Болит голова у дятла или нет

Несмотря на сильную биомеханическую защиту, мозг дятлов, видимо, все же ощущает на себе какие-то последствия их ударного труда.

От постоянной долбежки по деревьям у дятлов неминуемо должно было бы случиться сотрясение мозга, если бы не целый ряд защитных приспособлений. Благодаря особому строению головы и костей черепа лишь небольшая часть (0,3%) энергии от ударных нагрузок действует непосредственно на мозг, а остальное распределяется по всему телу. Тем не менее, как выяснили исследователи из Бостонского университета, нельзя сказать, что дятлы долбят совсем без последствий для себя.

Сотрясение мозга можно увидеть по характерным молекулярным признакам: в нервной ткани появляются белковые отложения, свидетельствующие о регулярных травматических воздействиях. Впервые мозг дятлов проверили на предмет таких молекулярных признаков еще 1976 году, и никаких признаков травм у них тогда не нашли. Та работа весьма воодушевила биологов, которые стали активно изучать биомеханику дятлов и их адаптации к такому своеобразному образу жизни.

Однако, как пишет портал Science, методы, с помощью которых в то время можно было исследовать мозг, были не очень совершенны, и вполне возможно, что тогда в мозгах у дятлов чего-то не заметили. И вот сейчас Джордж Фара (George Farah) и его коллеги решили еще раз проверить, действительно ли у дятлов с головой все настолько хорошо, как принято считать. Для анализа взяли образцы ткани мозга нескольких видов дятлов и сравнили их с образцами, взятыми у трупиалов, которые никаких деревьев не долбят.

В результате в восьми из десяти дятловых образцов удалось обнаружить белковые отложения; причем особенно много их было в передней части мозга – там же, где они при травмах накапливается и у людей. У трупиалов же никаких подозрительных белковых отложений не было. У авторов работы возникло подозрение, что это белок тау, который накапливается в нервной ткани при травматических энцефалопатиях (заодно нельзя не вспомнить, что скопления белок тау считаются одной из причин болезни Альцгеймера).

Образцы мозга решили проверить уже именно на тау. Правда, с семью образцами метод не сработал вообще – то есть невозможно было сказать, тау там или не тау. Но из трех оставшихся, с которыми метод сработал, у двух дятлов был именно белок тау. Полностью результаты экспериментов опубликованы в PLoS ONE.

Можно предположить, что скопления тау как-то сказываются на самочувствии дятлов. Но пока что это остается только гипотезой: вовсе не обязательно, что тот белок, который удалось увидеть, действительно свидетельствует о каких-то патологических процессах.

Сам по себе тау нужен нейронам, чтобы поддерживать их структуру, однако при травмах он выходит из клеток и образует пресловутые скопления. То есть, с одной стороны, у дятлов – по крайней мере, у некоторых – мозг все же чувствует какое-то воздействие, с другой стороны, их антиударные анатомические ухищрения все-таки играют свою роль. Чтобы узнать, страдают ли дятлы головой, нужно тщательно сопоставить их поведение с состоянием мозга.

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.

Читайте также: Василиск научит человека ходить по воде?

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.

Читайте также: Кошки научили человека… работать руками

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” 

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.