Волос человеческий: что это такое, из чего состоят, функции, структура, строение корня и стержня

10 интересных фактов о волосах о которых вы не знали

Волосы – наша визитная карточка, важная составляющая многомиллиардной индустрии красоты, объект пристального внимания науки. Каждый волосок на нашей голове является результатом работы крошечного, но невероятно сложного органа — волосяного фолликула. Шевелюра может многое рассказать о своем хозяине, о его болезнях и даже особенностях характера. Но сам человек о волосах знает все еще слишком мало.

Сложное строение и наличие мозга

В анатомии строение волос разделяют на ствол и корень. Ствол – это часть волос, которую мы видим, он выступает над поверхностью кожи. Волосяной корень находится в коже и его окружает волосяной фолликул. Если ствол разрезать поперек, то можно заметить, что в его составе есть внутренняя мозговая материя (о назначении которой до сих пор выдвигают лишь версии), корковая материя и внешний слой кутикулы. Внутренний слой включает в свой состав клетки, которые не ороговели. Корковый слой имеет ороговевшие клетки, и составляет примерно 90 процентов от всего веса волоса. Этот слой обусловливает то, насколько прочными будут волосы. В клетках данного слоя есть пигменты, которые придают цвет: эумеланин (пигмент черно-коричневого цвета) и феомеланин (пигмент желто-красного цвета). От количества этих пигментов зависит оттенок ваших волос.

Наличие чешуек (кутикулы)

В составе кутикулы находится от 6 до 8 слоев клеток и это по строению близко к черепице или чешуйкам сосновых шишек. Направление этих чешуек идет от корней до концов волос. Тут стоит заметить, что если направление чешуек у некоторых волос изменится (просто перевернуть часть волосинок в обратную сторону по отношению к остальным), то при соприкосновении с другими волосами запустится эффект спутывания т.к разнонаправленные чешуйки (кутикулы) начнут соприкасаться и задевать друг друга, образовывая в конечном счете колтун. В сфере наращивания волос существуют так называемые «европейские волосы», которые по факту к этому региону не имеют никакого отношения — они были собраны чуть ли не с полов парикмахерских в Азии, затем прошли процедуру термообработки и удаления кутикулы — именно для того, чтобы разнонаправленные волосы не спутывались у клиента в первое время носки.

кутикула и схема строения волоса

Реакция на окружающую среду

Если на волосы воздействует щелочная среда (обыкновенное мыло), чешуйки открываются; если воздействует кислая – закрываются. Обычно, если волосы поражаются из внешней среды, то первым делом повреждается кутикула. Фолликул волос, который изредка считается синонимом луковицы, можно назвать вместилищем для корней волос. Фолликул выглядит как маленькое утолщение и в основном состоит из клеток, которые при делении сформировывают волос. К нижней части фолликула присоединяется волосяной сосочек. В строение сосочка, кроме прочего, входят кровяные сосуды. Волосяной (дермальный) сосочек – очень важная составляющая часть фолликула. Именно он контролирует состояние и рост волос. Если что-то случается с сосочком, то волос погибает. Но если уничтожается волос, а сосочек не пострадал, то на его месте образуется новый волос.

К волосяной луковице также присоединяются сальные железы (около 2-3), железы, выделяющие пот и мышцы, поднимающие волос. У человека количество сальных желез примерно 200 000, а за сутки масса выделяемого кожного сала составляет около 50 грамм. Уровень активности сальных желез разный, в зависимости от принадлежности к тому или иному полу, возрасту, состоянию нервной и эндокринной систем, а также от правильности питания. Главная задача сальных желез – это смазывание волос секретом, образуя эмульсивную пленку (водно-липидную мантию) с целью исполнения защитной функции. Из-за того, что эмульсивная пленка является важной составляющей для нормального исполнения функций кожи, то следует уделить ей больше внимания. Она состоит из мертвых клеток эпидермиса (верхнего слоя кожи), выделений сальных и потовых желез. Вследствие того, что эмульсивная пленка обладает слабокислотной средой, это блокирует размножение микробов на поверхности эпидермы. Также она обладает водоотталкивающим свойством, и в то же время не дает коже пересохнуть. Также еще одной обязанностью пленки является сбережение кожи головы от ультрафиолетовых лучей.

Время жизни и естественное выпадение

При использовании средств для мытья волос со щелочной средой эмульсивная пленка разрушается. Однако это не значит, что нужно перестать мыть волосы, потому что эмульсивная пленка быстро регенерирует. Длина волос обусловливается расовой принадлежностью: наибольшая длина волос у людей, принадлежащих к монголоидной расе, самые короткие – у людей, принадлежащих к негроидной расе. Длина волос у людей, принадлежащих к европейской расе, находится между предыдущими двумя. Помимо этого, стоит помнить, что один волос не может расти на продолжительности всей жизни. Один волос растет около 3-6 лет, а потом выпадает, и на смену ему начинает расти новый. Средняя длина, на которую вырастает волос за один месяц, составляет около одного сантиметра. В пределах нормы за 24 часа у человека выпадает от 40 до 80 волосинок, если волосы были наращены и зафиксированы в кератиновую капсулу — они нападают в неё, и будут находиться в ней до коррекции соответственно.

При использовании средств для мытья волос со щелочной средой эмульсивная пленка разрушается. Однако это не значит, что нужно перестать мыть волосы, потому что эмульсивная пленка быстро регенерирует. Длина волос обусловливается расовой принадлежностью: наибольшая длина волос у людей, принадлежащих к монголоидной расе, самые короткие – у людей, принадлежащих к негроидной расе. Длина волос у людей, принадлежащих к европейской расе, находится между предыдущими двумя. Помимо этого, стоит помнить, что один волос не может расти на продолжительности всей жизни. Один волос растет около 3-6 лет, а потом выпадает, и на смену ему начинает расти новый. Средняя длина, на которую вырастает волос за один месяц, составляет около одного сантиметра. В пределах нормы за 24 часа у человека выпадает от 40 до 80 волосинок, если волосы были наращены и зафиксированы в кератиновую капсулу — они нападают в неё, и будут находиться в ней до снятия соответственно.

• Диаметр волос обусловливается несколькими факторами: возрастом человека, цветом волос, принадлежностью к расе. У детей до года толщина волосины примерно в 2-3 раза тоньше, чем у взрослого человека. К старости волосы тоже истончаются. По цветам волос самой большой толщиной обладают рыжеволосые люди, меньше толщина у брюнетов, еще меньше у шатенов, и самыми тонкими волосами обладают блондины.
• Также волосы можно различать по эластичности и пористости. Здоровые волосы имеют свойство вытягиваться примерно на 30% от своей длины и возвращаться в начальное состояние. Если волосы недостаточно эластичны, то их требуется увлажнять. Пористость волоса считается нормальной, если волос может удержать влагу, количество которой составляет половину его веса, при этом увеличившись в диаметре всего на 20 процентов. Волосы нуждаются в постоянном уходе за ними, но поддерживать нужно здоровое состояние не только волос, но и кожи головы.
• Со временами в различных народах и культурах представление о красоте волос менялось. Из-за того, что прическа – один из самых важных факторов нашего внешнего вида по сей день.

Сила волоса

здоровый волос под микроскопом

Волосы нельзя сплющить, ударив по ним молотком, а косы невозможно разорвать руками. Тонкому и, казалось бы, хрупкому волосу нелегко нанести механические повреждения. Несмотря на то, что в диаметре он всего лишь 80 микромиллиметров, по прочности человеческий волос не уступает медной проволоке того же диаметра.
Все дело в кератине – главном строительном материале, из которого состоят волосы. В этом уникальном белке содержится высокая концентрация аминокислот: цистина и цистеина. Они в свою очередь образуют три вида химических связей: солевую, водородную и одну из самых крепких в природе – дисульфидную. Благодаря ей наши волосы и обретают высокую прочность.
Копна может многое стерпеть: воздействие слабых кислот и щелочей, окрашивание, химическую завивку. Благодаря удивительным свойствам кератина мы можем самыми разными способами экспериментировать со своей внешностью. Впрочем, нанести непоправимый вред волосам все-таки можно.
В древности люди уже прекрасно знали о том, насколько волосы прочные. Они считали, что это качество напрямую связано с жизненными силами человека, его здоровьем. Поэтому их строжайше запрещалось выбрасывать. Чаще всего их закапывали.

Магия и суеверия

У наших предков были правила по уходу за волосами. Например, расчесывать их разрешалось дважды или трижды в неделю, не чаще. Подстригались славяне вообще крайне редко и исключительно на новолуние. Это делалось для того, чтобы новые волосы отрастали как можно быстрее. Ведь длинные косы и густые бороды были самым главным атрибутом красоты, здоровья и достатка. Только в особых случаях люди были вынуждены расставаться со своими волосами. Например, женщина могла отрезать себе косу в знак траура.
Лишиться бороды для каждого мужчины было не просто крайне унизительно, это приравнивалось к непостижимой утрате. Ведь именно борода на протяжении долгих веков была олицетворением мужества и силы.
Волосы использовались в сотнях славянских ритуалах и даже в магических обрядах. К так называемой «волосяной магии» ворожеи прибегали, когда хотели либо навредить кому-то, либо, как ни странно, вылечить.
Не все народы мира верили в сверхъестественные свойства волос, как славяне. Но в том, что шевелюра всегда играла значимую роль в жизни человека, сегодня ученые не сомневаются. В древних обществах прическа была важным посланием, в котором сообщалось о происхождении и статусе человека еще до того, как он представлялся сам.
Волосы не только помогали демонстрировать свою принадлежность к определенным слоям общества, но и выражать протест. Так, в 20 веке появились разные неформальные группы людей, которые носили не принятые в светском обществе прически и одежду, бросая вызов всем установленным нормам.

Никто не знает когда

Сегодня мы много знаем о суевериях и традициях, связанных с волосами. Но вот их собственная история происхождения по-прежнему остается довольно туманной. У ученых нет однозначного ответа на вопрос, когда и у кого на Земле появились первые волосы.
На сегодняшний день существует большое количество гипотез, объясняющих их происхождение. Жаркие научные споры в этой области не утихают. Но в одном ученые сходятся: появление шерсти у млекопитающих стало настоящим эволюционным прорывом. Ведь в отличие от других представителей фауны они уже не так сильно зависели от изменений климата.
Впрочем, далеко не все представители класса млекопитающих сохранили волосяной покров. Человек, например, методично его терял на протяжении всего своего существования. Это началось, когда наши далекие предки еще жили на территории Африки. Уже тогда группы генов, отвечающие за количество и структуру волос, начали спонтанно мутировать.

Эксклюзивные цвета

Не только количество, но и все остальные качества волос мы получаем в наследство от наших родителей. Именно гены определяют, какой шевелюрой мы будем обладать. Человечество не может похвастаться яркими и цветастыми вихрами. Ведь всего два красящих пигмента отвечают за формирование цвета наших волос. Это черный или коричневый эумеланин и желтый или красный феомеланин.
Поэтому среди семимиллиардного населения планеты различают всего триста оттенков волос. Впрочем, делать это способны лишь ученые и профессиональные парикмахеры. Глаз обывателя едва ли различит более десяти оттенков.

Самый распространенный – темный цвет. Он, кстати, считается исконным человеческим признаком. Ведь все первые люди обладали исключительно черными шевелюрами и карими глазами. Светловолосые появились в результате дальнейшей эволюции и масштабного расселения людей по планете. Поэтому их численность гораздо меньше. Кроме того, ареал обитания блондинов ограничен определенными климатическими зонами. Кстати, в последнее столетие ученые фиксируют стремительное сокращение количества белокурых людей на Земле.
Причина сокращения числа блондинов – результат спонтанной мутации генов. И все же ученые советуют не сгущать краски. Полностью светловолосые люди не исчезнут точно. Ведь джентльмены предпочитали блондинок на протяжении многих десятков тысяч лет. И нет причин полагать, что они резко изменят свои вкусы.
Уж кто-кто на вес золота, так это рыжие. Они были и остаются действительно редкими представителями человеческого рода – 1-3% от популяции. Наибольшая концентрация рыжих наблюдается в Ирландии и Шотландии, затем идут бывшие территории викингов. В России тоже есть своя «столица рыжих» — это Ижевск (Удмуртия). Кстати, «столица блондинов» в нашей стране – это Калининград.
Чтобы на свет появился рыжеволосый ребенок, нужны особые условия. Оба родителя должны быть носителями мутантного гена – меланокортинового рецептора. Именно он приводит к тому, что выработка черного пигмента эумеланина прекращается, а вот феомеланин – пигмент красный – начинает производиться в изобилии. Носителей этого мутантного гена на планете очень мало.

Я вычеслю тебя по волосу

ходи в шапочке

Успешно или нет, но характеризовать человека по волосам умели еще в глубокой древности. Впрочем, тогда наши предки еще не догадывались, насколько локоны могут быть богатым источником информации. Есть даже такая наука о волосах – трихология. По одному волоску можно узнать, что у человека изо дня в день оказывается на тарелке, сколько ему лет, где он живет, какого пола и расы, курит он или злоупотребляет алкоголем, наркотиками.
Это невероятный объем достоверной информации. И это при том, что волосы даже не являются живой структурой. С точки зрения науки это мертвая ткань. Весь массив информации, которую несет в себе волос, консервируется в нем и сохраняется даже после смерти человека. Кстати, не только шевелюра может хранить эту информацию. Буквально каждый упавший с нашего тела волосок может многое о нас рассказать.

В ЭКЦ МВД России волосы считаются едва ли не самым ценным вещественным доказательством. На каждом месте преступления криминалисты обнаруживают от нескольких десятков до нескольких тысяч различных волосков.
Используя довольно простой и недорогой метод морфологического исследования, эксперты-криминалисты могут безошибочно установить видовое происхождение улики. Понять, к какому биологическому виду принадлежит волос, а также определить, выпал он сам или его вырвали, не так уж и сложно. Профессионалу для этого достаточно нескольких минут.
Анализ ДНК волоса позволяет узнать еще больше информации о его хозяине. Объединив результаты разных исследований, криминалисты могут составить довольно полный портрет подозреваемого. Именно криминалистическая экспертиза волос часто является решающей в расследовании преступлений. Ее результаты позволяют безошибочно устанавливать личность преступника.
Волосы могут рассказать не только о нашей физиологии или наследственности. Профессиональные трихологи уверяют, что локоны легко выдают и тип нашего темперамента, и даже особенности характера. Ведь, к примеру, натуральная блондинка и натуральная брюнетка – это две большие разницы. Однако чтение характера по волосам не является научно доказанным методом. Шанс совершить ошибку есть всегда. В этом вопросе трихология ближе к психологии, а не математике.
Кстати, по мужским волосам читать сложнее, ведь, как правило, они короткие, а в коротких волосах таится гораздо меньше подсказок. Даже для криминалистов далеко не все волосы являются надежным источником информации. Например, седые считаются вообще непригодными для экспертизы.

Потеря волос

Каждый человек на Земле неизбежно седеет. У некоторых людей этот процесс запускается уже после тридцати. А к пятидесяти седины, как правило, украшают уже половину головы человека. Генетики уверяют, что это нормально. Как кожа с годами теряет свою упругость, так и волосы – все свои физико-химические свойства.
Серебристой голова может стать и гораздо раньше ожидаемого срока. К примеру, к 20-25 годам у человека уже могут быть внушительные проседи. К сожалению, невозможно рассчитать раннее поседение, впрочем, как и остановить.

Раннее поседение могут спровоцировать разные факторы: стресс, неправильное питание, хронические заболевания. Но нередко причина этого явления кроется в нашем геноме. Лекарства против ранней седины не существует. Кстати, трихологи пока не видят в этом большой проблемы. Окрашивание позволяет успешно маскировать любые седины. Беспокоиться стоит тогда, когда седые волосы появляются целыми прядями. Это может быть симптомом начальной стадии агрессивных форм облысения.
Ежедневно человек теряет до сотни волос. Это процесс закономерный. Ведь каждый волосяной фолликул на нашей голове проходит через определенные стадии роста. Продуктивно он растет в период анагена, затем наступает фаза покоя – катаген. Завершается жизненный цикл каждого волоса выпадением, этот этап называется телоген.
Волосы могут выпадать и раньше положенного срока, но на то всегда есть веские причины. Это может произойти в результате:

• гормонального сбоя;
• пережитого стресса;
• сильного волнения;
• продолжительной диеты;
• курса антибиотиков.

Начавшееся по этим причинам выпадение может длиться от одного до двух месяцев. Если же процесс продолжается больше полугода, пора на прием к трихологу.
В зависимости от результата обследования врач составляет программу лечения. Как правило, это не только курс медикаментов, но и физиопроцедуры. К сожалению, в услугах трихолога рано или поздно начинают нуждаться все. Ведь если вовремя не обратиться к врачу, непрекращающееся выпадение волос может закончиться их полной потерей. Облысение, или алопеция – это достаточно серьезное заболевание.
У женщин чаще встречается очаговая алопеция, когда разрежение шевелюры происходит на определенных участках головы. У мужчин – андрогенное облысение. В этом случае без волос остаются лоб и темя. Причины развития алопеции могут быть самые разные. Не последнюю роль в стремительной потере волос играет генетическая предрасположенность. Впрочем, даже плохая наследственность не является приговором вашей шевелюре.
Облысение сегодня считается самой распространенной болезнью волос. Мировая статистика неутешительна: лысых меньше не становится. Ученые же видят в этом явлении продолжение закономерного процесса: человек в ходе эволюции терял и будет терять волосяной покров, уверены некоторые специалисты.
Впрочем, единого мнения на этот счет не существует. Многие ученые считают, что тотальное облысение человечеству не грозит хотя бы по одной причине: волосы уже давно перестали быть для людей просто защитным покровом, они стали источником сексуальной привлекательности.

Ежегодно мы тратим большие суммы денег на уход за волосами и модные стрижки. А все для того, чтобы произвести впечатление на представителей противоположного пола. И пока будет работать такой важный рычаг эволюции, как половой отбор, наши шевелюры никуда не исчезнут. Еще больше интересных фактов про волосы и их эволюцию можно посмотреть в видео ниже.

Чья шевелюра прочнее: морфология волос / Хабр

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 или изображались (например, на картинах) волосы милых дам.

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 животных, но и из их шерсти, а также из 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 природных материалов, вдохновляющих на подобного рода исследования. 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 свойств волоса играет его иерархическая структура, напоминающая матрешку. Важнейшим элементом этой структуры является внутренний кортекс из корковых клеток (диаметр около 5 мкм, а длина 100 мкм), состоящих из сгруппированных макрофибрилл (диаметр около 0. 2-0.4 мкм), которые, в свою очередь, 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 мкм), 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, обусловленный 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 капибары (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 мкм, лошадь — 200 мкм, пекари — 300 мкм, медведь — 70 мкм, слоновий волос — 345 мкм и жираф — 370 мкм.

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 мкм 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.