Часто утверждается, что дятлы избегают сотрясения мозга за счет того, что губчатые кости их черепа поглощают энергию удара. Однако анализ высокоскоростных записей показал, что в голове этих птиц нет никакого амортизатора. А если бы он все-таки был, то просто снизил бы эффективность ударов клюва по дереву и помешал дятлам добывать пищу и выдалбливать дупла. Как отмечается в статье для журнала Current Biology, на самом деле дятлы не нуждаются в амортизаторе внутри черепа, поскольку их внутричерепное давление во время удара намного ниже порога сотрясения мозга.
Дятлы регулярно долбят клювом стволы деревьев, чтобы добраться до личинок насекомых, сделать дупло для гнезда или пообщаться с сородичами с помощью барабанной дроби. Однако резкие остановки головы из-за постоянных ударов о твердую поверхность чреваты повреждениями мозга. Когда клюв дятла быстро соприкасается с деревом, передняя часть его мозга сжимается, а задняя — расширяется, из-за чего нейроны могут пострадать и даже утратить функциональность.
Принято считать, что дятлы обходят эту проблему благодаря тому, что в их черепе есть амортизатор. Согласно предыдущим исследованиям, в его роли выступает слой губчатой кости, который особенно развит в лобной части. Предполагается, что он действует подобно велосипедному шлему или подушке безопасности, поглощая энергию удара. Кроме того, в качестве дополнительных амортизаторов могут служить мышцы-протракторы квадратной кости и подклювья.
В большинстве источников, от орнитологических монографий до популярных статей и информационных стендов в зоопарках, идея о том, что мозг дятла защищен от повреждений с помощью амортизатора, подается как твердо установленный факт. Инженеры даже вдохновлялись строением черепа этих птиц при создании амортизирующих материалов.
Тем не менее, никто никогда не проверял, действительно ли черепа дятлов способны смягчать удары. Более того, при ближайшем рассмотрении эта гипотеза кажется внутренне противоречивой. Если череп или мышцы служат амортизаторами, то они ослабляют силу, с которой клюв дятла ударяет по дереву. В результате птица вынуждена прилагать больше усилий, чтобы добраться до пищи или выдолбить дупло, что подвергает мозг дополнительным нагрузкам.
Команда зоологов под руководством Сэма ван Вассенберга (Sam van Wassenbergh) из Антверпенского университета решила разобраться в этой запутанной теме. Исследователи сняли на высокоскоростную камеру, как живущие в неволе дятлы долбят древесину. В тестах участвовали два больших пестрых дятла (Dendrocopos major), две желны (Dryocopus martius) и две хохлатые желны (D. pileatus). В общей сложности авторы записали 109 видеороликов. Затем они отследили положение нескольких точек на головах дятлов: двух на клюве, одной на глазу и, в случае хохлатых желн, одной позади глаза.
Проанализировав видеозаписи, ван Вассенберг с соавторами выяснили, что при ударе о дерево точка на глазу дятла, а значит и передняя часть мозга, движется с тем же или даже большим по модулю отрицательным ускорением, что и клюв. Таким образом, вопреки популярному представлению, во время удара мозг дятла замедляется так же резко, как и его клюв. Дополнительный анализ продемонстрировал, что амортизация в черепе дятла либо пренебрежимо мала, либо вовсе отсутствует.
Затем исследователи создали компьютерную модель черепа желны, отталкиваясь от анатомических замеров и данных о скорости и замедлении головы во время удара по дереву. Как и предполагали авторы, если в модели между основанием клюва и мозгом разместить амортизатор, клюв будет проникать в древесину намного менее глубоко. Эту ситуацию можно сравнить с попыткой забить гвоздь молотком, ударная поверхность которого крепится к головке на пружине. Таким образом, чтобы проникнуть клювом на одинаковую глубину, дятлу с амортизирующим черепом потребовалось бы совершить намного большую работу, чем дятлу с жестким черепом. А когда модели амортизирующих голов клевали по дереву с повышенной скоростью, чтобы компенсировать снизившуюся эффективность ударов, способность амортизатора защищать мозг сходила на нет.
На последнем этапе ван Вассенберг и его коллеги решили выяснить, как дятлам удается избежать травм мозга, если учесть, что в их черепе нет амортизатора. Представив черепную коробку дятла в виде заполненного водой закрытого сосуда, авторы рассчитали, какое давление создается в ней во время удара. У взрослого человека при сотрясении мозга, которое вызвано резким замедлением в сагиттальном направлении, в передней части черепной коробки создается давление в 103 килопаскаля, а в задней — в 101 килопаскаль. Однако в черепных коробках желны, хохлатой желны и большого пестрого дятла даже при максимальных значениях отрицательного ускорения давление составляет лишь 60 процентов, 39 процентов и 50 процентов от этих цифр соответственно. Чтобы получить сотрясение мозга, дятлам нужно ударять по дереву в два-три раза быстрее или долбить в четыре раза более твердую древесину.
Таким образом, популярная идея об амортизирующем черепе дятла оказалась всего лишь мифом. Тем не менее, авторы предполагают, что у этих птиц все же есть определенные механизмы, защищающие мозг от менее серьезных повреждений, чем сотрясение. Среди них суженное субарахноидальное пространство, стабилизация микротрубочек в нейронах лобной доли благодаря специализированным белкам, а также, возможно, сужение шейных вен, которое повышает артериальное давление в мозге.
Ранее Сэм ван Вассенберг и его коллеги выяснили, как дятлам удается не застревать клювом в древесине. Оказалось, что, нанеся удар, дятел немного запрокидывает голову, а его надклювье при этом сдвигается в противоположную сторону, образуя зазор между клювом и дном проделанного отверстия. В результате птица быстро и без усилий извлекает клюв.
Источник: nplus1.ru
Ученые выяснили, почему у дятлов не повреждается мозг. Он просто слишком маленький
Ученые из Бельгии опровергли популярную гипотезу, что почему дятлы не получают сотрясение мозга, когда стучат головой по дереву. Ранее считалось, что строение черепа амортизирует удары, но исследователи доказали, что головы дятлов скорее похожи на жесткие молотки, а не защитные шлемы. Они обеспечивают эффективность клевания, а не защищают мозг.
Авторы новой работы проанализировали высокоскоростные видеозаписи того, как дятлы трех видов (Dendrocopos major, Dryocopus pileatus и Dryocopus martius) долбят кору. Ученые оценивали замедление удара во время клевания, а также разработали биомеханические модели птичьих черепов.
Результаты показали, что черепа дятлов вовсе не защищают их мозг, а любая амортизация была бы для этих птиц невыгодной и слишком энергозатратной.
Но динамичные удары все-таки не наносят вреда мозгу дятлов. Ученые считают, что это потому, что их мозг слишком маленький. Давление обеспечивает безопасность мозга дятла, а сила воздействия на него ниже той, которая может привести к сотрясению мозга.
Тем не менее эти птицы не застрахованы от черепно-мозговой травмы. Они могут ее получить, если вместо дерева по ошибке начнут долбить металл.
Источник: knife.media
Учёные из Бельгии опровергли гипотезу, почему у дятлов не бывает сотрясения мозга
Учёные из Бельгии опровергли гипотезу о строении черепа дятла. В ней говорилось, что он тверже и амортизирует удары о ствол дерева. Оказалось, голова дятла эволюционировала в сторону развития эффективности клевания, а не защиты мозга. Размер и форма черепной коробки обеспечивают такое внутричерепное давление, при котором мозг дятла находится в безопасности. Результаты этих исследований уже опубликованы в журнале Current Biology.
Исследователи задавались вопросом, почему дятлы при стуке головой о дерево не получают сотрясение мозга. Они предполагали, что строение черепа данных птиц должно как-то смягчать удары. Такая гипотеза не имела логического объяснения, поскольку любое поглощение или рассеивание кинетической энергии черепом должно было ухудшить способность птицы долбить древесину, но этого не происходило. И вряд ли должно было появиться в процессе эволюции.
И вот ученые из Университета Антверпена в Бельгии нашли опровержение гипотезе. Они показали, что головы дятлов больше походят на конструкцию молотков, чем на конструкцию защитных шлемов.
В исследованиях проанализировали высокоскоростные видеозаписи долбления коры деревьев дятлами трех видов (Dendrocopos major, Dryocopus pileatus и Dryocopus martius). Учёные количественно оценили замедление ударов во время клевания, а потом разработали биомеханические модели черепов птиц приведенных видов. Результаты показали, что голова дятлов создана для повышения эффективности клевания, а не для защиты мозга. И любая амортизация черепа была бы невыгодной и энергозатратной для дятлов.
Далее исследователи решили выяснить, почему такие динамичные удары не наносят вред мозгу дятлов: у человека или обезьяны было бы сотрясение. Исследователи провели численное моделирование влияния размера и формы черепной коробки на внутричерепное давление. Выяснилось, что давление обеспечивает безопасность мозга дятла, включая сильные удары.
Всё из-за силы воздействия: она ниже действующей на мозг. Однако дятлы все же могут получить черепно-мозговую травму. К примеру, если по ошибке будут сильно долбить металл.
Если бы гипотеза с упрочненным черепом была справедлива, то в процессе эволюции вполне могли бы быть дятлы с увеличенными головами и сильными мышцами шеи. Но и в этом случае их мозг и череп были бы таких размеров, что удары стали бы опасны.
Данные результаты работы имеют и некоторое практическое применение. Раньше инженеры вдохновлялись старым представлением анатомии черепного скелета дятла во время разработки амортизирующих материалов и шлемов. Учитывая новые исследования, показывающие, что строение головы дятла сводит к минимуму поглощение ударов, для человека это, возможно, не лучшая идея.
- Читальный зал
- Научно-популярное
- Биология
Источник: habr.com