Ученые выяснили, почему у дятлов не болит голова
https://ria.ru/20111027/472006002.html
Ученые выяснили, почему у дятлов не болит голова
Ученые выяснили, почему у дятлов не болит голова — РИА Новости, 27.10.2011
Ученые выяснили, почему у дятлов не болит голова
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.
2011-10-27T02:36
2011-10-27T02:36
2011-10-27T02:36
/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content
/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content
https://cdnn21.img.ria.ru/images/sharing/article/472006002.jpg?1532820821319668586
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.
xn--p1ai/awards/
2011
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
Новости
ru-RU
https://ria.ru/docs/about/copyright.html
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
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.
Почему у дятла не болит голова?
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.
Фото: lubos.houska/ru.depositphotos.com.
У дятлов плотная костная часть надклювья чуть-чуть короче, чем плотная часть подклювья. Благодаря этому часть ударной силы из надклювья уходит в подклювье и дальше в тело, минуя череп и мозг.
Подъязычная кость, или гиоид, у дятлов очень большая и сложная по строению — её задние отростки огибают череп с затылка и сходятся в носу.
На переднюю часть гиоида насажен тонкий и сильный язык (на рисунке не показан). Когда дятел хочет высунуть язык, задние отростки гиоида сближаются и выталкивают вперёд переднюю часть кости вместе с языком.
Подъязычная кость дятлов служит поясом безопасности, принимая на себя часть удара и не давая ударным вибрациям достичь костей черепа.
Фото: MennoSchaefer/ru.depositphotos.com.
‹
›
Открыть в полном размере
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.
Почему у дятла не болит голова?
Написал: Саманта Хаузерман
показать/скрыть слова, чтобы знать
Сотрясение мозга: черепно-мозговая травма, которая может произойти, когда голова ударяется о предмет.
Сотрясение мозга может вызвать головную боль и потерю сознания…подробнее
Распределить: рассыпать по площади, разбросать.
Подъязычная кость: пращевидная кость в основании черепа, поддерживающая мышцы языка на шее….больше
Что в рассказе?
Слева большой пестрый дятел, справа евразийский удод. Wikimedia Commons — Фрэнк Дребин, Артуро Николай
Если бы вы весь день ударялись головой о ствол дерева, вы, вероятно, не чувствовали бы себя слишком хорошо, как и ваш мозг. Однако дятлы делают это постоянно. Это то, для чего они названы. В статье PLOS ONE «Почему дятлы сопротивляются травме головы: биомеханическое исследование» ученые изучали, как мозг дятла переживает все эти удары.
Наука для птиц?
Ученые провели эксперимент, чтобы выяснить, как мозг дятла защищен от повреждений. Во-первых, ученые выбрали для своего эксперимента два вида птиц: большого пестрого дятла и евразийского удода.
Евразийский удод не дятел, но клюет землю. Почва мягче дерева, поэтому ученые хотели сравнить поведение клева почвы с поведением клевания дерева.
Это упрощенная схема эксперимента. Нажмите, чтобы увеличить.
Птиц поместили в металлические клетки с высокоскоростными камерами. Камеры позволяют ученым наблюдать за тем, как птицы клюют в замедленной съемке. В каждой клетке также был датчик силы, чтобы птицы клевали. Датчик силы измерял, насколько сильно птицы клюют.
Ученые многое узнали о пути, времени и скорости клевания дятла и удода. Затем они использовали эту информацию, чтобы понять, как дятлы могут клевать весь день, не причиняя себе сильной головной боли.
Как птицы, бьющие головой, избегают головной боли?
Эксперимент с клеткой помог ученым узнать о поведении и силе клевания. Ученые также хотели узнать об отличиях черепов дятла и удода.
Ученые сравнили микро-КТ головы и костей черепа дятла (a и c) с головой и костями черепа удода (b и d).
Нажмите, чтобы увеличить.
Ученые использовали специальную технологию под названием микро-КТ, чтобы увидеть форму черепа птиц. Они также использовали специализированные машины для проведения силовых испытаний. Силовые испытания измеряли прочность клюва и костей черепа птиц. Ученые сделали это, чтобы увидеть, есть ли что-то особенное в костях головы дятла, которые защищают его мозг от клевания.
После того, как ученые собрали результаты микро-КТ и силовых тестов, они создали реалистичные модели птичьих черепов с помощью компьютеров. Вы можете увидеть пример одной из этих моделей в золотой коробке вверху этой страницы.
После всей этой тяжелой работы ученые сделали с моделями черепов то, что ваш младший брат делал с вашими любимыми игрушками. Они разбили их. Используя компьютерную модель, они смоделировали силу клевания, чтобы увидеть, что происходит. Вы можете думать об этом как о компьютерной игре, которая рассказывает ученым, как работают черепа. Глядя на то, как ломались модели или где напрягались черепа в их компьютерной программе, ученые могли видеть, как сила распределялась по черепам птиц.
Так почему у дятлов не болит голова?
Вы когда-нибудь ездили на велосипеде с амортизаторами? Если да, то вы знаете, что эти амортизаторы помогают сделать неровную езду более плавной. Амортизаторы делают это, поглощая удар, когда вы едете по пересеченной местности. Благодаря этому вы чувствуете себя комфортно, а велосипед — в целости и сохранности. Головы дятлов чем-то напоминают велосипедные амортизаторы для их мозгов. Кости в черепе дятла поддерживают его мозг в комфорте и предотвращают сотрясение мозга.
Подъязычные кости дятлов действуют как ремни безопасности для их мозга. Слева череп дятла, а справа подъязычные кости дятла и удода. Подъязычная кость дятла — большая, которая полностью обвивает череп, чтобы удерживать его на месте.
Ученые подтвердили, что дятлы довольно хорошо защищают свои головы, используя несколько специальных приемов:
- Дятлы лучше удодов меняют траекторию своего клевания. Двигая клювом больше, дятлы сводят к минимуму повреждение мозга в определенных областях.
- Черепа дятлов более гибкие из-за пластинчатых костей. Это помогает свести к минимуму ущерб от всего этого клевания.
- У дятла есть особая кость, которая служит ремнем безопасности для его черепа. Она называется подъязычной костью и полностью охватывает череп дятла. Каждый раз, когда птица клюет, подъязычная кость действует как ремень безопасности для птичьего черепа и нежного мозга, который он защищает.
- Даже клювы дятла помогают. Верхний клюв дятла длиннее нижнего, что-то вроде прикуса. Но когда вы заглянете внутрь, вы обнаружите, что нижняя часть клюва на самом деле имеет более длинную кость. Нижняя кость клюва в конечном итоге принимает на себя большую часть нагрузки. Это помогает поглощать удары во время клевания и создает нагрузку на тело, а не на мозг.
Череп дятла похож на внутренний велосипедный шлем, защищающий его мозг от повреждений. Ученые даже считают, что кое-что из того, что они узнали о дятлах, можно использовать для создания лучших шлемов.
Возможно, однажды ваша голова будет так же хорошо защищена от повреждений, как мозг дятла.
Дополнительные изображения из Wikipedia Commons и PLOS ONE.
Почему у дятла не болит голова?
Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот как это работает.
Большой пестрый дятел (Dendrocopos major) на дереве. (Изображение предоставлено: Dietiked | Dreamstime)дятла ударяются головой до 20 раз в секунду. Но мышцы, кости и дополнительное веко защищают их маленькие птичьи мозги.
Сильные, плотные мышцы шеи птицы позволяют ей многократно стучать головой. Но именно дополнительные мышцы в черепе удерживают птицу от травм. Эти мышцы действуют как защитный шлем для мозга.
В отличие от человеческого мозга, мозг дятла плотно ограничен мышцами черепа и сжимаемой костью. Это удерживает мозг дятла от раскачивания, когда птица протыкает ствол дерева.
За миллисекунду до удара дятел сокращает мышцы шеи.
Затем он закрывает свое толстое внутреннее веко.
Веко действует как ремень безопасности для глаза, сказал офтальмолог Калифорнийского университета в Дэвисе Иван Шваб, чье исследование этого явления 2007 года было опубликовано в Британском журнале офтальмологии.
Без дополнительного века сетчатка может порваться, и, что еще хуже, глаз может выпасть из глазницы.
Эти средства защиты особенно важны для самцов, которые во время ухаживания клюют до 12 000 раз в день.
В любом случае дятел наносит только прямые удары по дереву. Птицы предотвращают травмы головы, не совершая движений из стороны в сторону.
- Почему птицы откладывают яйца?
- Почему у пингвина не мерзнут ноги на льду?
- Свадебный рис заставляет птиц взрываться?
Есть вопрос? Отправьте его по адресу Life’s Little Mysteries, и мы постараемся на него ответить. К сожалению, из-за большого количества вопросов мы не можем ответить индивидуально, но мы опубликуем ответы на самые интригующие вопросы, так что заходите позже.