Почему 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.

Дятлы обитают в лесах по всему свету, кроме Австралии, и везде занимаются одним и тем же — долбят деревья, чтобы достать из-под коры насекомых или добыть древесного сока. Кроме того, исполняя на деревьях ударные композиции, самцы привлекают самок. Когда дятлы долбят по дереву, их голова движется со скоростью 7 метров в секунду, и когда клюв встречается с деревом, голова испытывает удар, сила которого более чем в 1000 раз превышает силу земного тяготения. Между тем известно, что человеку, чтобы получить сотрясение мозга, достаточно силы, которая лишь в 80 раз превышает силу земного тяготения. Очевидно, у дятлов голова устроена как-то по-особенному, ведь их клюв не ломается и они не падают с деревьев с сотрясением мозга. Отвести удар от мозга и рассеять его силу им помогает ряд анатомических особенностей.

Начнём с клюва. Верхняя его часть называется надклювье, а нижняя — подклювье. У всех птиц надклювье и подклювье состоят из челюстных костей, покрытых роговым чехлом, или рамфотекой. Рамфотека мягче кости, и когда дятлы работают клювом, она самозатачивается. Кроме того, у дятлов есть особенность в устройстве костей клюва и их рогового чехла. Костная часть верхней половинки клюва чуть-чуть короче костной части нижней половинки, а роговой чехол надклювья чуть длиннее спереди и сзади рогового чехла подклювья.

Теперь представим, что происходит в клюве, когда дятел бьёт по дереву. Относительно мягкая и эластичная роговая часть гасит удар, но не полностью. Те вибрации, которые не поглотились в роговой части клюва, идут дальше и встречают твёрдую его часть. При этом часть ударной силы, которая распространяется по надклювью, уходит в подклювье. Из мягкой и вязкой среды вверху часть удара уходит вниз, в более плотную часть подклювья, потому что в плотной среде ударным вибрациям проще распространяться и потому, что именно нижняя плотная часть встречает удар раньше, чем верхняя. Несовпадение в размерах костной и роговой частей обеих половинок позволяет перераспределить удар так, чтобы из подклювья ударная сила уходила из головы в тело, не затрагивая череп. То есть клюв сначала смягчает удар, а потом отводит его от мозга.

Но так удаётся обезвредить не весь удар: надклювье немного длиннее подклювья и испытывает большее давление при ударе. Какая-то часть ударных вибраций всё-таки идёт по надклювью к черепу. И тут на их пути встаёт подъязычная кость, или гиоид. Подъязычная кость есть и у человека, располагается она, как легко догадаться, под языком и служит для него опорой. Кроме того к ней крепятся мышцы глотки и некоторые мышцы шеи. У дятлов подъязычная кость очень увеличена и затейлива по строению: начинаясь под языком, она разделяется сзади на два отростка, которые тянутся слева и справа, огибают трахею и позвоночник, идут через весь затылок, через темя и лоб, огибают сверху глаза и соединяются в ноздрях. Передняя часть гиоида у дятлов тоже очень сильно удлинена — это такой костно-хрящевой штырь, идущий внутри языка.

В поисках корма дятлы в прямом смысле работают языком, обшаривая им отверстия и полости в древесине. Тонкий, сильный, длинный (у некоторых видов он в несколько раз длиннее клюва), липкий от слюны, усеянный шипиками язык помогает дятлам доставать насекомых из их убежищ. Чтобы язык был одновременно очень длинным, очень сильным и чтобы его можно было при желании высунуть достаточно далеко, дятлам нужна именно такая странная подъязычная кость. Она не только очень большая, но ещё и очень гибкая: выталкивая язык из клюва, отростки подъязычной кости сближаются, чтобы язык высунулся как можно дальше, а в расслабленном состоянии они расходятся, помогая языку спрятаться. Для такой работы нужна надёжная точка опоры, поэтому подъязычная кость огибает череп и крепится в носу.

Гиоид не только помогает дятлам работать языком. Наверняка кто-то уже догадался, что длинная подъязычная кость, огибающая череп, смягчает удар, который распространяется от кончика клюва по надклювью. То есть подъязычная кость — это что-то вроде пояса безопасности: ударная сила идёт по подъязычной кости вокруг черепа к языку, не касаясь мозга. Играет роль и сама структура подъязычной кости. Не вдаваясь в подробности, можно сказать, что по сравнению с обычными костями она как бы вывернута наизнанку. Если в обычных костях сердцевина менее плотная, чем внешний слой, то у подъязычной кости дятлов, наоборот, внешний слой менее плотный и более эластичный, чем сердцевина. Поэтому в целом подъязычная кость у дятлов более гибкая, она не ломается, когда птицы орудуют своим мощным и сильным языком, и лучше поглощает ударные вибрации.

Однако и после подъязычной кости остаётся какая-то ударная сила, которая идёт к черепу. И тут в дело вступает следующая линия защиты — собственно кости черепа. Их строение можно представить как своеобразный бутерброд, в котором между двумя внешними слоями плотного костного вещества лежит менее плотная «начинка». Если посмотреть, как выглядит эта «начинка» у какой-нибудь другой птицы, то мы увидим множество костных разветвлённых мостиков, соединяющих оба внешних слоя «бутерброда». У дятла же пространство между слоями плотного вещества в костях черепа заполнено пластинами, которые лежат более или менее параллельно внешним плотным слоям и накладываются друг на друга (хотя и вертикальные перемычки тоже есть). Если уж совсем сильно упростить, то можно представить себе два бутерброда: в одном сыр, колбаса или что-нибудь ещё, как и полагается, лежат между слоями хлеба, а в другом сыр с колбасой стоят вертикально. Вот первый бутерброд и будет похож на кости черепа дятла. Именно такой костный «бутерброд» лучше поглощает ударную волну: благодаря пластинкам внутри кости ударные вибрации рассеиваются в стороны и слабеют.

Биомеханические исследования говорят о том, что у дятлов главную роль в противоударной защите играют устройство клюва, который отводит силу удара от мозга, и подъязычная кость с костями черепа, которые смягчают и рассеивают ударные вибрации. Только вместе, а не по отдельности, они эффективно защищают мозг от повреждений. Но дятлы перестраховались: у них есть ещё пара анатомических особенностей, защищающих от сотрясения мозга. Как у всех птиц и зверей, мозг дятлов не прилегает вплотную к костям черепа — между ним и черепом остаётся небольшое пространство, заполненное особой жидкостью. От сильного удара мозг начинает «болтаться» в этой жидкости, стукаясь о череп изнутри. Чем больше пространство, тем сильнее удар. У дятлов это пространство меньше, чем у других птиц, и на самом мозге у них меньше выпуклостей, так что если какие-то остатки ударной волны доходят до мозга, они его не травмируют.