Wann werden meine Haare grau?

Im Frühling 2012 konnte ich ein Praktikum am Fachbereich Physik der Freien Universität Berlin machen und lernte dabei die Elektronenspinresonanz-Spektroskopie (kurz „ESR“) kennen. Im Anschluss an dieses Praktikum habe ich Kontakte zum Forscherclub der FU Berlin und dessen Leiter Roland Reimers geknüpft. Gemeinsam mit meiner Projektpartnerin Esther Kähne und ihm haben wir den Plan gefasst, Haare mit Mikrowellenstrahlung zu untersuchen, und das Projekt schließlich bei Jugend Forscht angemeldet.

Melaningehalt in den Haaren einer Probandin

Wir ahnten noch nicht, dass das Projekt Diagramme hervorbringen würde, die den Ergrauungsprozess einer Person präzise wiedergeben, und dass mir Vorhersagen über das Auftreten grauer Haare möglich sein würden.

Als der Schnee bereits fiel und die Weihnachtsartikel aus den Geschäften nicht mehr wegzudenken waren, begann auch die Erfahrung Jugend Forscht für mich. Der Regionalwettbewerb Berlin-Nord war die erste Etappe für Esther und mich. Unser Projekt gewann an diesem Abend den ersten Preis in der Kategorie Physik, und wir durften uns sogar über einen Sonderpreis der Helmholtz-Gemeinschaft freuen. Der Landeswettbewerb der im Frühjahr stattfinden sollte, verlief ebenso erfreulich wie der Regionalwettbewerb: Unser Projekt gewann auch an diesem Tag den ersten Preis in der Kategorie Physik und wurde mit den Sonderpreisen der Max-Planck-Gesellschaft und der Internationalen Martin Luther Stiftung geehrt. So kamen wir bis in den Bundeswettbewerb.

Die ESR-Spektroskopie

Melanin-Messwerte von Haarproben über 20 Jahre

Die Elektronenspinresonanz-Spektroskopie spielt besonders in der Humanmedizin eine wichtige Rolle. Die Grundidee der ESR-Spektroskopie besteht darin, eine Probe mit Mikrowellen zu bestrahlen, um die Eigenschaften von Elektronen nachzuweisen. In meinem Fall geht es um die Elektronen, die im Farbstoff der Haare enthaltenen sind.

Elektronen sind neben dem Atomkern die elementaren Bausteine eines Atoms und dienen uns vor allem im Zusammenhang mit Elektrizität. Wenn ein Strom fließt, nutzen wir meist die Ladung des Elektrons aus. Jedes Elektron ist einfach negativ geladen. Bewegt sich nur ein einziges ein Elektron, kann man theoretisch schon von einem Strom sprechen.

Mit der ESR-Spektroskopie ist es beispielsweise möglich, Stoffe nachzuweisen, die eine erweiternde Wirkung auf die Blutgefäße der Lunge haben können. Neben der Humanmedizin lässt sich das Verfahren auch in der Lebensmittelindustrie zum Nachweis von Lebensmittelbestrahlung zur Konservierung feststellen. Auch die Untersuchung auf Faltungen von Proteinsträngen im Erbgut ist möglich. Mit unserer Forschung kann man nun zudem abschätzen, wann der menschliche Schopf ergraut.

Entscheidend für diese Messungen ist eine bestimmte Eigenschaft der Elektronen, nämlich der Elektronenspin.

Elektronenspin

Spinrichtung bei Elektronen

Der Spin ist eine quantenmechanische Eigenschaft der Elektronen. Wann immer man ihn misst, gibt es nur zwei mögliche Ergebnisse, die „Spin Up“ oder „Spin Down“ genannt werden. Bedingt durch den Spin haben Elektronen auch ein Magnetfeld, welches man sich wie bei einem Stabmagneten vorstellen kann. Ob der Spin eines Elektrons „Up“ oder „Down“ ausgerichtet ist, bestimmt auch die Richtung dieses Mangetfelds. Die Zustände vieler Elektronen in einem Festkörper zeigen zunächst in unterschiedliche Richtungen und unterscheiden sich nicht in der Energie.

Wird nun ein äußeres Magnetfeld angeschaltet, richten sich die Elektronen parallel zum Magnetfeld aus, ähnlich einem Kompass im Erdmagnetfeld. Die Magnetfelder der Elektronen mit Spin Up und Spin Down zeigen dabei in entgegen gesetzte Richtungen, entweder in die selbe Richtung wie das äußere Magnetfeld, oder entgegengesetzt.

Zeeman-Effekt

Der eine Teil der Elektronen gewinnt dabei an Energie, während der andere an Energie verliert. Es gilt: je stärker das äußere Magnetfeld, desto größer ist der Unterschied in der Energie. Dies ist der sogenannte Zeeman-Effekt.

Für unser Experiment bedeutet dies: In einem angelegten Magnetfeld ist ein Teil der Elektronen in meiner Haarprobe besitzt den im Zustand Spin Up (auch mit mS=+1/2 bezeichnet), und der restliche Teil im Zustand Spin Down (mS=-1/2).

Melanin in Haaren

Wir alle haben Haare, ob auf dem Kopf, an den Armen oder Beinen. Jedes dieser Haare enthält unter anderem den Farbstoff Melanin. Dieser Farbstoff wird in den Haarfollikeln der Haut produziert und enthält freie Elektronen, die mir bei meinen Messungen ein Signal in Form einer Resonanz geben. Bei meiner Forschung geht es nun darum, Melanin im Kopfhaar durch ESR-Spektroskopie nachzuweisen. Dies gelingt mir mit einem Elektromagneten, der ein Magnetfeld mit annähernd parallelen Magnetfeldlinien erzeugt, welches langsam verstärkt wurde. Dadurch wird die Energiedifferenz zwischen den Elektronen der beiden Spin-Zustände größer (Zeeman-Effekt).

Beim Einstrahlen einer Mikrowelle können die Elektronen ihre Energie aufnehmen, wenn sie eine geeignete Größe hat. Die Mikrowelle hat eine feste Frequenz und damit auch eine feste Energie. Ich ändere die Stärke des äußeren Magnetfelds, und wenn die Energie der Mikrowelle gleich der Energiedifferenz der Spin-Up- und Spin-Down-Elektronen im Magnetfeld ist, können Elektronen die Lichtteilchen der Mikrowelle absorbieren die Richtung ihres Spins umkehren. Dies ist der sogenannte Spinflip.

Spinflip-Messung von Elektronen

Das Diagramm zeigt eine Resonanzabsorptionskurve, typisch für das Umklappen von Spins. Aus der Kurve lässt sich ablesen, bei welcher Magnetfeldstärke die Mikrowelle absorbiert wird, also der Elektronenspin umklappt. Der Ausschlag AMax der Resonanzabsorptionskurve gibt anschließend Aufschluss darüber, wie häufig freie Valenzelektronen in der untersuchten Probe zu finden sind. Wären keine freien Valenzelektronen in der Probe zu finden, gäbe es auch keinen Ausschlag im Signal. Je stärker jedoch das Signal, desto mehr Elektronen weist die Probe auf. Durch den maximalen Ausschlag AMax der Resonanzkurve auf der Intensitätsachse (y-Achse) kann somit der Melaningehalt des Haares abgeschätzt werden.

Technische Realisierung

Zum Anregen der freien Valenzelektronen brauchte ich einen Elektromagneten. Der Magnet sorgte dafür, dass die Elektronen sich in der Probe ausrichteten. Zur technischen Realisierung wird neben einem Elektromagneten auch eine Mikrowellenbrücke benötigt. Dieses Gerät leitet die Mikrowelle zur Probe. Die Mikrowelle, die zur Probe geleitet wird, wurde zuvor in einem sogenannten Klystron erzeugt. Erst durch das Klystron konnte ich eine Mikrowellenfrequenz von 9400 MHz, einer der sogenannten X-Band Frequenzen, generieren und somit einen Spinflip erzeugen.

Den Ergrauungsprozess vorhersagen

Messwerte einer Probe

Bei den Versuchen ging es mir nicht nur darum herauszufinden, wie viel Melanin im Haar eines Probanden vorhanden ist, sondern zugleich auch zu berechnen, wie sich der Melaningehalt in Abhängigkeit vom Alter des Probanden verändert. Daher suchte ich nach Probanden, welche über längere Zeit regelmäßig eigene Haare entnommen und aufbewahrt hatten. Die Suche sollte sich als äußerst schwierig gestalten. Letztendlich schloss ich eine Kooperation mit dem „Von Chossy-Haarmuseum“ in München. Nun lagen mir zum ersten Mal Proben von mehreren Probanden aus vielen Jahren vor. Die nächsten Messungen sollten das letzte Puzzleteil bringen. Die Messungen ergaben, dass der Melaningehalt bzw. die Melaninproduktion von menschlichem Haar berechenbar ist. Im Anschluss darauf entwickelte ich einen Satz von Formeln, um den Prozess hervorsagen zu können.

Nachdem ich meine Messungen in ein Intensität-Alter-Diagramm eintrug, errechnete ich den spezifischen Schwellenwert zur sichtbaren Ergrauung des Probanden. Dafür analysierte ich bereits genommene Messungen und errechnete einen Mittelwert, bei dem die Haarprobe sichtlich grau wirkte.

Bei meiner Forschung konnte ich hinsichtlich der Messwerte davon ausgehen, dass der Ergrauungsprozess optimalerweise linear verläuft. Oft jedoch wirkte der Zusammenhang nicht in allen Fällen wirklich linear, sondern besonders durch Stress, ungesunde Ernährung und genetische Veranlagung schienen die Messwerte bei manchen Probanden exponentiell zu verlaufen. Dieser Zusammenhang trat bei Frauen am häufigsten auf.

Weitere Messungen an Haarproben des „Von Chossy-Haarmuseum“ lieferten verblüffende Ergebnisse. Die Berechnungen waren über einen Zeitraum von mehr als 20 Jahren jedes Mal nur um maximal 5 Monate vom tatsächlichen Datum der Ergrauung abweichend. Durch diese Beobachtungen konnte ich meine Theorie bestätigen und errechnen, dass ich selbst mit 32 Jahren anfangen werde zu ergrauen …

Melanin

Melaninbildung

Bei dem Farbstoff Melanin in menschlichen Haaren muss man zwischen Eumelanin und Phäomelanin unterscheiden. Eumelanin ist bei der Zusammensetzung der Farbnuancen des menschlichen Haares verantwortlich für die Farbtiefe. Dabei gilt: Je mehr Eumelanin das Haar enthält, desto dunkler die Haarfarbe.

Phäomelanin, das kupferhaltige rot-blonde Pigment, ist hingegen für die Farbrichtung verantwortlich. Im Größenverhältnis beider Pigmente ist Eumelanin ungefähr so groß wie ein Tennisball und Phäomelanin besitzt lediglich die Größe eines Stecknadelkopfes. Der Phäomelanin in der Probe ließ sich daher bei meinen Forschungen vernachlässigen.