どちらの髪が強いか: 髪の形態

現代人にとって髪の毛は、視覚的な自己識別の要素、イメージやイメージの一部にすぎません。それにもかかわらず、これらの皮膚の角質形成には、保護、体温調節、接触など、いくつかの重要な生物学的機能があります。私たちの髪はどれくらい強いのでしょうか？結局のところ、それらはゾウやキリンの毛よりも何倍も強いことがわかりました。

今日は、カリフォルニア大学（米国）の科学者が、人間を含むさまざまな動物種で毛の太さと強度がどのように相関するかをテストすることにした研究について紹介します。誰の髪が最も強いのか、さまざまなタイプの髪はどのような機械的特性を持っているのか、そしてこの研究は新しいタイプの材料の開発にどのように役立つのでしょうか?このことは科学者の報告からわかります。行く。

研究根拠

毛髪は主にケラチンタンパク質で構成されており、哺乳動物の皮膚の角質形成物です。実際、髪の毛、羊毛、毛皮は同義語です。髪の毛の構造は、ドミノ倒しのように、ケラチンの板が重なり合って構成されています。各髪には 3 つの層があります。キューティクルは外側の保護層です。コルテックス - 細長い死んだ細胞からなる皮質（髪の強度と弾力性にとって重要で、メラニンによって色が決まります）とメデュラ - 柔らかいケラチン細胞と空気腔からなる髪の中央層。他の層への栄養素の移動に関与します。

毛髪を垂直に分割すると、皮下セクション (シャフト) と皮下セクション (球根または根) が得られます。球根は毛包に囲まれており、その形状によって毛自体の形状が決まります。丸い毛包は真っ直ぐ、楕円形の毛包はわずかにカールしており、腎臓形の毛包はカールしています。

多くの科学者は、人類の進化はテクノロジーの進歩によって変化していると示唆しています。つまり、私たちの体の一部の器官や構造は徐々に初歩的なものになり、本来の目的を失ったものになります。これらの体の部分には、親知らず、虫垂、体毛が含まれます。言い換えれば、科学者たちは、時間の経過とともに、これらの構造は私たちの解剖学的構造から単に消えるだろうと信じています。これが真実かどうかを言うのは難しいですが、多くの一般人にとって、たとえば親知らずは、避けられない抜歯のために歯医者に行くものと考えられています。

いずれにせよ、人には毛が必要であり、毛は体温調節において重要な役割を果たさなくなったかもしれませんが、それでも美観には不可欠な部分です。世界の文化についても同じことが言えます。多くの国では、太古の昔から、髪はすべての強さの源であると考えられており、それを切ることは健康上の問題や人生の失敗の可能性と関連付けられていました。髪の神聖な意味は、古代部族のシャーマニック儀式から、より現代の宗教、作家、芸術家、彫刻家の作品へと移りました。特に、女性の美しさは、美しい女性の髪の見た目や描かれ方 (たとえば絵画など) と密接に関係していることがよくありました。

ヴィーナスの髪の毛がどれほど詳細に描かれているかに注目してください (サンドロ・ボッティチェッリ、「ヴィーナスの誕生」、1485 年)。

髪の文化的および美的側面を脇に置いて、科学者の研究について考えてみましょう。

毛髪は、何らかの形で多くの種の哺乳類に存在します。人間にとって、それらが生物学的な観点からはもはやそれほど重要ではないとしても、動物界の他の代表者にとって、羊毛と毛皮は重要な属性です。同時に、人間の毛髪と、たとえばゾウの毛髪は、基本的な構造の点では非常に似ていますが、違いはあります。それらの中で最も明白なのは寸法です。象の毛は私たちの毛よりもはるかに厚いですが、結局のところ、それほど強くはありません。

科学者たちはかなり長い間毛髪と羊毛を研究してきました。これらの研究の結果は、美容と医療の両方、そして軽工業（または、有名なカルギナ L.P. の言葉を借りれば「軽工業」）、より正確には繊維の分野で実装されました。さらに、毛髪の研究はケラチンに基づく生体材料の開発に大きく役立ち、前世紀の初めに石灰を使用して動物の角からケラチンを単離する方法を学びました。

このようにして得られたケラチンは、ホルムアルデヒドを添加することで強化できるゲルの作成に使用されました。その後、彼らは動物の角だけでなく、その毛皮や人間の毛髪からもケラチンを分離する方法を学びました。ケラチンをベースとした物質は、化粧品、複合材料、さらには錠剤のコーティングにも使用されています。

現在、耐久性があり軽量な材料を研究し、製造する業界が急速に発展しています。毛髪は、当然のことながら、この種の研究にインスピレーションを与える天然素材の 200 つです。羊毛と人毛の引張強さは 260 ～ 150 MPa の範囲であり、これは比強度 200 ～ 3 MPa/mg m-250 に相当します。これは鋼（3 MPa / mg m-XNUMX）とほぼ同等です。

髪の機械的特性の形成における主な役割は、マトリョーシカ人形を彷彿とさせるその階層構造によって演じられます。この構造の最も重要な要素は、グループ化されたマクロフィブリル (直径約 5 ～ 100 μm) で構成され、さらに中間フィラメント (0.2 nm) で構成される皮質細胞の内皮質 (直径約 0.4 μm、長さ 7.5 μm) です。直径 )、非晶質マトリックスに埋め込まれています。

毛髪の機械的特性、温度、湿度、変形に対する感受性は、皮質の非晶質成分と結晶質成分の相互作用の直接の結果です。人間の毛皮質のケラチン繊維は通常、伸びが高く、引張歪みは 40% を超えます。

このような高い値は、構造の巻き戻しによるものです。 а-ケラチン、および場合によってはその変化 b-ケラチン、長さの増加につながります（0.52 nmのヘリックスの完全な回転は、構成内で1.2 nmに引き伸ばされます） b）。これが、多くの研究がケラチンを合成の形で再現するために特にケラチンに焦点を当ててきた主な理由の 0.3 つです。しかし、すでに知られているように、髪の外層（キューティクル）はプレート（厚さ0.5〜40ミクロン、長さ60〜XNUMXミクロン）で構成されています。

これまでに科学者たちは、さまざまな年齢や民族の人々の毛髪の機械的特性に関する研究をすでに行ってきました。この研究では、さまざまな動物種、つまり人間、馬、クマ、イノシシ、カピバラ、ペッカリー、キリン、ゾウの毛髪の機械的特性の違いを研究することに重点が置かれました。

研究成果

画像 #1: 人間の毛髪の形態 (А - キューティクル; В - 皮質骨折;繊維の端を見せて、 С — 断層の表面。3 つの層が見えます。 D - 繊維の伸長を示す皮質の側面）。

成人の髪の毛の直径は約 80 ～ 100 ミクロンです。通常のヘアケアで、髪の外観は非常に全体的になります（1А）。人間の毛髪の内部構成要素は繊維質の皮質です。引張試験の後、人間の毛髪のキューティクルとコルテックスは異なる壊れ方をしていることが判明しました。キューティクルは典型的には摩耗的に（しわくちゃに）壊れ、コルテックスのケラチン繊維は剥がれて全体の構造から引き抜かれました（1V).

写真で 1S キューティクルの脆弱な表面は、重なり合ったキューティクルプレートであり、厚さ 350 ～ 400 nm の層を視覚化するとはっきりと見えます。破面で観察された層間剥離、およびこの表面の脆い性質は、キューティクルと皮質の間、および皮質内の繊維間の界面伝達が弱いことを示しています。

皮質のケラチン線維が剥離した（1D）。これは、繊維質の皮質が主に毛髪の機械的強度に関与していることを示唆しています。

画像 No. 2: 馬毛の形態 (А - キューティクル。ケアが不十分なために一部のプレートがわずかにずれています。 В - 破裂の外観; С - 皮質の破裂の詳細。引き裂かれたキューティクルが見える場所。 D - キューティクルの詳細)。

馬の毛の構造は人間の毛髪と似ていますが、直径が 50% 大きい (150 ミクロン) という点が異なります。写真の中の 2А キューティクルに明らかな損傷が見られますが、プレートの多くは人間の毛髪ほど密接にシャフトに接続されていません。ホースヘアの破損部位には、通常の破損とヘア ブレーク (キューティクル プレートの層間剥離) の両方が含まれます。の上 2V どちらのタイプの損傷も見られます。ラメラが完全に剥がれた領域では、キューティクルと皮質の間の界面が見えます（2S）。いくつかの繊維が引き裂かれ、界面で層間剥離が生じていた。これらの観察を以前の観察（人間の毛髪）と比較すると、このような失敗は、皮質の繊維が引き抜かれてキューティクルから完全に剥がれたときに、馬の毛が人間の毛ほど大きなストレスを受けなかったことを示しています。また、一部のプレートがロッドから剥がれていることもわかりますが、これは引張応力によるものと考えられます (2D).

画像 #3: クマの毛の形態 (А - キューティクル; В - 破裂領域に関連する 2 点の損傷。 С - 皮質の繊維の層間剥離を伴うキューティクルのひび割れ。 D - 繊維構造の詳細。一般的な構造からいくつかの細長い繊維が見えます)。

クマの毛の太さは80ミクロンです。キューティクルプレートは互いに非常にしっかりと付着しています（3А）、地域によっては個々のプレートを区別することさえ困難です。これは、隣の髪との摩擦が原因である可能性があります。引張応力がかかると、これらの毛は文字通り裂けて長い亀裂が生じます (挿入図)。 3B）、損傷したキューティクルの結合効果が弱いため、皮質のケラチン線維が剥離しやすいことがわかりました。皮質の層間剥離は、ジグザグの切れ目パターンで明らかなように、キューティクルで切れ目を引き起こします (3S）。この張力により、一部の線維が皮質から引き抜かれます（3D).

画像No.4：猪毛の形態（А - 通常の平坦なヘアライン骨折。 В — キューティクルの構造は、プレートの完全性（グループ化）が不十分な状態であることを示しています。 С — キューティクルと皮質の間の界面の隙間の詳細。 D - 繊維が全体の塊から伸び、フィブリルが突き出ている）。

猪の毛は、特に熊の毛と比べるとかなり太い（230mm）。傷んだ猪毛の破れがよくわかります（4А) 引張応力の方向に対して垂直。

比較的小さな露出したキューティクル プレートが、端の伸びにより毛髪本体から引き裂かれました (4V).

破壊ゾーンの表面では、繊維の層間剥離がはっきりと見られ、皮質内部で繊維が互いに非常に緊密に結合していることも明らかです (4S）。皮質とキューティクルの境界面にある繊維のみが分離により露出しました（4D）、厚い皮質原線維（直径250 nm）の存在が明らかになりました。変形によりフィブリルの一部がわずかに突出した。これらはイノシシの毛を強化する役割を果たすと考えられています。

画像 #5: 象の毛の形態 (А - С) とキリン (D - F). А - キューティクル; В - 段階的なヘアブレイク。 С - 毛髪内部の空洞は、繊維が引き裂かれた場所を示しています。 D - クチクラプレート; Е - 髪の毛が切れても; F - 破断領域の表面から繊維が引き裂かれています。

赤ちゃんゾウの毛の厚さは約 330 ミクロン、成体では 1.5 mm に達することがあります。表面のプレートは見分けにくい（5А).象の毛はまた、通常の損傷を受けやすいです。純粋な引張破壊まで。また、破断面の形態は階段状の外観を示します（5V）、おそらく毛皮質に軽度の欠陥が存在するためです。破断面にはいくつかの小さな穴も見られますが、そこにはおそらく損傷を受ける前に強化原線維が存在していたと思われます (5S).

キリンの毛もかなり太い (370 ミクロン) が、キューティクル プレートの配置はそれほど明確ではありません (5D）。これは、さまざまな環境要因（摂食時の木との摩擦など）による損傷によるものと考えられています。違いはあるものの、キリンの断毛はゾウのそれに似ていました(5F).

画像No.6：カピバラの毛の形態（А - プレートの二重クチクラ構造。 В — 二重構造の破壊。 С — 破断境界付近の繊維はもろくて硬いように見えます。 D - 二重構造の破断領域からの細長い繊維）。

カピバラとペッカリーの毛は、研究された他のすべての毛とは異なります。カピバラの主な違いは、二重キューティクル構成と楕円形の髪の形の存在です (6А）。毛の 2 つの鏡面部分の間にある溝は、動物の毛皮から水分をより早く除去するため、また通気性を良くして毛髪をより早く乾燥させるために必要です。伸長を受けると、毛髪は溝に沿って2つの部分に分かれ、それぞれの部分が破壊されます(6V）。皮質の多くの線維が分離されて伸びています (6S и 6D).

画像 #7: ペッカリーの毛の形態 (А - キューティクルの構造と破裂場所。 В - 皮質破壊の形態とその構造の詳細。 С — 独立気泡（直径 20 ミクロン）、壁は繊維で構成されています。 D - 細胞壁）。

ペッカリー（家族） タヤスイ科、つまりペッカリー) 毛髪は多孔質の皮質を持ち、キューティクル層には明確なプレートがありません (7А）。毛皮質には 10 ～ 30 ミクロンの独立した細胞が含まれています (7V)、その壁はケラチン繊維で構成されています(7S）。これらの壁は非常に多孔質で、0.5 つの孔のサイズは約 3 ～ XNUMX ミクロンです (7D).

写真のように 7А、繊維皮質のサポートがないと、破断線に沿ってキューティクルに亀裂が入り、場所によっては繊維が引き抜かれてしまいます。この毛の構造は、毛をより垂直にし、視覚的に動物のサイズを大きくするために必要であり、これはペッカリーの防御機構である可能性があります。ペッカリーの毛は圧縮には非常によく耐えますが、伸びることには対応できません。

さまざまな動物の毛髪の構造的特徴と、張力による損傷の種類を理解した科学者は、機械的特性を説明し始めました。

画像 No. 8: 各毛髪の変形図とデータを取得するための実験装置の図 (ひずみ速度 10-2 s-1)。

上のグラフからわかるように、異なる動物種の毛の伸長に対する反応はまったく異なりました。このように、人、馬、猪、熊の毛髪は羊毛（他人の毛ではなく繊維素材）の反応と同様の反応を示しました。

3.5 ～ 5 GPa の比較的高い弾性率では、曲線は線形 (弾性) 領域で構成され、その後、0.20 ～ 0.25 のひずみまで応力がゆっくりと増加するプラトーが続き、その後、硬化速度は大幅に増加し、破壊ひずみは0.40。プラトーエリアとは、リラックスした状態を指します。 а-ケラチン中間フィラメントのらせん構造。場合によっては（部分的に）変形する可能性があります。 b-シート（フラット構造）。完全に巻き戻すと、変形は 1.31 になります。これは、この段階の終了時 (0.20 ～ 0.25) よりも大幅に高くなります。

構造の結晶性の糸状部分は、変形しない非晶質マトリックスに囲まれています。アモルファス部分は全体積の約 55% を占めますが、これは中間フィラメントの直径が 7 nm で、それらが 2 nm のアモルファス材料によって分離されている場合に限ります。このような正確な指標は以前の研究で導出されています。

変形の硬化段階では、皮質繊維間だけでなく、ミクロフィブリル、中間フィラメント、非晶質マトリックスなどのより小さな構造要素間でも滑りが発生します。

キリン、ゾウ、ペッカリーの毛は比較的直線的な硬化反応を示し、プラトーと急速硬化領域 (ピーク) の間に明確な区別はありません。弾性率は比較的低く、約 2 GPa です。

他の種とは異なり、カピバラの毛は、連続的にストレスがかかると急速に硬化するという反応を示します。この観察は、カピバラの毛の異常な構造、より正確には、2つの対称的な部分とそれらの間にある縦方向の溝の存在に関連しています。

異なる動物種において、毛の直径が大きくなるにつれてヤング率（縦弾性係数）が減少することを示す以前の研究がすでに行われている。これらの研究では、ペッカリーのヤング率が他の動物よりも大幅に低いことが指摘されており、これはその毛構造の多孔性によるものである可能性があります。

ペッカリーの毛には黒と白の両方の部分がある（2色）のも興味深いです。引張破断は、髪の白い部分で最も頻繁に発生します。黒い部分の抵抗力の増加は、黒い髪にのみ見られるメラノソームの存在によるものです。

これらの観察はすべて実にユニークですが、主な疑問は残ります。髪の寸法はその強度に影響を与えるのでしょうか?

哺乳類の毛について説明すると、研究者に知られている主な事実を強調することができます。

• ほとんどの種類の髪では、中央部分が太くなり、端に向かって先細になります。野生動物の毛皮は、その生息地のために厚くなっています。
• ある種の毛の直径にばらつきがあるということは、ほとんどの毛の太さがその動物種の一般的な太さの範囲内で異なることを示しています。毛の太さは同じ種の代表者間で異なる可能性がありますが、この違いがどのような影響を与えるのかはまだ不明です。
• 哺乳類の種類が異なれば、毛の太さも異なります（ありきたりな言い方かもしれませんが）。

これらの公的に入手可能な事実と実験中に得られたデータを合計することで、科学者はすべての結果を比較して、毛髪の太さと強度との関係を形成することができました。

画像 No. 9: さまざまな動物種における毛の太さと強度の関係。

毛髪の直径と伸長性には違いがあるため、科学者らは、サンプルサイズと結果として生じる欠陥サイズの違いを具体的に説明できるワイブル統計に基づいて毛髪の引張応力を予測できるかどうかを確認することにしました。

ボリュームのある髪セグメントが想定されます。 V состоитиз n 体積の要素と各単位体積 V0 同様の欠陥の分布があります。特定の電圧レベルでの最も弱いリンクの仮定を使用する σ 確率 P ボリュームのある特定のヘアセグメントの完全性を維持する V は、各体積要素の整合性が維持される追加確率の積として表すことができます。つまり、次のようになります。

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

ボリュームはどこにありますか V n 個のボリューム要素が含まれています V0。電圧が上がると P(V）自然に減っていきます。

2 パラメーターのワイブル分布を使用すると、ボリューム全体の故障確率は次のように表すことができます。

1 - P = 1 - exp [ -V/V0 ・（σ/σ0)m]

どこ σ — 印加電圧、 σ0は特性（基準）強度、 m — ワイブル係数。特性の変動性の尺度です。サンプルサイズが増加すると破壊の確率が増加することは注目に値します V 定電圧で σ.

チャート上 9А 人間とカピバラの毛髪の実験失敗応力のワイブル分布が示されています。他の種の曲線は、人間の毛髪と同じ m 値を使用して式 #2 を使用して予測されました (m = 0.11）。

使用した平均直径は、イノシシ - 235 μm、馬 - 200 μm、ペッカリー - 300 μm、クマ - 70 μm、ゾウの毛 - 345 μm、およびキリン - 370 μm でした。

破壊応力は次のように決定できるという事実に基づいて、 P(V) = 0.5、これらの結果は、種間で毛髪の直径が増加するにつれて破壊応力が減少することを示しています。

チャート上 9V 破損確率 50% での予測破断応力を示します (P(V) = 0.5)、およびさまざまな種の平均実験破壊応力。

毛髪の直径が 100 mm から 350 mm に増加するにつれて、その破断応力は 200 ～ 250 MPa から 125 ～ 150 MPa に減少することが明らかです。ワイブル分布シミュレーションの結果は、実際の観測結果とよく一致しています。唯一の例外はペッカリーの毛で、非常に多孔質です。ペッカリーの毛の実際の強度は、ワイブル分布モデルで示される強度よりも低くなります。

研究のニュアンスをより詳しく知りたい場合は、以下を参照することをお勧めします。 科学者の報告 и 追加資料 彼に。

フィナーレ

上記の観察の主な結論は、太い髪は強い髪と同等ではないということです。確かに、科学者自身が言うように、金属線の研究時に同様の観察が行われたため、この声明は千年紀の発見ではありません。ここで重要なのは、物理学、力学、生物学でさえなく、統計学です。オブジェクトが大きいほど、欠陥の範囲は大きくなります。

科学者たちは、今日レビューした研究が同僚の新しい合成材料の作成に役立つと信じています。主な問題は、現代の技術が発達しているにもかかわらず、人間や象の毛のようなものをまだ作ることができないことです。結局のところ、その複雑な構造は言うまでもなく、これほど小さなものを作成することはすでに困難です。

ご覧のとおり、この研究は、クモの糸が将来の超強力かつ超軽量材料のインスピレーションとして科学者の注目に値するだけでなく、人間の毛髪もその機械的特性と驚くべき強度で驚くべきものであることを示しました。

読んでいただきありがとうございます。好奇心を持ち続けて、素晴らしい一週間をお過ごしください。 🙂

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出所： habr.com