Когда болит голова у дятла

Почему дятел, часами непрерывно долбящий клювом по деревьям, не сходит от этого с ума? Скорость клюва в момент удара может составлять 2000 километров в час! Как же выдерживает крохотный – величиной со спелую вишню – мозг дятла бесконечно повторяющиеся сотрясения без вредных для себя последствий?

Премия, альтернативная Нобелевской, досталась исследователю, изучившему строение черепа дятла с целью установить, почему тот не страдает от головной боли, несмотря на то что долбит дерево с производительностью 12 тысяч ударов в день.
Айван Швоб из Калифорнийского университета в Дэвисе вошел в пантеон ученых, чьи исследования признаны достаточно экстравагантными, чтобы заслужить “Шнобель” – альтернативу настоящей Нобелевской премии.
В работе доктора Швоба, опубликованной в “Британском офтальмологическом журнале”, сообщается, что дятел долбит твердую поверхность со скоростью 20 ударов в секунду, прилагая силу, в 1,2 тысяч раз превосходящую силу тяготения Земли, и при этом не получает сотрясение мозга, не страдает от отслаивания сетчатки и прочих симптомов “синдрома тряски младенца”.
Дятел обладает высокоразвитым шоковым демпфером (устройство для успокоения колебаний), который защищает его от головных болей.
“Для нас головные боли и так вполне обычная вещь, а что бы было, проводи мы все время, стуча головой об стену?” – спрашивает он. За этот труд доктора Швоба чествовали на церемонии вручения “Шнобелевской” премии в Гарвардском университете в городе Бостон, штат Массачусетс, где он получил долгожданную награду в области орнитологии.
Спасают дятла еще мышцы шеи. Они столь замечательно скоординированы, что, когда дятел наносит удар, его голова и клюв движутся по абсолютно прямой линии.
Если удар будет нанесен хотя бы под небольшим углом, он приведет к разрушению тканей мозга. Именно отсутствие кивающих и вращательных движений головой, как выяснилось, и служит столь надежной защитой мозгу дятла.

“Дятел в день делает порядка 12 тыс. ударов головой, при этом, не нанося себе никакого вреда! Этот удивительный факт не поддавался никакому объяснению, ведь при этом создаётся перегрузка в 1 тысячу раз больше, чем при свободном падении. Установлено, что некоторые виды дятлов, в процессе долбления коры дерева, способны двигать клювом со скоростью почти 25 км/ч! При этом его голова отбрасывается назад с огромным отрицательным ускорением, которое более чем в два раза превышает то, которое космонавты испытывают при старте! Совсем недавно, группа учёных из Китая смогли ответить на вопрос: «Почему у дятла не болит голова?».

Оказывается, дятел обладает несколькими уникальными способностями, и интересным строением головы.
Впервые полностью расшифровать механизм предохранения головы дятла от сотрясения удалось двум американским ученым, Айвану Швобу из Калифорнийского университета в Дэвисе и Филиппу Мэю из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, которые в 2006 году получили за это открытие Игнобелевскую премию (это премия, которую ученые получают за «открытия, вызывающие сначала лишь смех, а потом заставляющие задуматься»; в мире науки эта премия не менее популярна, чем Нобелевская). Биологи исследовали этот механизм на примере златолобого дятла (Melanerpes aurifrons), обитающего в лесах США, однако считают, что, видимо, такая система безопасности свойственна всем представителям дятлообразных (Piciformes).

Итак, почему же дятел не получает сотрясение мозга. Во-первых, потому, что его сверхтвердый клюв ударяет в ствол строго перпендикулярно поверхности последнего, не сгибается и не вибрирует от удара. Это обеспечивает скоординированная работа шейных мышц — при «долбительных» работах действуют лишь те мышцы, которые отвечают за движение головы вперед-назад, а те, которые осуществляют боковые движения шеи, бездействуют. То есть дятел чисто физически не может отклониться от выбранного курса.

Кроме того, черепную коробку этой птицы и ее мозг отделяет лишь тонкий слой внутричерепной жидкости, что не позволяет вибрациям набрать достаточно силы для опасного воздействия на мозг. Кроме того, эта жидкость довольно вязкая, поэтому сразу же гасит все возникающие от удара волны, способные повредить важнейший нервный центр.

Также важную роль в защите мозга от сотрясений играет гиоид — важнейший элемент подъязычной кости птиц, который сам по себе является скорее хрящом, чем настоящей костной тканью. У дятлов он чрезвычайно развит, весьма обширен и протяжен, располагается не только в глотке (как у млекопитающих), а заходит и в носоглотку, обернувшись перед этим вокруг черепа. То есть внутри черепной коробки у этой птицы имеется дополнительный упругий амортизатор.

Кроме того, как показало исследование внутреннего строения черепных костей дятла, почти все они содержат губчатую пористую ткань, которая является дополнительным амортизатором. В этом отношении череп дятла скорее похож на таковой у птенца, чем у взрослой птицы (у которой доля губчатого вещества в костях чрезвычайно мала). Так что те вибрации, которые не удалось «погасить» черепной жидкости и гиоиду, «успокаивает» губчатое вещество костей.

Кроме того, дятел имеет еще своеобразный «ремень безопасности» для глаз — во время удара третье веко (мигательная перепонка) опускается на глаз этой птицы, чтобы уберечь глазное яблоко от вибрации и не допустить отслоения сетчатки. Так что зрение у дятлов, несмотря на «долбительный» образ жизни, всегда в порядке.

Ну и, конечно, для того, чтобы в черепе поместились все эти системы безопасности, дятлам пришлось существенно сократить поверхность своего мозга. Однако глупее остальных птиц от этого они вовсе не стали — наоборот, дятел весьма умен и обладает достаточно сложным территориальным и гнездовым поведением. Дело в том, что, в отличие от млекопитающих, у птиц процессы высшей рассудочной деятельности происходят вовсе не в коре больших полушарий, а в лежащих под ней полосатых тельцах и слое, называемом гиперстриатум. А эти части мозга исходно занимают не очень большую площадь, потому что находящиеся в них нейроны достаточно плотно упакованы. Поэтому дятел может легко сжать свой мозг без ущерба своему интеллекту.

Итак, чему же эта умная птица может научить людей? Да хотя бы тому, как разрабатывать совершенные противоударные конструкции. Подобную работу недавно проделали американские ученые из Лаборатории биоинженерии Университета Беркли. Тщательное изучение замедленной видеосъемки «долбежки» и данных томографии дятлов позволило им разработать искусственную демпфирующую (то есть, обеспечивающую безопасность) систему, аналогичную таковой у дятлов.

Роль супертвердого клюва в искусственном демпфере может играть прочная внешняя оболочка — например, стальная или титановая. Функцию внутричерепной жидкости в данном устройстве берет на себя второй, внутренний слой металла, отделенный от внешнего, стального, эластичным слоем. Под ним находится слой твердой, но, в то же время эластичной резины — аналог гиоида. А «заменителем» губчатых структур является заполнение всего пустого объема под этой резиной плотно упакованными стеклянными шариками размерами около одного милиметра. Доказано, что они очень эффективно «распыляют» энергию удара и блокируют передачу опасных вибраций на самую ценную центральную часть, ради которой все эти системы и существуют — то есть некий «мозг».

Подобный демпфер, по мнению разработчиков, может защищать разные хрупкие конструкции, например, электронику, от сильных ударов. Можно помещать в такую оболочку «черные ящики» самолетов, бортовые компьютеры кораблей или использовать ее при разработке катапультирующихся устройств нового поколения. Не исключено, что эту оболочку можно также использовать в корпусе автомобиля как дополнительный демпфер.

После создания миниатюрного прототипа, исследователи провели первые испытания данной оболочки. Они поместили его в пулю и из газового ружья выстрелили ей в толстый лист алюминия. Перегрузка от удара достигла 60000 g, но демпфер эффективно защитил спрятанную в нем электронную начинку. Значит, данная система достаточно эффективно работает. Теперь разработчики трудятся над созданием такого же демпфера больших размеров.

Китайские ученые исследовали защиту дятла от ударов и вибрации, что по их мнению может помочь создать новые антиударные материалы и структуры, которые могут быть использованы в различных сферах деятельности человека. Инженеры государственной лаборатории структурного анализа для промышленного оборудования университета Далянь обнаружили, что все тело дятла работает, как отличный противоударный механизм, поглощая энергию воздействия.

Птица клюет дерево с очень большой частотой (порядка 25 Герц) и скоростью (около семи метров в секунду), что больше в 1000 раз земной силы тяжести. Ученые сдеалали специальную 3Д компьютерную модель, используя томограмму, чтобы понять как именно дятел защищает свой мозг от повреждения.

Ученые выяснили, что большая часть энергии удара аккумулируется телом птицы (99,7%) и только 0,3% приходится на голову дятла. Часть энергии удара принимает на себя клюв птицы, еще часть подъязычная кость птицы. А та небольшая часть энергии, которая все-таки приходится на голову дятла преобразуется в тепло, из-за чего температура головного мозга сильно увеличивается.

Птица вынуждена делать перерывы между клеванием дерева, для того чтобы снизить эту температуру.

Результаты исследования будут опубликованы в научном журнале Science China.

Дэвид Юханз пишет:

«Каждый раз во время удара по дереву голова дятла испытывает напряжение, равное 1000 силам гравитации. Это более чем в 250 раз больше напряжения, испытываемого космонавтом во время запуска ракеты… У большинства птиц кости клюва соединены с костями черепа — кости, окружающей мозг. Но у дятлов череп и клюв отделены друг от друга тканью, похожей на губку. Именно эта «подушка» принимает на себя основной удар каждый раз, когда клюв дятла вонзается в дерево. Амортизатор дятлов настолько хорошо работает, что, по мнению ученых, человек не придумал еще ничего лучшего».

Кроме того, и клюв, и сам мозг дятла окружены специальной подушкой, которая смягчает удары. 5. Во время «бурильных работ» голова дятла движется со скоростью, более чем в два раза превышающей скорость пули при выстреле. При такой скорости любой удар, нанесенный хотя бы под небольшим углом, просто разорвал бы мозг птицы. Однако мышцы шеи у дятла настолько хорошо скоординированы, что его голова и клюв движутся синхронно по абсолютно прямой линии. Более того, удар поглощается специальными мышцами головы, которые оттягивают череп дятла от клюва каждый раз, когда он совершает удар.

6. Дятел имееь чрезвычайно крепкий клюв, которого нет у большинства других птиц. Его клюв достаточно сильный, чтобы входить с силой в дерево и при этом не складываться как гармошка. Ведь дятел стучит им по дереву со скоростью около 1000 ударов в минуту (почти в два раза больше скорости боевого автомата), а его скорость в момент удара составляет до 2000 км в час.

7. Кончик клюва дятла имеет форму зубила, и подобно резцу он способен проникнуть в самое твердое дерево. Однако, в отличие от строительного инструмента, его никогда не нужно затачивать!

8. Два пальца на лапке дятла направлены вперед, а два – назад. Именно такое строение помогает ему легко перемещаться вверх, вниз и вокруг стволов деревьев (у большинства птиц три пальца направлены вперед, а один – назад). К тому же, система подвешивания, которая включает сухожилия и мышцы ног, острые когти и жесткие перья хвоста, на кончиках которых находятся шипы для опоры, позволяет дятлу поглощать силу молниеносно повторяющихся ударов.

9. Когда дятел стучит по дереву со скоростью до 20 раз в секунду, его веки каждый раз закрываются за мгновение до того момента, когда его клюв приближается к своей цели. Это своего рода механизм защиты глаз от щепок. Закрытые веки также удерживают глаза и не дают им вылететь наружу.

10. В недавном исследовании ученые из калифорнийского университета в Беркли обнаружили четыре противоударных преимущества дятлов: «Твердый, но эластичный клюв; жилистая пружинистая структура (гиоид, или подъязычная кость), которая охватывает весь череп и поддерживает язык; область губчатой кости в голове; способ взаимодействия черепа и спинномозговой жидкости, подавляющий вибрацию» Система поглощения удара дятла основана не на одном каком-то факторе, а является результатом комбинированного действия нескольких взаимозависимых структур.

с