对于现代人而言，头发无非是视觉自我识别的要素，是图像和图像的一部分。 尽管如此，这些角质皮肤结构仍具有一些重要的生物学功能：保护，温度调节，触感等。 我们的头发有多强？ 事实证明，它们比大象或长颈鹿的头发强很多倍。
今天，我们将与您会面进行一项研究，来自美国加利福尼亚大学的科学家决定研究在包括人类在内的不同动物物种中毛发的厚度及其强度如何相关。 谁的头发被证明是最耐用的，不同类型的头发具有哪些机械性能，这项研究如何帮助开发新型材料？ 我们从科学家的报告中了解到这一点。 走吧
学习基础
头发主要由角蛋白组成，是哺乳动物的角质皮肤。 实际上，头发，羊毛和毛皮是同义词。 在结构上，头发由角蛋白板组成，这些角蛋白板彼此重叠，就像多米诺骨节彼此掉落一样。 每根头发分为三层：表皮-外层和保护层； 皮层-一种由伸长的死细胞组成的皮质物质（对于头发的强度和弹性很重要，取决于黑色素而决定其颜色），而髓质-头发的中央层，由柔软的角蛋白细胞和空洞组成，参与营养物质向他人的转移层。
如果将头发垂直分开，则可以得到皮肤区域（杆状）和皮下区域（鳞茎或根部）。 鳞茎被一个毛囊围绕，毛囊的形状取决于毛囊的形状：圆形毛囊-笔直的椭圆形毛囊-略微卷曲，肾形毛囊-卷曲。
许多科学家认为，由于技术进步，人类的进化正在发生变化。 就是说，我们体内的某些器官和结构正逐渐变得简陋-那些已经失去了预期的目的。 身体的这些部位包括智齿，阑尾和发际线。 换句话说，科学家相信，随着时间的流逝，这些结构将从我们的解剖结构中消失。 不管是真的，还是很难说，但是对于许多普通百姓来说，例如，智齿就与去看牙医不可避免地拔牙有关。
尽管如此，一个人需要头发，也许它们不再在温度调节中起关键作用，但在美学上它们仍然是不可或缺的一部分。 关于世界文化也可以这样说。 在许多国家，从远古时代开始，头发就被认为是所有力量的来源，而包皮环切术可能会导致健康问题，甚至导致生命衰竭。 头发的神圣含义从古代部落的萨满教风向更现代的宗教，作家，艺术家和雕刻家的作品迁移。 特别是，女性美通常与可爱女士的头发的外观或描绘方式密切相关（例如，在绘画中）。
注意金星的头发有多细（Sandro Botticelli，《金星的诞生》，1485年）。让我们抛开头发的文化和美学方面，继续进行科学家研究。
一种形式或另一种形式的头发存在于多种哺乳动物中。 如果从生物学的角度来看，对于人类而言它们不再那么重要，那么对于动物界的其他代表而言，羊毛和毛皮是至关重要的属性。 而且，在人类头发和例如大象的头发的基本结构上非常相似，尽管有所不同。 其中最明显的是尺寸，因为大象的头发比我们的头发浓密得多，但事实证明，它并不坚固。
科学家已经研究头发和羊毛很长时间了。 这些工作的结果不仅在美容和医学领域，而且在轻工业（或者，正如众所周知的Kalugina L.P .：“轻工业”所说）中实现，或者在纺织工业中实现。 此外，对头发的研究极大地促进了基于角蛋白的生物材料的发展，上世纪初，人们开始用石灰将其与动物的角分开。
如此获得的角蛋白用于产生可通过添加甲醛而增强的凝胶。 后来，他们学会了将角蛋白不仅从动物的角中分离出来，而且从他们的头发以及人发中分离出来。 已发现基于角蛋白的物质已应用于化妆品，复合材料，甚至用于片剂的包衣中。
如今，研究和生产坚固轻质材料的行业正在迅速发展。 从本质上讲，头发是激发这种研究的天然材料之一。 羊毛和人发的拉伸强度在200到260 MPa之间，相当于150-200 MPa / mg m
-3的比强度。 这几乎可以与钢（250 MPa / mg m
-3 ）相媲美。
头发的机械特性形成中的主要作用是通过类似于嵌套娃娃的层次结构来发挥的。 该结构最重要的元素是皮质细胞的内皮质（直径约5μm，长度100μm），由成组的粗纤维（直径约0.2-0.4μm）组成，而后者又由中间细丝（直径7.5 nm）组成）嵌入无定形矩阵中。
头发的机械性能，它们对温度，湿度和变形的敏感性是皮质中无定形和结晶成分相互作用的直接结果。 人发皮层角蛋白纤维通常具有更大的拉伸性能，拉伸应变超过40％。
如此高的值是由于
α-角蛋白的结构解开，在某些情况下，其转化为
β-角蛋白导致长度增加（0.52 nm的完整螺旋旋转扩展到结构
b中的 1.2 nm）。 这是为什么许多研究专注于角蛋白以便以合成形式重建它的主要原因之一。 但是，众所周知，头发的外层（表皮）由板组成（厚0.3–0.5μm，长40–60μm）。
以前，科学家已经对不同年龄和种族的人的头发的机械特性进行了研究。 在这项工作中，重点放在研究不同种类动物的头发的机械特性上的差异，即：人，马，熊，野猪，水豚，面包师，长颈鹿和大象。
研究成果
图片编号1：人发的形态（ A-角质层； B-皮质断裂；显示了纤维的末端； C-可见三层的断裂表面； D-皮质的侧面显示了纤维的伸长）。成人头发的直径约为80-100微米。 在正常的头发护理下，它们的外观相当整体（
1A ）。 人发的内部成分是纤维皮质。 经过拉伸试验，发现人发的表皮和皮层折断的方式不同：表皮通常会磨破（碎裂），皮层中的角蛋白纤维从一般结构上剥落并伸出（
1B ）。
在图片
1C中 ，通过重叠角质层板且厚度为350-400 nm的层的可视化，可以清楚地看到角质层的脆弱表面。 观察到的在断裂表面上的分层以及该表面的脆性表明在表皮和皮质之间以及在皮质内部的纤维之间存在弱的界面连接。
皮层中的角蛋白纤维被分层（
一维 ）。 这表明纤维皮质主要负责头发的机械强度。
图片2：马毛的形态（ A-角质层，由于缺乏护理而有些板略有偏离; B-缝隙的外观; C-可见角质层撕裂的皮质破裂细节; D-角质层细节）。马毛的结构与人类相似，只是直径大了50％（150微米）。 在图
2A中，您可以看到明显的表皮损伤，其中许多板与人的头发之间的连接不紧密。 马毛的断裂包括规则的断裂和毛发的断裂（表皮板的分层）。 在
2B上，两个损坏选项均可见。 在板完全撕下的区域中，表皮和皮质（
2C ）之间的界面可见。 几根纤维被撕裂并在界面区域分层。 将观察数据与先前的观察数据（人发）进行比较，这种破坏表明，当皮层中的纤维拉长并完全脱离表皮时，马的头发不会像人的头发一样受到强烈的拉力。 还可以看到，某些板与杆断开连接，这可能是由于张应力（
2D ）所致。
图片3：熊毛的形态（ A-角质层; B-与断裂区域相关的两点损伤; C-角质层破裂，皮层中的纤维分层; D-纤维结构的细节，从总体结构中可以看到一些细长的纤维）。熊毛的厚度为80微米。 角质层板非常紧密地彼此附接（
3A ），并且在某些区域甚至难以区分各个板。 这可能是由于头发在相邻头发上的摩擦。 在拉伸应力下，这根头发实际上会裂开，并出现长裂缝（插入
3B ），这表明，由于受损表皮的弱结合作用，皮层中的角蛋白纤维很容易分层。 皮层分层会在角质层上造成缝隙，如之字形断裂模式所示（
3C ）。 该应力导致一些纤维从皮质（
3D ）中拉出。
图片编号4：野猪毛的形态（ A-普通的扁平毛发骨折； B-角质层结构显示出较差的板完整性（分组）； C-角质层与皮质之间的界面间隙的细节； D-纤维从总质量中伸出并伸出的纤维） 。野猪毛很浓密（230微米），尤其是与熊毛相比。 损伤期间公猪毛发的断裂看起来与拉伸时的拉伸方向垂直非常明显（
4A ）。
相对较小的裸露角质层板由于其边缘的拉伸而从头发主体上撕下（
4B ）。
在骨折区域的表面上清晰可见纤维的分离；还可以看到它们在皮质（
4C ）内部紧密相连。 由于分离（
4D ），仅暴露了皮质和角质层之间的界面处的纤维，这表明存在厚的皮质原纤维（直径为250 nm）。 由于变形，一些原纤维略微突出。 据信它们可作为野猪的补强毛。
图片5：大象毛（ A - C ）和长颈鹿（ D - F ）的形态。 A-角质层; 步入式断发； C-头发内部的空隙表示纤维被撕破的位置。 D-角质层板; E-头发均匀断裂； F-纤维从断裂区域的表面撕下。大象小牛的头发可以长约330微米，成人则可以达到1.5毫米。 表面上的板块难以区分（
5A ），大象的头发也容易受到正常破坏，即 在张力下达到纯断裂。 此外，断裂表面的形态表现为阶梯状（
5B ），这可能是由于在毛发皮质中存在较小的缺陷所致。 在断层的表面上，您还可以看到一些小孔，在损坏之前可能已经找到了增强纤维（
5C ）。
长颈鹿的头发也很厚（370微米），尽管角质层板的位置不是很清晰（
5D ）。 据信，这是由于它们受到各种环境因素的损害（例如，进食过程中对树木的摩擦）。 尽管存在差异，但长颈鹿的头发骨折与大象（
5F ）相似。
图像6：水豚毛的形态（ A是板的双表皮结构; B是双结构的泪液; C是在撕裂线附近出现脆性和僵硬的纤维; D是从双结构的泪液区出来的细长纤维）。头发水豚和面包师不同于所有其他头发。 在水豚中，主要区别在于存在双表皮构造和椭圆形的头发形状（
6A ）。 毛发的两个镜像部分之间的凹槽对于更快地从动物毛发中去除水分以及更好的通风（使它更快地干燥）而言是必需的。 当受到拉伸时，头发沿着凹槽被分为两部分，并且每个部分都被破坏（
6B ）。 许多皮质纤维被分层和拉伸（
6C和
6D ）。
7号图像：胸腔毛发形态（ A-角质层结构和破裂部位; B-皮质破坏形态及其结构细节; C-闭孔（直径20μm），其壁由纤维组成; D-细胞壁）。在面包师（
Tayassuidae家族，即野猪）中，头发具有多孔皮层，并且表皮层没有透明的板（
7A ）。 毛发皮质包含10-30微米（
7B ）的闭孔，其壁由角蛋白纤维（
7C ）组成。 这些壁非常多孔，一个孔的大小约为0.5-3μm（
7D ）。
如在图
7A中可见，在没有纤维皮质的支撑的情况下，角质层沿着破裂线破裂，并且纤维在某些地方被拉伸。 为了使头发更垂直，在视觉上增加动物的大小，这种头发结构是必需的，这可以是面包师的保护机制。 面包师的头发可以很好地抵抗压迫，但不能应付拉伸。
在处理了不同动物的头发的结构特征以及由于张力造成的损伤类型之后，科学家开始描述其机械性能。
第8张图片：每种头发的应变图和用于获取数据的实验装置（应变速率10 -2 s -1 ）。从上图可以看出，不同动物物种对头发的拉伸反应是完全不同的。 因此，人，马，野猪和熊的头发表现出类似于羊毛的反应（不是别人的，而是纺织材料）。
相对较高的弹性模量等于3.5–5 GPa，曲线由线性（弹性）区域组成，随后是平稳阶段，其应力在变形前为0.20–0.25时缓慢增加，此后硬化速率显着增加，直到断裂应变为0.40。 高原区域是指角蛋白中间丝的
α-螺旋结构的展开，其在某些情况下可以（部分）变成
b-片（扁平结构）。 完全展开会导致变形1.31，这比该阶段结束时的变形高（0.20-0.25）。
结构的结晶丝状部分被不变形的无定形基质包围。 无定形部分占总体积的约55％，但是仅在中间丝的直径为7nm并且它们被2nm的无定形材料分开的条件下。 这样的准确指标是在以前的研究中得出的。
在以硬化为特征的变形阶段，皮质纤维之间以及较小的结构元素（如微纤维，中间丝和无定形基质）之间会滑动。
长颈鹿，大象和面包师的头发表现出相对线性的硬化反应，而高原和快速硬化区域（峰值）之间没有明显区别。 弹性模量相对较低，约等于2 GPa。
与其他物种不同，水豚头发表现出以快速硬化为特征的反应，在其上施加连续的应变。 该观察结果与水豚毛的异常结构有关，更确切地说，与两个对称部分以及它们之间的纵向凹槽有关。
较早的研究表明，在不同的动物物种中，杨氏模量（纵向弹性模量）随着毛发直径的增加而降低。 在这些作品中，注意到面包师的杨氏模量比其他动物的杨氏模量低得多，这可能是由于其头发结构的孔隙率所致。
有趣的是，面包师的头发上有黑白两色（两种颜色）。 撕裂最常发生在头发的白色区域。 黑色区域增加的稳定性可以通过黑色素的存在来解释，黑色素仅存在于黑发中。
所有这些观察结果确实是独一无二的，但主要问题仍然存在-头发的尺寸是否在其强度中起作用？
如果您描述哺乳动物的头发，则可以突出研究人员已知的主要事实：
- 大多数头发类型在中央部分较浓密，并朝末端逐渐变细。 由于它们的栖息地，野生动物的外皮较厚；
- 一个物种的毛发直径变化表明，大多数毛发的厚度在给定动物物种的总厚度范围内变化。同一物种的不同代表的毛发厚度可能会有所不同，但是，这种差异会影响什么仍是未知的。
- 不同类型的哺乳动物具有不同的头发粗细（无论听起来多么陈旧）。
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