Чи болить голова у дятла?
Чому дятел, годинами безперервно довбає дзьобом по деревах, не сходить від цього з розуму? Швидкість дзьоба в момент удару може становити 2000 кілометрів на годину! Як же витримує крихітний - величиною зі стиглу вишню - мозок дятла нескінченно повторюються струсу без шкідливих для себе наслідків?
Премія, альтернативна Нобелівської, дісталася дослідникові, який вивчив будову черепа дятла з метою встановити, чому той не страждає від головного болю, незважаючи на те що довбає дерево з продуктивністю 12 тисяч ударів в день.
Айван Швоб з Каліфорнійського університету в Девісі увійшов до пантеону учених, чиї дослідження визнані достатньо екстравагантними, щоб заслужити "ніс" - Альтернативу справжньої Нобелівської премії.
В роботі доктора Швоба, опублікованій в "Британському офтальмологічному журналі", Повідомляється, що дятел довбає тверду поверхню зі швидкістю 20 ударів в секунду, докладаючи силу, в 1,2 тисячі разів перевищує силу тяжіння Землі, і при цьому не отримує струс мозку, не страждає від відшаровування сітківки та інших симптомів "синдрому трясіння немовляти".
Дятел має високорозвиненим шоковим демпфером (пристрій для заспокоєння коливань), який захищає його від головних болів.
"Для нас головні болі і так цілком звичайна річ, а що б було, проводь ми весь час, стукаючи головою об стіну?" - Запитує він. За цю працю доктора Швоба вшановували на церемонії вручення "Шнобелівської" премії в Гарвардському університеті в місті Бостон, штат Массачусетс, де він отримав довгоочікувану нагороду в області орнітології.
Рятують дятла ще м`язи шиї. Вони настільки чудово скоординовані, що, коли дятел завдає удар, його голова і дзьоб рухаються по абсолютно прямій лінії.
Якщо удар буде завдано хоча б під невеликим кутом, він призведе до руйнування тканин мозку. Саме відсутність кивають і обертальних рухів головою, як з`ясувалося, і служить настільки надійним захистом мозку дятла.
"Дятел в день робить близько 12 тис. Ударів головою, при цьому, не завдаючи собі ніякої шкоди! Цей дивовижний факт не піддавався ніякому поясненню, адже при цьому створюється перевантаження в 1 тисячу разів більше, ніж при вільному падінні. Встановлено, що деякі види дятлів, в процесі довбання кори дерева, здатні рухати дзьобом зі швидкістю майже 25 км / год! При цьому його голова відкидається назад з величезним негативним прискоренням, яке більш ніж в два рази перевищує ту, яку космонавти відчувають при старті! Зовсім недавно, група вчених з Китаю змогли відповісти на питання: «Чому у дятла не болить голова?».
Виявляється, дятел володіє декількома унікальними здібностями, і цікавим будовою голови.
Вперше повністю розшифрувати механізм запобігання голови дятла від струсу вдалося двом американським вченим, Айвану Швоб з Каліфорнійського університету в Девісі і Філіпу Мею з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі, які в 2006 році отримали за це відкриття Ігнобелівської премію (це премія, яку вчені отримують за «відкриття, що викликають спочатку лише сміх, а потім змушують задуматися» - в світі науки ця премія не менш популярна, ніж Нобелівська). Біологи досліджували цей механізм на прикладі златолобого дятла (Melanerpes aurifrons), що мешкає в лісах США, однак вважають, що, мабуть, така система безпеки властива всім представникам дятлоподібних (Piciformes).
Отже, чому ж дятел не отримує струс мозку. По-перше, тому, що його надтвердих дзьоб вдаряє в стовбур строго перпендикулярно поверхні останнього, не згинається і не вібрує від удару. Це забезпечує скоординована робота шийних м`язів - при «довбальними» роботах діють лише ті м`язи, які відповідають за рух голови вперед-назад, а ті, які здійснюють бічні руху шиї, не діють. Тобто дятел чисто фізично не може відхилитися від обраного курсу.
Крім того, черепну коробку цього птаха і її мозок відокремлює лише тонкий шар внутрішньочерепної рідини, що не дозволяє вібрацій набрати достатньо сили для небезпечного впливу на мозок. Крім того, ця рідина досить в`язка, тому відразу ж гасить всі виникаючі від удару хвилі, здатні пошкодити найважливіший нервовий центр.
Також важливу роль у захисті мозку від струсів грає гіоід - найважливіший елемент під`язикової кістки птахів, який сам по собі є скоріше хрящем, ніж справжньою кістковою тканиною. У дятлів він надзвичайно розвинений, досить великий і протяжен, розташовується не тільки в глотці (як у ссавців), а заходить і в носоглотку, обернувшись перед цим навколо черепа. Тобто всередині черепної коробки у цього птаха є додатковий пружний амортизатор.
Крім того, як показало дослідження внутрішньої будови черепних кісток дятла, майже всі вони містять губчасту пористу тканину, яка є додатковим амортизатором. В цьому відношенні череп дятла скоріше схожий на такий у пташеняти, ніж у дорослої птиці (у якій частка губчастого речовини в кістках надзвичайно мала). Так що ті вібрації, які не вдалося «погасити» черепної рідини і гіоіду, «заспокоює» губчаста речовина кісток.
Крім того, дятел має ще своєрідний «ремінь безпеки» для очей - під час удару третє віко (мигательная перетинка) опускається на око цього птаха, щоб уберегти очне яблуко від вібрації і не допустити відшарування сітківки. Так що зір у дятлів, незважаючи на «довбальний» спосіб життя, завжди в порядку.
Ну і, звичайно, для того, щоб в черепі помістилися всі ці системи безпеки, дятлам довелося істотно скоротити поверхню свого мозку. Однак дурніші інших птахів від цього вони зовсім не стали - навпаки, дятел вельми розумний і має досить складним територіальним і гніздовим поведінкою. Справа в тому, що, на відміну від ссавців, у птахів процеси вищої розумової діяльності відбуваються зовсім не в корі великих півкуль, а в лежачих під нею смугастих тільцях і шарі, званому гіперстріатум. А ці частини мозку початково займають не дуже велику площу, тому що знаходяться в них нейрони досить щільно упаковані. Тому дятел може легко стиснути свій мозок без шкоди своєму інтелекту.
Отже, чому ж ця розумна птах може навчити людей? Та хоча б тому, як розробляти досконалі протиударні конструкції. Подібну роботу нещодавно виконали американські вчені з Лабораторії біоінженерії Університету Берклі. Ретельне вивчення сповільненій відеозйомки «довбання» і даних томографії дятлів дозволило їм розробити штучну демпфуючу (тобто, що забезпечує безпеку) систему, аналогічну такої у дятлів.
Роль супертвердих дзьоба в штучному демпфері може грати міцна зовнішня оболонка - наприклад, сталева або титанова. Функцію внутрішньочерепної рідини в цьому пристрої бере на себе другий, внутрішній шар металу, відокремлений від зовнішнього, сталевого, еластичним шаром. Під ним знаходиться шар твердої, але, в той же час еластичної гуми - аналог гіоіда. А «замінником» губчастих структур є заповнення всього порожнього обсягу під цією гумою щільно упакованими скляними кульками розмірами близько одного міліметра. Доведено, що вони дуже ефективно «розпилюють» енергію удару і блокують передачу небезпечних вібрацій на найціннішу центральну частину, заради якої всі ці системи і існують - то є якийсь «мозок».
Подібний демпфер, на думку розробників, може захищати різні тендітні конструкції, наприклад, електроніку, від сильних ударів. Можна поміщати в таку оболонку «чорні ящики» літаків, бортові комп`ютери кораблів або використовувати її при розробці катапультує пристроїв нового покоління. Не виключено, що цю оболонку можна також використовувати в корпусі автомобіля як додатковий демпфер.
Після створення мініатюрного прототипу, дослідники провели перші випробування даної оболонки. Вони помістили його в кулю і з газового рушниці вистрілили їй в товстий лист алюмінію. Перевантаження від удару досягла 60000 g, але демпфер ефективно захистив заховану в ньому електронну начинку. Значить, дана система досить ефективно працює. Тепер розробники трудяться над створенням такого ж демпфера великих розмірів.
Китайські вчені досліджували захист дятла від ударів і вібрації, що на їхню думку може допомогти створити нові антиударні матеріали і структури, які можуть бути використані в різних сферах діяльності людини. Інженери державної лабораторії структурного аналізу для промислового обладнання університету Далянь виявили, що все тіло дятла працює, як відмінний протиударний механізм, поглинаючи енергію впливу.
Птах клює дерево з дуже великою частотою (близько 25 Герц) і швидкістю (близько семи метрів в секунду), що більше в 1000 разів земної сили тяжіння. Вчені сдеалалі спеціальну 3Д комп`ютерну модель, використовуючи томограму, щоб зрозуміти як саме дятел захищає свій мозок від пошкодження.
Вчені з`ясували, що велика частина енергії удару акумулюється тілом птиці (99,7%) і тільки 0,3% припадає на голову дятла. Частина енергії удару приймає на себе дзьоб птаха, ще частина під`язикова кістка птиці. А та невелика частина енергії, яка все-таки доводиться на голову дятла перетворюється в тепло, через що температура головного мозку сильно збільшується.
Птах змушена робити перерви між Клевань дерева, для того щоб знизити цю температуру.
Результати дослідження будуть опубліковані в науковому журналі Science China.
