Длинный язык дятла. Почему у дятла не бывает сотрясения мозга Дятел это птица у которой настоящий амортизатор в голове
Image caption Исследование поможет использовать биологический механизм в дизайне защитных касок для людей
Анализ съемки высокоскоростными камерами, томография и компьютерная симуляция помогли пролить свет на то, каким образом дятлам удается уберечь свой мозг от травм.
Голова дятла, долбящего дерево, при каждом ударе движется со скоростью около 6 метров в секунду, подвергаясь при этом перегрузке, в тысячу раз превышающей ускорение свободного падения.
Китайские ученые в статье, опубликованной в издании Plos One, утверждают, что защита мозга птицы обеспечивается за счет различной длины верхней и нижней части ее клюва, а также губчатой структуры пластинчатых костей, которые гасят вибрации.
Эти наблюдения помогут разработать более прочные средства защиты головы для людей.
Ученые уже давно изучают анатомию черепа дятлов, пытаясь понять, как им удается с такой силой стучать по деревьям, не причиняя себе при этом никакого вреда.
Оказалось, что мозг этих птиц плотно прилегает к черепу, и поэтому у него просто физически нет места для движения. Кроме того, мозг дятла больше вытянут по вертикали, чем по горизонтали и, таким образом, нагрузка распределяется на большей площади.
Эксперты также подробно изучили строение подъязычной кости, которая играет в этом процессе важную роль.
Количественные характеристики
Исследователь Гонконгского университета Мин Чжан, один из соавторов научной работы, сообщил, что они с коллегами хотели выяснить численные параметры этого интересного феномена.
"Мы знали, что в прошлом исследователи, в основном, просто пытались объяснить его причины, - рассказал он в интервью Би-би-си. - Чтобы полнее раскрыть эту проблему, нужно изучить количественные характеристики, которые помогут использовать биологические механизмы в дизайне защитных головных уборов для человека и вообще в промышленном дизайне".
С этой целью ученые поставили специальный эксперимент, в котором две видеокамеры фиксировали положение дятла, долбившего клювом датчик, позволяющий измерить силу удара.
Оказалось, что при ударе птица слегка поворачивает голову, и это влияет на распространение действующих сил.
С помощью компьютерной томографии и сканирующей электронной микроскопии черепа дятла эксперты смогли во всех деталях изучить его микроструктуру и определить, в каких местах меняется плотность костей.
Все эти данные, в свою очередь, позволили использовать компьютерную симуляцию для расчета сил, действующих на голову птицы.
В результате исследователи выделили три фактора, которые предохраняют голову дятла от повреждения.
Во-первых, петлеобразная подъязычная кость, проходящая вокруг всего черепа птицы, действует как своеобразный ремень безопасности, особенно в первые мгновения после удара клювом.
Во-вторых, исследователи обнаружили, что длина верхней и нижней части клюва птицы различна, и эта асимметрия по мере передачи силы от кончика клюва к кости снижает нагрузку на мозг.
Наконец, эксперты установили, что равномерному распределению этой нагрузки и, как следствие, защите мозга способствуют также пластинчатые кости с губчатой структурой в разных точках черепа.
Ученые подчеркивают, что мозг дятлов защищен от повреждений именно благодаря сочетанию всех этих трех факторов, а не какой-то одной отдельной особенности.
При работе клювом дятлы испытывают перегрузки от 1200 до 1400 g. Ранее считалось, что благодаря эволюционной адаптации эта птица невосприимчива к черепно-мозговым травмам. Именно из-за этой особенности его модель “работы головой” использовалась при разработке спортивной экипировки, такой, как футбольные шлемы. Однако новое исследование Бостонского университета показывает, что мозг дятлов содержат накопления тау-белка – протеина, связанного с повреждением головного мозга у людей.
Пернатый труженик
Недавнее исследование утверждает, что мозги бедных дятлов, также, как и людей, демонстрируют химические признаки сотрясения.Все мы с детства знакомы с этим пернатым лесным тружеником. С утра до вечера в лесу (да и в спальных районах крупных городов) можно услышать звонкое “тррррр ” – это маленький дятел добывает себе пропитание. Своим конусообразным клювом он продалбливает отверстие в коре, и языком достает насекомых, которые составляет основу его рациона в теплое время года. Зимой же эта птица питается семенами – дятел находит шишку хвойного дерева, зажимает ее между ветвями на дереве, и разбивает клювом, добираясь до семян.
Логично было бы предположить, что раз эта птица способна весь день биться головой об дерево, то мать природа одарила ее мозг защитой от сотрясений и ушибов. Забавно, но до недавнего времени никому и в голову не приходило проверить мозг дятла на наличие характерных повреждений. Недавнее исследование, проведенное медицинской кафедрой Бостонского университета утверждает, что мозги бедных дятлов, также, как и людей, демонстрируют химические признаки сотрясения.
В рамках исследования было проведено сравнение между мозгом пушистого дятла и красноплечего трупиала (которому не нужно стучать клювом по дереву, чтобы раздобыть себе обед) на предмет накопления тау-белка.
Противоударный дятел
Как известно, основные клетки головного мозга это нейроны, которые являются клеточными телами и аксоны – “телефонные линии”, через которые нейроны общаются. Эти “телефонные линии” покрывает тау-белок – он обеспечивает им защиту и стабильность, сохраняя при этом их гибкость. В умеренных количествах тау-белок может быть полезен для стабилизации клеток головного мозга, но накопление аксоном слишком большого количества этого белка может нарушить связь между двумя нейронами. Когда мозг человека получает повреждения, тау-белок накапливается и нарушает работу нервов – под удар попадают когнитивная, эмоциональная и моторная функции.
Накопление тау-белка может быть признаком повреждения мозга у людей – но является ли это признаком аналогичного недуга у дятлов?
Согласно собранным данным, мозги дятлов имеют гораздо большие накопления тау-белка , чем мозги красноплечих трупиалов. С другой стороны, чрезмерное накопление этого протеина может быть признаком повреждения мозга у людей – но является ли это признаком аналогичного недуга у дятлов? Ученые пока не знают ответа на этот вопрос.
Самые первые дятлы появились 25 миллионов лет назад – эти птицы стучат клювами уже очень давно. Если такой образ жизни вызывает сотрясения и ушибы мозга, почему же дятлы до сих пор это делают? Неужели за такой большой срок мозги этих птиц не адаптировались к способу добычи пропитания? Исследователи предполагают, что накопление аксонами дятлов тау-белка может быть не патологией, а защитной реакцией.
Таким образом, дятлы показывают все признаки, того, что выглядит как повреждение мозга у людей, однако скорее всего не страдают от черепно-мозговых травм.
(Picus viridis ). Длина его языка ни много ни мало 10 см - это почти треть длины тела птицы! Таким языком можно без труда извлекать любимую пищу - муравьев и их куколок - из ходов муравейника. Кончик языка дятлов имеет зазубрины, позволяющие накалывать личинок как на копье, или волоски, покрытые клейкой слизью, секретирующейся в слюнных железах.
Безусловно, язык - важный орган для птиц, он служит для сбора пищи, манипуляций с ней и проглатывания. Его строение варьирует у разных видов птиц в зависимости от характера пищи, которую они едят. Строение языка птиц интересно тем, что его поддерживает костный подъязычный аппарат . Внутри основания языка проходит тело подъязычного аппарата, а к рожкам крепятся внешние мышцы. Внутренние мышцы управляют движением костей подъязычного аппарата относительно друг друга, тем самым определяя форму языка. Рожки подъязычного аппарата и прикрепленные к ним мышцы заключены внутри двухслойной соединительнотканной оболочки со смазочной жидкостью между слоями. При сокращении этих мышц рожки скользят внутри оболочки, и в результате язык выдвигается из ротовой полости или втягивается в нее.
У большинства птиц рожки подъязычного аппарата относительно короткие. Если же язык способен достаточно сильно высовываться из клюва, рожки длинные и оборачиваются вокруг черепа. Такое бывает у различных птиц , питающихся нектаром: колибри , медососовых , нектарниц , цветоедовых , а также у дятлов, длинный язык которых позволяет доставать насекомых из-под коры деревьев или муравьев из ходов муравейника.
Самый длинный язык у дятлов рода Picus (это зеленый и седой дятлы - обитатели наших лесов) и у американских шилоклювых дятлов (Сolaptes ), которые тоже любят поедать муравьев и их куколок. Рожки подъязычного аппарата этих птиц оборачиваются вокруг черепа, входят в правую ноздрю и доходят до кончика верхней челюсти! А у обитающего в Новом Свете волосатого дятла (Picoides villosus ) картина еще более удивительная - рожки оборачиваются вокруг правого глаза! Это связано со строением клюва - он уплощен, и во внутренней полости просто нет места. Самый короткий же язык у дятлов-сосунов (Sphyrapicus ), питающихся древесным соком. У них, соответственно, и рожки короче.
Что интересно, у только что вылупившихся дятлов рожки короткие, как у многих других птиц. По мере роста птенца они растут вперед вместе с соединительнотканной оболочкой и мышцами и достигают носовой полости. До вылета из гнезда (около 20–28 дней) птенцов кормят родители, и длинный язык им ни к чему.
Фото ©Margaret the Novice с сайта flickr.com/photos/67065881@N00.
Юлия Михневич
Перевод Павла Волкова
Оригинальный текст находится здесь:
http://omega.med.yale.edu/~rjr38/Woodpecker.htm
http://www.talkorigins.org/faqs/woodpecker/woodpecker.html
Выдвигая подобное утверждение, они представили большое количество информации, касающейся анатомии и физиологии дятла, особенно относящейся к его удивительно длинному языку, которая либо искажена, либо явно ложная.
Задача этого сайта состоит в том, чтобы предложить точную информацию тем, кто в ином случае мог бы принять за чистую монету ошибочные заявления креационистов.
Дятлы (семейство Picidae) – хорошо известные птицы, уникальная анатомия
которых позволяет им использовать необычные экологические ниши. Многие виды
этого семейства демонстрируют интересные приспособления, которые позволяют
им пробивать отверстия в твёрдой, не тронутой гнилью древесине в поисках
насекомых и другой добычи.
Язык дятла – одна из наиболее захватывающих вещей среди этих приспособлений.
В отличие от языка человека, который является главным образом мускульным
органом, языки птиц жёстко поддерживаются хряще-костным скелетом, который
называется «гиоидный аппарат». У всех высших позвоночных имеется гиоид в
той или иной форме; вы можете прощупать «рожки» вашей собственной U-образной
гиоидной кости, сжав верхнюю часть вашего горла между вашими большим и указательным
пальцами. Наш гиоид служит местом прикрепления для некоторых мускулов нашего
горла и языка.
Y-образный гиоидный аппарат птиц, однако, протягивается прямо до самого
кончика их языка. Развилка в «Y» находится прямо перед горлом, и именно в
этой области прикрепляется большинство мускулов гиоида. Два длинных образования,
«рожки» гиоида, растут кзади от этой области и образуют места прикрепления
для вытягивающих мускулов, которые берут начало на нижней челюсти. «Рожки»
гиоида некоторых видов дятлов имеют весьма впечатляющее строение, так как
они могут протягиваться до темени, а у некоторых видов тянутся вокруг глазницы
или даже простираются до носовой полости.
Необычный облик «скелета языка» дятла вдохновил креационистов на использование
его в качестве примера образования, слишком причудливого, чтобы эволюционировать
путём случайных мутаций, которые производили жизнеспособные промежуточные
звенья. Однако, как показывает изложенная ниже информация, странный язык
дятлов – это в действительности лишь удлинённая версия того же самого, что
есть у всех птиц, фактически представляющая собой превосходный пример того,
как анатомические особенности могут быть преобразованы в новые формы мутациями
и естественным отбором.
Некоторые сайты и статьи креационистов, с которыми я ознакомился, содержат
заявление о том, что язык дятла «закреплён в правой ноздре» или
«растёт назад» из носовой полости. Исходные
связи между гиоидным аппаратом дятла и остальной частью его тела – это мускулы
и связки, которые прикрепляют гиоид к кости нижней челюсти, хрящу горла и
основанию (а не вершине) черепа – то же самое положение дел,
что и у всех остальных птиц
. У взрослых особей нескольких
видов рожки гиоида могут в итоге расти вперёд и врастать в носовую полость
сверху – однако
гиоид
и
язык, конечно, не растут ИЗ носовой полости.
|
Собственно птичий язык покрывает переднюю часть гиоидного аппарата – его
задние части, в том числе гиоидные рожки, функционируют как поддерживающие
образования.
Длина гиоидных рожек у различных птиц меняется весьма незначительно, но все
они весьма сходны функционально. Домашняя курица (рисунок 3a) представляет
собой хорошо изученный пример птицы, которая не близкородственна дятлу, но
всё же обладает всеми существенными особенностями гиоида дятла (рисунок 3b).
Гиоидные рожки курицы и чехол из связок, в котором они находятся (fascia
vaginalis
– Fvg) тянутся назад по обеим сторонам горла, затем изгибаются
позади ушей курицы к задней части головы (рисунок 3a).
Сам по себе чехол образуется из мешочка смазывающей жидкости, в который рожки
врастают по мере развития. Эта смазка даёт рожкам некоторую свободу скольжения
вперёд или назад по чехлу, когда язык высовывается или втягивается в ротовую
полость. Между чехлом и рожками есть несколько эластичных связок, но они,
разумеется, не прикреплены к черепу «намертво».
Обратите внимание на точки прикрепления бранхиомандибулярных мускулов (отмеченных
как «Mbm»), которые присоединяются вблизи концов гиоидных рожков, тянутся
вдоль «чехла» и прикрепляются к середине челюстной кости (места прикрепления
отмечены как «Mbma» и «Mbmp»). Это мускулы, которые двигают рожки вниз по
чехлу, прижимают их к черепу и тем самым вытягивают вперёд жёсткий птичий
язык.
Таким образом, парные гиоидные рожки у птицы служат только местом прикрепления
мускулов, которые фактически начинаются на нижней челюсти – сокращение этих
мускулов вытягивает рожки и весь гиоидный аппарат вперёд и кнаружи относительно
черепа, выталкивая язык изо рта, словно копьё.
Как только это представление оказывается понятым, становится очевидным то,
что удлинение гиоидных рожков и прикреплённых [к ним] мускулов, без всяких
прочих изменений общего строения или функции, гарантированно дало бы птице
более длинный язык и позволило бы ей высовывать этот язык дальше изо рта.
Фактически же это как раз то, что происходит по мере того, как взрослеет
молодой дятел.
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».
Кстати. 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.
Красноголовый дятел
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.
Золотой шилоклювый дятел
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».
Зеленый ("седой") дятел
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.
