Почему у дятла не болит голова когда он стучит клювом о дерево

Людей, можно сказать, веками мучила загадка: как дятлы не сходят с ума, целыми днями долбя деревья? И вот ученые наконец-то расшифровали механизм предохранения мозга у этих удивительных птиц. Можно ли использовать данное открытие при создании средств безопасности для человека — к примеру, в конструкции автомобилей?

Дятел, действительно, судя по всему, никогда не страдает головными болями. И сотрясений мозга у него тоже не бывает. Долгое время ученые не могли понять — как ему это удается. Ведь установлено, что дятел долбит твердую поверхность со скоростью 20 ударов в секунду, прилагая силу, в 1,2 тысячи раз превосходящую силу тяготения Земли. Для сравнения — это равно силе удара о поверхность Земли реактивного самолета, врезавшегося в нее на полной скорости. Никто из людей не выжил бы после такого страшного удара. А дятлу все нипочем, каждый день он добровольно подвергает себя этим чудовищным перегрузкам и ничего — жив, здоров и весел.

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.

Так что, как видите, человечеству есть чему поучиться у дятлов. Например, тому, как пробивать головой стену и при этом остаться живым и не сойти с ума…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"

Встройте "Правду.Ру" в свой информационный поток, если хотите получать оперативные комментарии и новости:

Подпишитесь на наш канал в Яндекс.Дзен или в Яндекс.Чат

Добавьте "Правду.Ру" в свои источники в Яндекс.Новости или News.Google

Также будем рады вам в наших сообществах во ВКонтакте, Фейсбуке, Твиттере, Одноклассниках.

МОСКВА, 27 окт - РИА Новости. Китайские ученые снимали дятлов высокоскоростной камерой, создали трехмерную модель их головы и провели с ней виртуальные краш-тесты, а также исследовали микроструктуру костей черепа, чтобы понять, как эти птицы без вреда для себя могут переносить ежедневно по 12 тысяч ударов головой с перегрузкой в 1 тысячу раз выше ускорения свободного падения.

Группа биологов под руководством Юйбо Фаня (Yubo Fan) из Бейханского университета в Пекине в статье, опубликованной в журнале PLoS ONE, делают вывод, что череп и клюв дятла содержит небольшие вкрапления эластичных тканей, которые гасят вибрации, что позволяет этим птицам не беспокоиться о головной боли даже после целого дня "столярных" работ.

Шнобелевка по орнитологии

Фань и его коллеги - не первые ученые, которых заинтересовал вопрос почему у дятла не болит голова. В частности, американский офтальмолог Иван Шваб (Ivan Schwab) обратил внимание на то, что у дятлов не бывает отслойки сетчатки, черепно-мозговых травм и травм спинного мозга, которых можно было бы ожидать при их работе.

В 2002 году он опубликовал в British Journal of Ophthalmology статью, в которой отмечал, что кости дятлов обладают губчатой структурой, а нижняя челюсть снабжена хрящевой "прокладкой", смягчающей силу ударов. Кроме того, перед моментом удара мышцы, удерживающие челюсти, за миллисекунду напрягаются, образуя амортизационную подушку и перераспределяя энергию удара так, что она уходит мимо мозга.

В 2006 году Шваб получил необыкновенную популярность благодаря присужденной ему за это исследование пародийной Шнобелевской премии в номинации "орнитология", которую он разделил с покойным Филипом Мэем (Philip May), также изучавшим дятлов.

Две тысячи кадров в секунду

Китайские исследователи признают приоритет коллег, однако отмечают, что прежние исследователи уделяли мало внимания трехмерной кинематике движения дятлов, количественной оценке и исследованию микроструктуры костей птиц.

Фань и его коллеги поймали нескольких больших пестрых дятлов (Dendrocopos major) - самых известных представителей этого семейства, которых можно услышать практически в любом российском лесу.

Орнитологи посадили птиц в клетки, по периметру которых были установлены высокоскоростные камеры, способные снимать видео разрешением 512 на 512 пикселей с частотой 2000 кадров в секунду. Специальная компьютерная программа следила за движением туловища и клюва дятлов и отмечала каждый момент, когда птица пробовала пробить прутья клетки, била в измеритель силы удара или в окружающий ее тюрьму пенопласт.

Съемки показали, что при ударе дятлы двигают клюв по стреловидной траектории, что позволяет им снизить нагрузку на череп при минимальном уменьшении силы удара.

Ученые просветили несколько голых черепов при помощи рентгеновского томографа и электронного микроскопа и составили карту микроструктуры их костей. Затем биологи проверили прочность 12 черепов дятлов при помощи машины для испытания материалов, прикладывая к ним силу в 50 и тысячу ньютонов.

Используя полученные данные, исследователи построили точную компьютерную модель черепа и проанализировали его свойства. Ученые провели виртуальный краш-тест, сталкивая двигающийся череп с твердой стенкой.

Оказалось, что мозг дятла очень плотно упакован в его череп, что помогает птице избежать ненужных столкновений мозга и черепа. Кости черепа состоят из мозаики из относительно твердых фрагментов и более мягких "губок", которые гасят колебания при сжатии. Длинная подъязычная кость, опоясывающая заднюю часть черепа птицы, является своеобразным ремнем безопасности, который нейтрализует остаточные колебания.

Верхняя половина клюва птицы несколько короче нижней, приблизительно на 1,2 миллиметра. Такое устройство клюва помогает дятлам добиваться наибольшей силы удара при наименьшей нагрузке на их череп и мозг. Нижняя половинка клюва собирает большую часть вибраций, которые распространяются по нижней, а не верхней части черепа, что уберегает мозг от травмы.

Авторы статьи полагают, что их исследование поможет инженерам создать каски и шлемы, не уступающие в прочности черепу дятлов.

Оказывается, дятел обладает несколькими уникальными способностями, и интересным строением головы.

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.

А вот бедного дятла аннигилировало !

Мастерок.жж.рф

Оказывается, дятел обладает несколькими уникальными способностями, и интересным строением головы.

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

Результаты исследования будут опубликованы в научном журнале Science China.

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.

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

Результаты исследования будут опубликованы в научном журнале Science China.

Китайские ученые снимали дятлов высокоскоростной камерой, создали трехмерную модель их головы и провели с ней виртуальные краш-тесты, а также исследовали микроструктуру костей черепа, чтобы понять, как эти птицы без вреда для себя могут переносить ежедневно по 12 тысяч ударов головой с перегрузкой в 1 тысячу раз выше ускорения свободного падения.

Дятлы (лат. Picidae) — крупное семейство птиц, в которое входит 233 вида. В большинстве случаев дятлы обитают в лесах. Это лазающие древесные птицы, которые летают, хотя и не очень хорошо. Подавляющее большинство представителей семейства отличаются от других птиц необычным долотообразным клювом. С его помощью дятлы долбят кору и сердцевину дерева, стараясь найти основную свою пищу: насекомых и их личинок.

Свой крепкий клюв дятлы используют не только для добычи пищи, но и для создания гнезд, которые обычно устраивают в дуплах деревьев. Стучат по дереву дятлы и для связи друг с другом. Весной самцы многих видов дятлов барабанят клювом по сухим деревьям. Такие трели, наверное, слышали многие читатели. Тело дятла практически идеально адаптировано к его образу жизни. Благодаря этому дятел может выдерживать значительные нагрузки, которые смертельно опасны для многих других живых организмов.

Дятлов называют санитарами леса, и это, в принципе, правда. Птица, поедая большое количество личинок вредителей деревьев или взрослых насекомых предотвращает неконтролируемое увеличение популяции вредителей.

Нагрузки, которые выдерживает дятел

Средняя скорость нанесения ударов дятлом — 20-25 движений за секунду. Общее количество ударов, наносимое дятлом по дереву в день — 8000-12000. Для того, чтобы птица имела возможность выдерживать перегрузки, связанные с долблением деревьев, ее череп и скелет должны быть необычайно крепкими. Если бы по дереву с такой скоростью била любая другая птица, то уже через несколько ударов она бы умерла от перегрузок.

Измерения показывают, что перегрузки, испытываемые дятлом, достигают 1000 — 1200g. Это гораздо больше, чем могут выдержать организмы других животных, включая человека. Мы не в состоянии выдержать перегрузки больше 80-100 g. Наибольшая (кратковременная) перегрузка автомобиля, при которой человеку удалось выжить — 179,8 g. Парашютисты при раскрытии парашюта испытывают перегрузки вплоть до 10 g. Летчики, выполняющие фигуры высшего пилотажа, получают перегрузки вплоть до 12 g.

Смягчает удар не один фактор, а целая их система. Во время долбления дерева клюв движется перпендикулярно поверхности, по которой бьет дятел. Голова дятла движется со скоростью, в два раза превышающей среднюю скорость пули, вылетающей из дула пистолета. Если бы удар наносился не перпендикулярно, а немного под углом, амортизационный механизм птицы не сработал бы, и она могла бы просто погибнуть. Но здесь работает слаженная система мышц, которая позволяет голове и клюву двигаться по прямой линии. При ударе клюва сразу же срабатывают мышцы, оттягивающие череп дятла от места нанесения удара.

Защищены от удара и глаза птицы. При ударе о дерево на глаз дятла опускается третье веко (мигательная перепонка). Она оберегает глазное яблоко от вибрации, не допуская расслоения сетчатки.

Еще одна уникальная черта дятла — его длинный язык. У всех птиц язык прикреплен к задней части клюва. А вот у дятла язык выходит из правой ноздри, разделяясь на две половины. Эти две половинки охватывают голову птицы и шеей, выходя через отверстие в клюве. После этого они соединяются. Языком дятлы достают личинок насекомых из глубоких ходов, проделанных в древесине.

Читайте также: