит и форма самого волоса: круглый фолликул — прямой, овальный фолликул — слегка вьющийся, почкообразный фолликул — кучерявый.

Многие ученые предполагают, что ввиду технологического прогресса меняется эволюция человека. То есть некоторые органы и структуры в нашем теле постепенно становятся рудиментарными — таковыми, которые утратили свое целевое назначение. К таким частям тела можно отнести зубы мудрости, аппендикс и волосяной покров на теле. Другими словами, ученые считают, что с течением времени эти структуры просто исчезнут из нашей анатомии. Так это или нет, сказать сложно, но для многих обывателей зубы мудрости, например, ассоциируются с посещением стоматолога для их неминуемого изъятия.

Как бы там ни было, волосы человеку нужны, может они уже и не играют важнейшую роль в терморегуляции, но вот в эстетике пока являются неотъемлемой частью. То же можно сказать и про мировую культуру. Во многих странах испокон веков волосы считались источником всей силы, а их обрезание связывали с возможными проблемами со здоровьем и даже неудачами по жизни. Сакральное значение волос перекочевало от шаманских ритуалов древних племен к более современным религиям, работам писателей, художников и скульпторов. В частности, женская красота часто была тесно связана с тем, как выглядели ее волосы.

Обратите внимание, насколько детально изображены волосы Венеры (Сандро Боттичелли, «Рождение Венеры», 1485).

Оставим в стороне культурный и эстетический аспект волос и приступим к рассмотрению исследования ученых.

Волосы, в том или ином виде, имеются у многих видов млекопитающих. Если для человека они уже не настолько важны с биологической точки зрения, то для других представителей животного мира шерсть и мех это жизненно важные атрибуты. При этом по своей основной структуре волос человека и, например, слона очень похожи, хотя есть и отличия. Самое очевидное их них это габариты, ведь волос слона намного толще нашего, но, как оказалось, не прочнее.

Волосы и шерсть ученые изучают уже довольно давно. Результаты этих трудов были реализованы как в косметологии и медицине, так и в легкой промышленности (или как бы сказала небезызвестная Калугина Л.П.: «легонькой промышленности»), а точнее в текстильной. Кроме того, изучение волос сильно помогло в области разработки биоматериалов на основе кератина, который еще в начале прошлого века научились выделять из рогов животных с помощью извести.

Полученный таким образом кератин использовали для создания гелей, которые можно было укрепить посредством добавления формальдегида. Позднее выделять кератин научились не только из рогов, но и из шерсти и волос человека. Вещества, созданные на основе кератина, нашли свое применение в косметике, композитах и даже в покрытии для таблеток.

В наши дни стремительно развивается отрасль изучения и производства прочных и легких материалов. Волосы, будучи таковыми от природы, являются одним из вдохновений для подобного рода исследований. Чего стоит предел прочности на растяжение шерсти и человеческих волос, который составляет от 200 до 260 МПа, что эквивалентно удельной прочности 150-200 МПа / мг м^-3. А это практически сопоставимо со сталью (250 МПа / мг м^-3).

Основную роль в формировании механических свойствах волоса играет его иерархическая структура, напоминающая матрешку. Важнейшим элементом этой структуры является внутрення кортекс из корковых клеток (диаметр около 5 мкм, а длина 100 мкм), которые состоят из сгруппированных макрофибрилл (диаметр около 0.2-0.4 мкм), который состоят из промежуточных филаментов (7.5 нм в диаметре), встроенных в аморфную матрицу.

Механические свойства волос, их чувствительность к температуре, влажности и к деформации являются прямым результатом взаимодействия аморфного и кристаллического компонентов кортекса. Кератиновые волокна кортекса волоса человека обычно имеют большую растяжимость с деформацией на разрыв более 40%.

Столь высокое значение обусловлено разматыванием структуры а-кератина и, в некоторых случаях, его превращением в b-кератин, что приводит к увеличению длины (полный оборот спирали 0.52 нм растягивается до 1.2 нм в конфигурации b). Это и является одной из основных причин, почему многие исследования сосредоточились именно на кератине, чтобы воссоздать его в синтетической форме. А вот наружный слой волос (кутикула), как мы уже знаем, состоит из пластинок (толщиной 0.3–0.5 мкм и 40–60 мкм в длину).

Ранее ученые уже проводили исследование механических свойств волос людей из разных возрастных и этнических групп. В данном же труде акцент был поставлен на изучении разницы механических свойств волос разных видов животных, а именно: человек, лошадь, медведь, кабан, капибара, пекари, жираф и слон.

Результаты исследования

Изображение №1: морфология человеческого волоса (А — кутикула; В — разлом кортекса; показывающий концы волокон, С — поверхность разлома, где видно три слоя; D — латеральная поверхность кортекса, показывающая вытягивание волокна).

Волос взрослого человека в диаметре составляет около 80-100 мкм. При нормальном уходе за волосами их внешний вид достаточно целостный (1А). Внутренним компонентом волос человека является фиброзный кортекс. После испытания на растяжение было обнаружено, что кутикула и кортекс человеческого волоса ломались по-разному: кутикула обычно ломалась абразивно (крошилась), а кератиновые волокна в кортексе были отслоены и вытянуты из общей структуры (1В).

На снимке 1С отчетливо видна хрупкая поверхность кутикулы с визуализацией слоев, которые являются перекрывающими друг друга пластинками кутикулы и имеют толщину 350–400 нм. Наблюдаемое расслоение на поверхности разрушения, а также хрупкая природа этой поверхности показывают слабую межфазную связь между кутикулой и кортексом, а также между волокнами внутри кортекса.

Кератиновые волокна в кортексе были расслоены (1D). Это говорит о том, что волокнистый кортекс в первую очередь отвечает за механическую прочность волоса.

Изображение №2: морфология конского волоса (А — кутикула, некоторые пластинки которой немного отклонены ввиду нехватки ухода; В — внешний вид разрыва; С — детали разрыва кортекса, где видна оторванная кутикула; D — детали кутикулы).

Структура конских волос похожа на человеческие, за исключением диаметра, который на 50% больше (150 мкм). На снимке 2А можно увидеть явные повреждения кутикулы, где многие пластинки не так тесно связаны со стержнем, как это было на волосах человека. Место разрыва конского волоса содержит как обычный разлом, так и разрыв волоса (расслоение пластинок кутикулы). На 2В видны оба варианта повреждений. На участках, где пластинки полностью оторвались, виден интерфейс между кутикулой и кортексом (2С). Несколько волокон были вырваны и расслаивались в области интерфейса. Сравнивая данные наблюдения с предыдущими (человеческий волос), подобные разрушения указывают на то, что волосы лошади не испытывали такого же сильного напряжения, как человеческие волосы, когда волокна в кортексе были вытянуты и полностью отслоены от кутикулы. Также видно, что некоторые пластинки отсоединились от стержня, что может быть связано с напряжением растяжения (2D).

Изображение №3: морфология медвежьего волоса (А — кутикула; В — повреждения в двух точках, связанных с областью разрыва; С — растрескивание кутикулы с расслаиванием волокон в кортексе; D — детали структуры волокон, видны несколько вытянутых волокон из общей структуры).

Толщина медвежьего волоса составляет 80 мкм. Пластинки кутикулы крайне плотно прикреплены друг другу (3А), а в некоторых участках даже сложно различить отдельные пластинки. Подобное может быть связано с трением волоса о соседние. При растягивающем напряжении эти волосы буквально расщеплялись с появлением длинных трещин (вставка на 3B), что указывает на то, что при слабом связывающем эффекте поврежденной кутикулы кератиновые волокна в кортексе легко расслаивались. Расслоение кортекса вызывает разрыв на кутикуле, что подтверждается зигзагообразным рисунком разлома (3С). Это напряжение приводит к вытягиванию некоторых волокон из кортекса (3D).

Изображение №4: морфология волоса кабана (А — обычный плоский перелом волоса; В — структура кутикулы демонстрирует плохое состояние целостности (сгрупированности) пластинок; С — детали разрыва на интерфейсе между кутикулой и кортексом; D — вытянутые из общей массы волокна и выступающие фибриллы).

Волосы кабана достаточно толстые (230 мм), особенно в сравнении с медвежьими. Разрыв волос кабана при повреждении выглядит достаточно отчетливо (4А) перпендикулярно направлению напряжения при растяжении.

Относительно малые обнаженные пластинки кутикулы были оторваны от основного тела волоса ввиду растяжения их краев (4В).

На поверхности зоны разрушения отчетливо видно расслоение волокон, также видно, что они были очень плотно связаны между собой внутри кортекса (4С). Только волокна на интерфейсе между кортексом и кутикулой были обнажены из-за разделения (4D), что выявило наличие толстых фибрилл кортекса (250 нм в диаметре). Некоторые из фибрилл слегка выступили наружу ввиду деформации. Предполагается, что они служат в качестве укрепления волос кабана.

Изображение №5: морфология волос слона (А — С) и жирафа (D — F). А — кутикула; В — ступенчатый надлом волоса; С — пустоты внутри волоса указывают, где были вырваны волокна. D — кутикулярные пластинки; Е — ровный надлом волоса; F — волокна, вырванные из поверхности в области надлома.

Волосы слоненка могут быть толщиной около 330 мкм, а у взрослого достигать 1.5 мм. Пластинки на поверхности сложно различимы (5А).Волос слона также склонен к нормальному разрушению, т.е. к чистому разлому при растяжении. Причем морфология поверхности разрушения демонстрирует ступенчатый вид (5В), возможно, обусловленные наличием незначительных дефектов в кортексе волоса. На поверхности разлома также можно увидеть некоторые небольшие отверстия, где до повреждения, вероятно, располагались укрепляющие фибриллы (5С).

У жирафа волосы также достаточно толстые (370 мкм), хотя расположение пластинок кутикулы не такое четкое (5D). Считается, что это связано с их повреждением различными факторами окружающей среды (например, трение об деревья во время питания). Несмотря на отличия, разлом волоса у жирафа был схож с таковым у слона (5F).

Изображение №6: морфология волоса капибара (А — двойная кутикулярная структура пластинок; В — разрыв двойной структуры; С — волокна рядом с границей разрыва кажутся хрупкими и жесткими; D — вытянутые волокна из зоны разрыва двойной структуры).

Волосы капибары и пекари отличаются от всех остальных исследуемых волос. У капибары основным отличием является наличие двойной конфигурации кутикулы и овальная форма волоса (6А). Бороздка между двумя зеркальными частями волоса необходима для более быстрого удаления воды с шерсти животного, а также для лучшей вентиляции, что позволяет быстрее высохнуть. При воздействии растяжения волос разделяется на две части вдоль бороздки, а каждая из частей разрушается (6В). Многие волокна кортекса расслаиваются и вытягиваются (6С и 6D).

Изображение №7: морфология волоса пекари (А — строение кутикулы и место разрыва; В — морфология разрушения кортекса и детали ее структуры; С — закрытые ячейки (20 мкм в диаметре), стенки которых состоят из волокон; D — стенки ячеек).

У пекари (семейство Tayassuidae, т.е. пекариевые) волосы имеют пористый кортекс, а слой кутикулы не имеет четких пластинок (7А). Кортекс волоса содержит закрытые ячейки размером 10-30 мкм (7В), стенки которых состоят из кератиновых волокон (7С). Эти стенки достаточно пористы, а размер одной поры составляет около 0.5-3 мкм (7D).

Как видно на снимке 7А, без поддержки волокнистого кортекса кутикула растрескивается по линии разрыва, а волокна в некоторых местах вытягиваются. Подобная структура волоса необходима для того, чтобы волосы были более вертикальными, визуально увеличивая размер животного, что может быть защитным механизмом пекари. Волосы пекари достаточно хорошо противостоят сжатию, но с растяжением не справляются.

Разобравшись со структурными особенностями волос разных животных, а также с их типами повреждений из-за натяжения, ученые приступили к описанию механических свойств.

Изображение №8: диаграмма деформирования для каждого из типов волос и схема экспериментальной установки для получения данных (скорость деформации 10^-2 с^-1).

Как видно из графика выше, реакция на растяжение у волос разных видов животных была достаточно разной. Так, волосы человека, лошади, кабана и медведя показали реакцию схожую с реакцией шерсти (не чьей-то, а текстильного материала).

При относительно высоком модуле упругости, равном 3.5–5 ГПа, кривые состоят из линейной (упругой) области, за которой следует плато с медленно растущим напряжением до деформации 0.20–0.25, после чего скорость упрочнения значительно возрастает до деформации разрушения в 0.40. Область плато относится к разматыванию а-спиральной структуры кератиновых промежуточных филаментов, которые в некоторых случаях могут (частично) превращаться в b-листы (плоские структуры). Полное же разматывание приводит к деформации 1.31, что значительно выше, чем в конце этой стадии (0.20–0.25).

Кристаллическая нитевидная часть структуры окружена аморфной матрицей, которая не трансформируется. Аморфная часть составляет около 55% от общего объема, но только при условии, что диаметр промежуточных нитей равен 7 нм и что они разделены аморфным материалом на 2 нм. Такие точные показатели были выведены в ранее проведенных исследованиях.

На стадии деформации, характеризующейся упрочнением, происходит скольжение между кортикальными волокнами, а также между более мелкими структурными элементами, такими как микрофибриллы, промежуточные нити и аморфная матрица.

Волосы жирафа, слона и пекари демонстрируют относительно линейную реакцию упрочнения без четкого различия между плато и областями быстрого упрочнения (пиками). Модуль упругости относительно низкий и равен около 2 ГПа.

В отличие от других видов, волосы капибары демонстрируют реакцию, характеризующуюся быстрым упрочнением, на которое накладываются последовательные напряжения. Это наблюдение связано с необычной структурой волоса капибары, а точнее с наличием двух симметричных частей и продольной борозды между ними.

Ранее уже проводились исследования, которые говорили о том, что модуль Юнга (модуль продольной упругости) уменьшается при увеличении диаметра волоса у разных видов животных. В этих трудах отмечалось, что модуль Юнга у пекари значительно ниже, чем у других животных, что может быть связано с пористостью структуры его волос.

Любопытно и то, что у пекари имеются и черные, и белые участки на волосе (двухцветность). Разрывы при растяжении происходят чаще всего именно в белой области волоса. Повышенная устойчивость черной области объясняется наличием меланосом, которая встречается исключительно в черных волосах.

Все эти наблюдения действительно уникальны, но остается главный вопрос — играют ли роль габариты волоса на его прочность?

Если описывать волосы у млекопитающих, то можно выделить основные факты, которые известны исследователям:

• у большинства видов волос толще в центральной части и сужается к концу; шерсть диких животных более толстая из-за среды их обитания;
• изменения диаметра волосков одного вида показывает, что толщина большинства волосков варьируется в пределах общего диапазона толщины для данного вида животного. Толщина волосков у разных представителей одного вида может отличаться, однако что на это отличие влияет пока неизвестно;
• у разных видов млекопитающих разная толщина волос (как бы банально это ни звучало).

Суммируя эти общедоступные факты и полученные в ходе опытов данные, ученые смогли сопоставить все результаты для формирования зависимостей толщины волоса и его прочности.

Изображение №9: отношение толщины волоса и его прочности у разных видов животных.

Из-за различий в диаметре и растяжимости волос ученые решили выяснить, можно ли предсказать их напряжения на разрыв на основе статистики Вейбулла, которая может конкретно учитывать различия в размере образца и результирующем размере дефекта.

Предполагается, что сегмент волоса с объемом V состоит из n элементов объема, причем каждый единичный объем V₀ обладает аналогичным распределением дефектов. Используя предположение о самом слабом звене, при данном уровне напряжения σ вероятность P сохранения целостности данного сегмента волоса с объемом V может быть выражена как произведение дополнительных вероятностей сохранения целостности каждого из элементов объема, а именно:

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

где объем V содержит n элементов объема V₀. При увеличении напряжения P(V) естественным образом уменьшается.

Используя двухпараметрическое распределение Вейбулла, вероятность разрушения всего объема может быть выражена как:

1 — P = 1 — exp [ —V/V₀ · (σ/σ₀)^m]

где σ — приложенное напряжение, σ₀ — характерная (эталонная) прочность, а m — модуль Вейбулла, который является мерой изменчивости свойств. Стоит отметить, что вероятность разрушения увеличивается с увеличением объема выборки V при постоянном напряжении σ.

На графике 9А показано распределение Вейбулла экспериментальных разрушающих напряжений для волос человека и капибары. Кривые для других видов были предсказаны с использованием формулы №2 с тем же значением m, что и для волос человека (m = 0.11).

В качестве среднего диаметра использовались: кабан — 235 мм, лошадь — 200 мм, пекари — 300 мм, медведь — 70 мм, слоновий волос — 345 мм и жираф — 370 мм.

Исходя из того, что разрушающее напряжение может быть определено при P(V) = 0.5, эти результаты показывают, что разрушающее напряжение уменьшается с увеличением диаметра волоса у разных видов.

На графике 9В показаны прогнозируемые разрывные напряжения при 50% вероятности разрушения (P(V) = 0.5) и среднее экспериментальное разрывное напряжение для разных видов.

Становится ясно, что при увеличении диаметра волоса от 100 до 350 мм его разрушающее напряжение уменьшается с 200–250 МПа до 125–150 МПа. Результаты моделирования по распределению Вейбулла прекрасно согласуются с результатами фактических наблюдений. Единственным исключением являются волосы пекари, поскольку они крайне пористы. Фактическая прочность волоса пекари ниже, чем показало моделирование по распределению Вейбулла.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Основной вывод вышеописанных наблюдений заключается в том, что толстые волосы это не эквивалент прочных. Правда, как говорят сами ученые, это заявление не является открытием тысячелетия, поскольку подобные наблюдения были сделаны и при изучении металлической проволоки. Тут дело даже не в физике, механике или биологии, а в статистике — чем больше объект, тем больше простор для дефектов.

Ученые верят, что рассмотренный нами сегодня труд поможет их коллегам создать новые синтетические материалы. Основная проблема в том, что несмотря на развитость современных технологий, они пока не способны создать нечто подобное волосу человека или слона. Ведь создать нечто столь малое это уже вызов, не говоря уже о его сложной структуре.

Как мы видим, данное исследование показало, что далеко не только паучий шелк достоин внимания ученых как вдохновение будущих для сверхпрочных и сверхлегких материалов, но и волосы человека способны удивлять своими механическими свойствами и удивительной прочностью.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. 🙂

Немного рекламы 🙂

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?