Волосы — привилегия млекопитающих. Многие считают, что растительность на теле человека — всего лишь рудимент, но это совсем не так. Мы не «голые обезьяны»: люди почти так же «волосаты», как и их ближайшие родственники шимпанзе. Волосы покрывают всё наше тело, за исключением ладоней рук и подошв ног [1]. Просто многие из них незаметны, потому что очень тонкие, короткие и практически бесцветные. Те же, что на виду, могут многое рассказать о состоянии здоровья, возрасте (вспомним о седине) и даже индивидуальности человека. Красивая прическа помогает понравиться окружающим, привлекать представителей противоположного пола и показать свой социальный статус. Не случайно онкологических пациентов, которым предстоит курс химиотерапии, сильнее всего волнует один из самых безобидных побочных эффектов — выпадение волос. Ведь это то, что сразу бросается в глаза [2, 3, 4]. У волос есть и физиологические функции:
- На голове они защищают от солнечных лучей [5, 6].
- Ресницы и брови, в свою очередь, — защищают глаза от пота и пыли [7].
- В носу и ушах — спасают от пыли, болезнетворных микробов и мелких инородных частиц [8].
- Когда тела человека касается какой-нибудь предмет, волосы сгибаются, и активируются нервные окончания, опутывающие волосяные фолликулы. Отсюда вытекает еще одна функция — сенсорная [9, 10].
- Волосы усиливают запах. Там, где на теле больше всего волосяных фолликулов (например, в подмышечных впадинах), обычно сконцентрированы апокриновые потовые железы. Они выделяют секрет, богатый жирами. Эти жиры расщепляются бактериями, и в итоге возникает запах. За счет волос общая площадь поверхности, к которой могут прикрепиться микроорганизмы, увеличивается. Больше бактерий — насыщеннее «аромат». У некоторых людей он сильный и неприятный, но в целом играет полезную биологическую роль. Исследования показывают, что запах тела влияет на симпатии и даже выбор половых партнеров [11, 12].
«Волосатая родословная»: как и почему млекопитающие приобрели густой волосяной покров, а потом люди его потеряли?
В современном мире шерсть есть только у млекопитающих. Однако это еще не означает, что они первые обзавелись волосами. Например, перья красовались на теле многих динозавров, а потом их потомки — птицы — приспособили это приобретение, чтобы подняться в воздух. Так же могло произойти и с мехом.
Млекопитающие входят в еще более обширную группу животных — синапсидов (остальные ее представители вымерли). Долгое время ученые считали доисторических животных-немлекопитающих из этой группы, например, диметродона, родственниками рептилий и называли звероящерами. Но потом выяснилось, что к млекопитающим эти существа намного ближе, чем к ящерицам и динозаврам. Сейчас их называют первичными млекопитающими, или протомлекопитающими. У современных ученых есть основания полагать, что именно эти существа впервые обзавелись волосами, но какие из них именно и когда — большой вопрос.
К сожалению, в большинстве случаев для изучения доисторических животных доступны лишь скелеты. По одним только костям сложно составить подробный «фоторобот». Но некоторые подсказки исследователям неожиданно подарили черепа.
В центре внимания ученых оказалась сенсорная функция волос. Когда мозг получает больше сигналов от прикосновений, в нем должен увеличиваться неокортекс — самая эволюционно новая часть коры. Об этом можно косвенно судить по строению черепа. В 2011 году исследователи из США обнаружили, что неокортекс был большим еще у животных Morganucodon и Hadrocodium, живших около 200 миллионов лет назад. Есть все основания полагать, что шерсть появилась до того, как млекопитающие выделились в отдельную группу [13].
Пролить свет на происхождение первого меха помогает и генетика. Известно, что в состав волос входят кератины — белки, которые, объединяясь друг с другом, образуют длинные плотные нити. Кератины бывают разных видов, которые несколько отличаются друг от друга по химической структуре и свойствам — в зависимости от того, в каких частях тела находятся и какие функции выполняют. Те, из которых состоят волосы млекопитающих, отличаются от присутствующих в чешуе, когтях, перьях и клювах птиц и пресмыкающихся. В 2008 году ученые из Венского университета сообщили в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, что эволюция волос началась с… когтей древнейших рептилий!
Исследователи решили сравнить гены человека, курицы, ящерицы анолис и найти среди них те, что кодируют «волосяные» кератины. У ящерицы таких генов обнаружилось шесть, у курицы — один. Среди шести «рептильных» генов с двух информация наиболее активно считывается в пальцах, из чего можно заключить, что эти кератины нужны для когтей. Четыре остальных, видимо, участвуют в формировании чешуи. Назначение кератинового гена у куриц пока остается неясным.
Ученые пришли к выводу, что еще древнейшие предки всех ящериц и динозавров носили в своих когтях кератины, из которых потом получились волосы. Гипотетически эти общие предки жили на нашей планете 310 миллионов лет назад. Авторы исследования утверждают, что сначала эволюция создала когти, потом «переделала» их в чешуйки, а еще позже — в шерсть. Таким образом, современные волосы уходят своими генетическими «корнями» на сотни миллионов лет назад [14, 15, 16].
Почему же люди практически избавились от приобретения, оказавшегося столь ценным для наших далеких предков? На этот счет существует несколько гипотез. Если вкратце, то таким образом первые homo решили проблему с эктопаразитами, терморегуляцией и половым отбором (мужчинам, видимо, всегда больше нравились женщины без растительности на теле). Волосы остались лишь там, где они нужны больше всего [17, 18, 19, 20, 21].
Такие разные волосы
На теле взрослого человека в среднем находится 5 миллионов волос [22]. Их толщина колеблется от 0,005 до 0,6 мм, а длина может достигать 2 метров [23]. Волосы растут со скоростью примерно 0,35 мм в день, и 100−200 из них ежедневно выпадает [24, 25]. Они есть везде, кроме ладоней и подошв. При этом волосы бывают разных типов:- Пушковые покрывают практически всё тело. Они короткие, тонкие, практически бесцветные. Их можно заметить разве что если очень хорошо всматриваться.
- Длинные волосы находятся на голове, в области подмышек, промежности, половых органов. У мужчин они образуют бороду и усы, могут покрывать грудь, живот, спину, руки и ноги. Число длинных волос на голове колеблется от 90 до 150 тысяч [26].
- Щетинистые волосы короткие, жесткие, толстые. У детей они находятся только на ресницах и бровях, у взрослых — еще и в наружном слуховом проходе, в носу, в области ануса. Ресницы в среднем состоят из 400 волосков, брови — из 600. Длинные и щетинистые волосы часто объединяют под общим термином «терминальные волосы» [27, 28].
- Блондины — 150 тысяч;
- Шатены — 110 тысяч;
- Люди с темными волосами — 100 тысяч;
- Рыжеволосые — 90 тысяч [29].
Волосы на голове принято делить на три основных типа:
- «Азиатские» — прямые, жесткие, гладкие, блестящие, имеют круглое сечение и с трудом поддаются окрашиванию.
- «Европейские» — средней толщины, волнистые, имеют более овальное сечение.
- «Африканские» — с овальным сильно вытянутым сечением, вьющиеся. Считается, что они плохо смазываются кожным салом и склонны к сухости, повышенной ломкости.
Цвет волос: почему менделевская генетика работает не всегда?
Со школьной скамьи всем известно, что бывают гены доминантные (более «сильные») и рецессивные («слабые»). Если ребенок получил от родителя две разные копии гена, то в его внешности проявится доминантная. Классический пример: карий цвет глаз «побеждает» голубой (хотя, это упрощенная схема — с цветом глаз тоже всё не так просто). Эта логика работает, если на сцене только две разные копии одного гена, и они проявляются в фенотипе (внешности) по принципу «всё или ничего». Но в реальности всё сложнее.
Цвет волос, как и кожи, зависит от присутствия пигмента меланина. А он бывает разных типов:
- Эумеланин — темный пигмент. Выделяют две его разновидности: одна придает волосам черный цвет, другая — темно-коричневый.
- Феомеланин — желто-оранжевый пигмент. Он делает волосы рыжими (рис. 1).
Первая сложность с менделевской генетикой возникает из-за того, что количество и сочетание разных типов меланина в волосах — показатели весьма вариабельные (табл. 2). Уже один только эумеланин может делать волосы более светлыми или темными, в зависимости от того, сколько его. Когда эумеланин сочетается с феомеланином, то маскирует его, но не полностью. Каштановые «эумеланиновые» волосы могут приобретать теплые, золотистые тона, благодаря феомеланину. Во-вторых, количество пигмента с возрастом способно меняться, и речь тут не о седине. Например, ребенок может родиться со светлыми волосами, а у подростка они станут более темными. В-третьих, за цвет волос отвечает не один, а множество генов. И не все они хорошо изучены [32].
* По оценкам ученых, более чем у 90% людей в мире волосы черного или каштанового цвета [34].
Лучше всего изучен ген, регулирующий производство меланина, под названием MC1R. В нем закодирована структура белка рецептора меланокортина 1. Этот белок — важное звено в цепочке производства меланина. Когда рецептор меланокортина 1 активен, он запускает в клетках-меланоцитах цепочку биохимических реакций, и синтезируется эумеланин. Если ген MC1R не работает, то клетки синтезируют феомеланин. Если человеку достались нерабочие копии MC1R от обоих родителей, то он будет рыжим.
Весь же спектр оттенков волос регулируется многими другими генами: ASIP, DTNBP1, GPR143, HPS3, KITLG, MLPH, MYO5A, MYO7A, OCA2, SLC45A2, SLC24A5, TYRP1, TYR, ERCC6, GNAS, HERC2, IRF4, OBSCN, SLC24A4, TPCN2, MITF. И это неполный список. Тут еще остается простор для новых открытий.
Как устроен человеческий волос?
Каждый волос состоит из двух частей: стержня и корня. Стержень — это то, что видно над поверхностью кожи. Корень скрыт внутри и достигает гиподермы (рис. 2) [35].
Стержень волоса состоит из трех слоев (рис. 3):
Мозговое вещество находится в центре и состоит из клеток полигональной (многоугольной) формы. В них содержатся гранулы с трихогиалином. Молекулы этого белка, соединяясь между собой и с кератином, образуют каркас и обеспечивают правильную форму сечения волоса [37]. Еще в клетках мозгового вещества есть немного пузырьков газа и гранул с пигментом. Ороговение в этом слое происходит медленно. В корне волоса ниже протока сальной железы под микроскопом можно рассмотреть «полуживые» клетки со сморщенными разрушающимися ядрами. Выше в стержне клетки уже полностью ороговевшие. Мозговое вещество хорошо выражено только в терминальных волосах [38, 39].
Корковое вещество — это, собственно, то, из чего в основном и состоит волос. Именно этот слой придает волосам прочность, эластичность и обеспечивает их цвет. Здесь находятся ороговевшие клетки в форме веретен. Диаметр каждого такого веретена составляет 1−6 мкм, а в длину они по 50−100 мкм, то есть с десятую часть миллиметра. В этих роговых чешуйках содержится много кератина — белка, уступающего по прочности среди биологических материалов лишь хитину (в него «одеты» членистоногие). Еще в чешуйках есть зерна с пигментом, полученным от клеток-меланоцитов, и пузырьки газа [40, 41].
Мало ученым одного коркового слоя, они решили выделить в нем дополнительные слои: ортокортекс, паракортекс и мезокортекс. Такое деление возникло не из-за вкусовщины, у него есть практический смысл. Например, от того, насколько симметрично распределена толщина этих слоев, зависит форма сечения волос (круглая или овальная) [42].
Кутикула — наружный слой волоса, плотно прилегающий к корковому веществу. Ближе к волосяному фолликулу она состоит из клеток цилиндрической формы, а выше — из плоских квадратных роговых чешуек, наложенных друг на друга в виде черепицы. В них много прочного кератина, но нет пигмента. Нижний край каждой чешуйки прикрыт соседней, а верхний (дистальный) свободен. За счет такого строения кутикула защищает волос от физических факторов и химических веществ, способствует удалению с них грязи и отмерших клеток [43, 44].
Корень волоса состоит из эпителиальных клеток. Постепенно ороговевая, эти клетки формируют мозговое и корковое вещества и кутикулу. На конце корня находится расширение, оно называется волосяной луковицей. Ее окружают наружное и внутреннее эпителиальные (волосяные) влагалища. Причем, во внутреннем выделяют еще три слоя: кутикулу, слой Хаксли и слой Хенде. Вместе эти структуры составляют волосяной фолликул, а он, в свою очередь, окружен волосяной сумкой — влагалищем из соединительной ткани. Снизу в волосяную луковицу вдается волосяной сосочек, структура из соединительной ткани, в которой проходят кровеносные сосуды (рис. 4) [46, 47].
Волосяная луковица — это матрица, то есть именно за счет нее происходит рост волоса, потому что в ней находятся клетки, способные к размножению. Тут же находятся клетки-меланоциты, обеспечивающие волосы пигментом [48, 49].
Там, где стержень волоса переходит в корень, в эпидермисе есть углубление — воронка. В нее открывается проток сальной железы (иногда один, а иногда несколько). Ниже находится мышца, поднимающая волос. Она проходит в косом направлении и сокращается, когда холодно. Этот древний в эволюционном смысле механизм помогал животным согреваться, «поднимая» шерсть. Кроме того, считается, что мышца, поднимающая волос, за счет периодических сокращений помогает поддерживать целостность и стабильность волосяного фолликула, но механизм этого эффекта пока не изучен [50, 51, 52].
К волосам подходят чувствительные и симпатические нервы. Они обеспечивают восприятие прикосновений, боли, регулируют цикл роста волос [53, 54].
Фазы роста
Каждый волосяной фолликул проходит через повторяющиеся циклы роста, включающие три стадии: анаген, катаген и телоген.Анаген еще называют фазой пролиферации, это самая долгая стадия. Во время неё формируется новый фолликул, а затем он «отращивает» стержень волоса. Длительность анагена бывает разной: например, для волос на голове она составляет 2−6 лет, на руках — 2−3 месяца, на ногах — 6 месяцев, для бровей и ресниц — несколько месяцев. В анагене выделяют шесть этапов:
- В клетках волосяного сосочка усиливается синтез РНК и они увеличиваются в размерах.
- Одновременно начинает расти нижняя часть фолликула, и постепенно она покрывает сосочек.
- Далее клетки матрицы продолжают размножаться и формируют структуру в виде конуса.
- В меланоцитах синтезируется меланин. Ниже устья сальной железы формируется кератогенная зона, в которой происходит ороговение клеток.
- Будущий стержень волоса вырастает настолько, что возвышается над корневым влагалищем.
- Шестой этап называется метанагеном. Он начинается, когда волос возвышается над поверхностью кожи, и продолжается до следующей стадии — катагена. Именно от того, сколько длится метанаген, зависит длина волоса [56].
Телоген — фаза покоя. Волос пока еще прикреплен к коже, но по сути это уже мертвая структура. Примерно через 100 дней он выпадает (нередко когда уже завершается анаген следующего цикла). Интересный факт: если удалить волос на стадии телогена (такие волосы легко выпадают и вычесываются), то анаген продолжится, и он вырастет снова. И это частая причина разочарований в эпиляции, когда не удается добиться быстрого эффекта [59, 60, 61].
Изменения волос во время старения
С возрастом замедляется скорость роста волос, они седеют, становятся более редкими, тонкими. Волосяные фолликулы подвержены как внутреннему старению, обусловленному генами и естественной физиологией, так и преждевременному, связанному с факторами окружающей среды. Тут происходят те же процессы, что и во всем организме: накопление свободных радикалов, мутаций, укорочение теломер, повреждения ядерной и митохондриальной ДНК, ухудшение ее репарации. За счет этого фаза анагена укорачивается, волосы всё сильнее выпадают. Уровень активных форм кислорода повышается в основном за счет действия ультрафиолетовых лучей, а меланоциты с возрастом становятся всё более чувствительны окислительному стрессу [62]. Пигмента вырабатывается всё меньше, он быстрее разрушается (под действием всё тех же свободных радикалов), и защита от ультрафиолета еще больше снижается — получается своего рода замкнутый круг [63].Благородная и неизбежная: седина
Самый заметный признак возрастных изменений волос — поседение. К нему можно относиться по-разному — воспринимать как символ большого жизненного опыта или утрату былой красоты — но этот процесс необратим и запрограммирован на генетическом уровне. Меланоциты вырабатывают всё меньше пигмента, постепенно на голове появляются отдельные белые волоски (в первую очередь на висках), а с годами и вся шевелюра становится белоснежной. Зачастую этот процесс начинается уже в 30 лет и особенно заметен у людей с темными волосами. Затем в течение каждого десятилетия число меланоцитов в волосяных фолликулах сокращается на 10−20%. А к 50 годам у половины людей 50% волос седые [64, 65].Волосы на теле и на лице у мужчин тоже седеют, но медленнее. Те, что на груди, в области подмышек и половых органов, могут сохранять цвет до глубокой старости [66].
Интересны наблюдения, сделанные во время некоторых научных исследований. Было замечено, что, в то время как пигментированные волосы с годами истончаются, поседевшие обычно толще, грубее, более волнистые, в них лучше выражено мозговое вещество [67].
Когда фолликулы «засыпают»
С возрастом всё больше волосяных фолликулов становятся «ленивыми» и перестают «выращивать» новые волосы. Когда начнут выпадать волосы, насколько быстро и сильно — это в первую очередь зависит от генов и гормонального фона. Многие мужчины начинают лысеть к 30 годам, а к 60-летнему юбилею и вовсе теряют растительность на голове. Виной тому в 95% случаях гормон дигидротестостерон (ДГТ), который образуется из тестостерона. Он стимулирует рост бороды и усов, но из-за него уменьшаются и становятся менее активными волосяные фолликулы в коже головы. Волосы становятся более тонкими, ломкими, быстрее выпадают, а новые растут очень медленно. Зачастую дело не столько в высоком уровне гормона, сколько в определенных генах, из-за которых волосяные фолликулы к нему более чувствительны [68, 69, 70].Облысение по мужскому типу выглядит весьма характерно: сначала исчезают волосы на висках и на макушке, а дольше всего они сохраняются на затылке в виде полумесяца (рис. 5). Чем раньше начался этот процесс, тем больше в итоге будут потери.
Не щадит время и женские прически, особенно после менопаузы, когда в организме происходит глобальная гормональная перестройка. У женщин не возникает «мужских» залысин (если только нет определенных гормональных нарушений), а вместо этого волосы просто редеют, и сквозь них всё явственнее проглядывает кожа головы. Одновременно у женщин появляются более грубые жесткие волосы на лице, а у мужчин — на бровях, в ушах и в носу [72].