Мова з ніздрі та навколо шиї: просто дятел. Розгадати загадку дятлів намагалися китайські біологи Чому у дятла немає струсу
(Picus viridis). Довжина його язика не мало не мало 10 см - це майже третина довжини тіла птиці! Таким мовою можна легко витягувати улюблену їжу - мурах та їх лялечок - з ходів мурашника. Кінчик язика дятлів має зазубрини, що дозволяють наколювати личинок як на спис, або волоски, покриті клейким слизом, що секретується в слинних залозах.
Безумовно, мова - важливий орган для птахів, він служить для збирання їжі, маніпуляцій з нею та ковтання. Його будова варіює у різних видів птахів залежно від характеру їжі, яку вони їдять. Будова язика птахів цікава тим, що її підтримує кістковий під'язичний апарат. Усередині основи язика проходить тіло під'язикового апарату, а до ріжків кріпляться зовнішні м'язи. Внутрішні м'язи управляють рухом кісток під'язикового апарату щодо один одного, тим самим визначаючи форму язика. Ріжки під'язикового апарату та прикріплені до них м'язи укладені всередині двошарової сполучнотканинної оболонки з мастильною рідиною між шарами. При скороченні цих м'язів ріжки ковзають усередині оболонки, і в результаті язик висувається з порожнини рота або втягується в неї.
Більшість птахів ріжки під'язикового апарату щодо короткі. Якщо ж мова здатна досить сильно висовуватися з дзьоба, ріжки довгі і обертаються навколо черепа. Таке буває у різних птахів, що харчуються нектаром: колібрі, медососових, нектарниць, квіткоїдових, а також у дятлів, довгий язик яких дозволяє діставати комах з-під кори дерев або мурах з ходів мурашника.
Найдовша мова у дятлів роду Picus(це зелений і сивий дятли - мешканці наших лісів) і в американських шилоклювих дятлів ( Сolaptes), які теж люблять поїдати мурах та їх лялечок. Ріжки під'язикового апарату цих птахів обертаються навколо черепа, входять у праву ніздрю і сягають кінчика верхньої щелепи! А у живого в Новому Світі волохатого дятла ( Picoides villosus) картина ще дивовижніша - ріжки обертаються навколо правого ока! Це пов'язано з будовою дзьоба - вона сплощена, і у внутрішній порожнині просто немає місця. Найкоротша ж мова у дятлів-сосунів ( Sphyrapicus), що харчуються деревним соком. У них, відповідно, і ріжки коротші.
Що цікаво, у дятлів, що щойно вилупилися, ріжки короткі, як у багатьох інших птахів. У міру зростання пташеня вони ростуть вперед разом із сполучнотканинною оболонкою і м'язами і досягають носової порожнини. До вильоту з гнізда (близько 20-28 днів) пташенят годують батьки, і довга мова їм ні до чого.
Фото ©Margaret the Novice із сайту flickr.com/photos/ [email protected]
Юлія Міхневич
Дятел на день робить близько 12 тис. ударів головою, при цьому не завдаючи собі жодної шкоди! Цей дивовижний факт не піддавався жодному поясненню, адже при цьому створюється навантаження в 1 тисячу разів більше, ніж при вільному падінні. Встановлено, що деякі види дятлів у процесі довбання кори дерева здатні рухати дзьобом зі швидкістю майже 25 км/год! При цьому його голова відкидається назад з величезним негативним прискоренням, яке більш ніж удвічі перевищує те, що космонавти зазнають при старті! Нещодавно, група вчених з Китаю змогли відповісти на запитання: «Чому у дятла не болить голова?».
Виявляється, дятел має кілька унікальних здібностей, і цікаву будову голови.
Вперше повністю розшифрувати механізм запобігання голові дятла від струсу вдалося двом американським ученим, Айвану Швобу з Каліфорнійського університету в Девісі та Філіппу Мею з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі, які у 2006 році отримали за це відкриття Ігнобелівську премію «відкриття, викликають спочатку лише сміх, та був змушують задуматися», у світі науки ця премія не менш популярна, ніж Нобелівська). Біологи досліджували цей механізм на прикладі златолобого дятла ( Melanerpes aurifrons), що мешкає в лісах США, проте вважають, що, мабуть, така система безпеки властива всім представникам дятлоподібних ( Piciformes).
Отже, чому ж дятел не отримує струс мозку. По-перше, тому, що його надтверда дзьоб ударяє в стовбур строго перпендикулярно поверхні останнього, не згинається і не вібрує від удару. Це забезпечує скоординована робота шийних м'язів – при «довбильних» роботах діють лише ті м'язи, які відповідають за рух голови вперед-назад, а ті, що здійснюють бічні рухи шиї, не діють. Тобто, дятел чисто фізично не може відхилитися від обраного курсу.
Крім того, черепну коробку цього птаха та її мозок відокремлює лише тонкий шар внутрішньочерепної рідини, що не дозволяє вібраціям набрати достатньо сили для небезпечного впливу на мозок. Крім того, ця рідина досить в'язка, тому відразу ж гасить всі хвилі, що виникають від удару, здатні пошкодити найважливіший нервовий центр.
Також важливу роль у захисті мозку від струсу відіграє гіоїд - найважливіший елемент під'язикової кістки птахів, який сам по собі є хрящем, ніж справжньою кістковою тканиною. У дятлів він надзвичайно розвинений, дуже великий і протяжний, розташовується не тільки в глотці (як у ссавців), а заходить і в носоглотку, обернувшись перед цим навколо черепа. Тобто всередині черепної коробки цього птаха є додатковий пружний амортизатор.
Крім того, як показало дослідження внутрішньої будови черепних кісток дятла, майже всі вони містять губчасту пористу тканину, яка є додатковим амортизатором. У цьому відношенні череп дятла швидше схожий на такий у пташеня, ніж у дорослого птаха (у якого частка губчастої речовини в кістках надзвичайно мала). Так що ті вібрації, які не вдалося «погасити» черепну рідину та гіоїду, «заспокоює» губчасту речовину кісток.
Крім того, дятел має ще своєрідний «ремінь безпеки» для очей - під час удару третя повіка (миготлива перетинка) опускається на око цього птаха, щоб уберегти очне яблуко від вібрації та не допустити відшарування сітківки. Так що зір у дятлів, незважаючи на «довба» спосіб життя, завжди в порядку.
Ну і, звичайно, щоб у черепі помістилися всі ці системи безпеки, дятлам довелося істотно скоротити поверхню свого мозку. Однак дурніші за інших птахів від цього вони зовсім не стали - навпаки, дятел дуже розумний і має досить складну територіальну і гніздову поведінку. Справа в тому, що, на відміну від ссавців, у птахів процеси вищої розумової діяльності відбуваються зовсім не в корі великих півкуль, а в смугастих тільцях, що лежать під нею, і шарі, званому гіперстріатум. А ці частини мозку початково займають не дуже велику площу, тому що нейрони, що знаходяться в них, досить щільно упаковані. Тому дятел може легко стиснути свій мозок без шкоди своєму інтелекту.
Отже, чому ж цей розумний птах може навчити людей? Та хоча б тому, як розробляти досконалі протиударні конструкції. Подібну роботу нещодавно виконали американські вчені з Лабораторії біоінженерії Університету Берклі. Ретельне вивчення уповільненої відеозйомки «довбання» і даних томографії дятлів дозволило їм розробити штучну демпфуючу (тобто забезпечує безпеку) систему, аналогічну такої у дятлів.
Роль супертвердого дзьоба в штучному демпфері може грати міцна зовнішня оболонка – наприклад, сталева чи титанова. Функцію внутрішньочерепної рідини в даному пристрої бере на себе другий внутрішній шар металу, відокремлений від зовнішнього, сталевого, еластичним шаром. Під ним знаходиться шар твердої, але водночас еластичної гуми - аналог гіоїда. А «замінником» губчастих структур є заповнення всього порожнього об'єму під цією гумою щільно запакованими скляними кульками розмірами близько одного міліметра. Доведено, що вони дуже ефективно «розпорошують» енергію удару і блокують передачу небезпечних вібрацій на найціннішу центральну частину, заради якої всі ці системи існують - тобто якесь «мозок».
Подібний демпфер, на думку розробників, може захищати різні тендітні конструкції, наприклад, електроніку, від сильних ударів. Можна поміщати в таку оболонку «чорні ящики» літаків, бортові комп'ютери кораблів або використовувати її при розробці пристроїв нового покоління, що катапультуються. Не виключено, що цю оболонку можна використовувати в корпусі автомобіля як додатковий демпфер.
Після створення мініатюрного прототипу дослідники провели перші випробування даної оболонки. Вони помістили його в кулю і з газової рушниці вистрілили в товстий лист алюмінію. Перевантаження від удару досягло 60000 g, але демпфер ефективно захистив заховану в ньому електронну начинку. Отже, ця система досить ефективно працює. Тепер розробники працюють над створенням такого ж таки демпфера великих розмірів.
Китайські вчені досліджували захист дятла від ударів та вібрації, що на їхню думку може допомогти створити нові антиударні матеріали та структури, які можуть бути використані у різних сферах діяльності. Інженери державної лабораторії структурного аналізу для промислового обладнання університету Далянь виявили, що все тіло дятла працює як відмінний протиударний механізм, поглинаючи енергію впливу.
Птах клює дерево з дуже великою частотою (близько 25 Герц) і швидкістю (близько семи метрів на секунду), що більше ніж у 1000 разів земної сили тяжіння. Вчені зробили спеціальну 3Д комп'ютерну модель, використовуючи томограму, щоб зрозуміти, як саме дятел захищає свій мозок від пошкодження.
Вчені з'ясували, що більшість енергії удару акумулюється тілом птиці (99,7%) і лише 0,3% припадає на голову дятла. Частина енергії удару приймає він дзьоб птиці, ще частина під'язикова кістка птиці. А та невелика частина енергії, яка все-таки припадає на голову дятла, перетворюється на тепло, через що температура головного мозку сильно збільшується.
Птах змушений робити перерви між клюванням дерева, щоб знизити цю температуру.
Чому дятли під час удару дзьобом об дерево не отримують струс мозку, намагалися пояснити китайські вчені. Результати дослідження цієї загадки природи було опубліковано у журналі PLoS One.
Череп дятлів уже давно знаходиться в полі зору та вивчення вчених, які намагалися зрозуміти, як цим птахам вдається з такою силою стукати по стовбуру дерев, не завдаючи собі шкоди. Виявилося, що у дятлів мозок щільно прилягає до черепа, і тому в нього просто фізично немає місця для руху, на відміну від людини. До того ж, мозок дятла витягнутий по вертикалі більше, ніж по горизонталі і, як наслідок, навантаження розподіляється краще.
У статті китайських біологів говориться, що на підставі зйомки високошвидкісними камерами та за допомогою комп'ютерної графіки та томографії вчені змогли докладно роз'яснити, чому дятли не зазнають пошкоджень мозку, постійно ударяючи по деревах дзьобом.
Коли дятел довбає дерево, швидкість руху його голови досягає 6-7 метрів за секунду, при ударі на мозок діє прискорення близько одного кілограма, при цьому досі невідомо, як птахи уникають травм головного мозку. Оскільки, за даними дослідників, саме такі пошкодження, пов'язані з різкою зміною кутової швидкості руху голови внаслідок удару, є головною причиною смертності людей, які потрапляють в аварію або в іншу екстремальну ситуацію.
У новій дослідницькій роботі вчені провели біомеханічний аналіз стану голови та мозку дятла під час його довбання деревини. Під час проведення спеціального експерименту дві відеокамери фіксували положення дятла, який довбав дзьобом датчик, який вимірював силу удару. При цьому дослідники констатували, що при ударі дятел трохи повертає голову, що впливає на розподіл чинних сил.
Крім того, за допомогою комп'ютерної томографії та сканерів експерти змогли у всіх деталях вивчити мікроструктуру черепа дятла та визначити щільність кісток. Ці дані за допомогою методу комп'ютерної симуляції дозволили розрахувати сили, що діють на голову птаха при ударах.
Дослідники виділили три фактори, що дозволяють захистити голову дятла від пошкодження. Перший: петлеподібна під'язична кістка, що проходить навколо всього черепа птиці, діє як своєрідний ремінь безпеки під час удару дзьобом. Другий: довжина верхньої та нижньої частини дзьоба дятла різна. Завдяки цьому, у міру передачі сили удару від кінчика дзьоба до кістки черепа знижується навантаження на мозок. Третій: рівномірному розподілу навантаження та захисту мозку сприяють пластинчасті кістки з губчастою структурою у різних місцях черепа птиці.
Дослідники наголошують, що завдяки поєднанню всіх цих трьох факторів мозок дятлів захищений від пошкоджень.
Дятел на день робить близько 12 тис. ударів головою, при цьому не завдаючи собі жодної шкоди! Цей дивовижний факт не піддавався жодному поясненню, адже при цьому створюється навантаження в 1 тисячу разів більше, ніж при вільному падінні.
Встановлено, що деякі види дятлів у процесі довбання кори дерева здатні рухати дзьобом зі швидкістю майже 25 км/год! При цьому його голова відкидається назад з величезним негативним прискоренням, яке більш ніж удвічі перевищує те, що космонавти зазнають при старті! Нещодавно, група вчених з Китаю змогли відповісти на запитання: «Чому у дятла не болить голова?».
Виявляється, дятел має кілька унікальних здібностей, і цікаву будову голови.
Вперше повністю розшифрувати механізм захисту голови дятла від струсу вдалося двом американським ученим, Айвану Швобу з Каліфорнійського університету в Девісі та Філіппу Мею з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі, які у 2006 році отримали за це відкриття Ігнобелівськупремію (це премія, яку вчені отримують за «відкриття, що викликають спочатку лише сміх, а потім змушують замислитись»).
До речі. У світі науки ця премія не менш популярна ніж Нобелівська).
Біологи досліджували цей механізм на прикладі златолобого дятла (Melanerpes aurifrons), який живе в лісах США, проте вважають, що, мабуть, така система безпеки властива всім представникам дятлоподібних (Piciformes).
Отже, чому ж дятел не отримує струс мозку. По-перше, тому, що його надтверда дзьоб ударяє в стовбур строго перпендикулярно поверхні останнього, не згинається і не вібрує від удару. Це забезпечує скоординована робота шийних м'язів — при «довбильних» роботах діють лише ті м'язи, які відповідають за рух голови вперед-назад, а ті, що здійснюють бічні рухи шиї, не діють. Тобто, дятел чисто фізично не може відхилитися від обраного курсу.
Крім того, черепну коробку цього птаха та її мозок відокремлює лише тонкий шар внутрішньочерепної рідини, що не дозволяє вібраціям набрати достатньо сили для небезпечного впливу на мозок. Крім того, ця рідина досить в'язка, тому відразу ж гасить всі хвилі, що виникають від удару, здатні пошкодити найважливіший нервовий центр.
Також важливу роль у захисті мозку від струсу відіграє гіоїд - найважливіший елемент під'язикової кістки птахів, який сам по собі є хрящем, ніж справжньою кістковою тканиною. У дятлів він надзвичайно розвинений, дуже великий і протяжний, розташовується не тільки в глотці (як у ссавців), а заходить і в носоглотку, обернувшись перед цим навколо черепа. Тобто всередині черепної коробки цього птаха є додатковий пружний амортизатор.
Крім того, як показало дослідження внутрішньої будови черепних кісток дятла, майже всі вони містять губчасту пористу тканину, яка є додатковим амортизатором. У цьому відношенні череп дятла швидше схожий на такий у пташеня, ніж у дорослого птаха (у якого частка губчастої речовини в кістках надзвичайно мала). Так що ті вібрації, які не вдалося «погасити» черепну рідину та гіоїду, «заспокоює» губчасту речовину кісток.
Червоноголовий дятел
Крім того, дятел має ще своєрідний «ремінь безпеки» для очей - під час удару третя повіка (миготлива перетинка) опускається на око цього птаха, щоб уберегти очне яблуко від вібрації та не допустити відшарування сітківки. Так що зір у дятлів, незважаючи на «довба» спосіб життя, завжди в порядку.
Ну і, звісно, щоб у черепі помістилися всі ці системи безпеки, дятлам довелося істотно скоротити поверхню свого мозку. Проте дурніші за інших птахів від цього вони зовсім не стали — навпаки, дятел дуже розумний і має досить складну територіальну і гніздову поведінку. Справа в тому, що, на відміну від ссавців, у птахів процеси вищої розумової діяльності відбуваються зовсім не в корі великих півкуль, а в смугастих тільцях, що лежать під нею, і шарі, званому гіперстріатум. А ці частини мозку початково займають не дуже велику площу, тому що нейрони, що знаходяться в них, досить щільно упаковані. Тому дятел може легко стиснути свій мозок без шкоди своєму інтелекту.
Золотий шиклювий дятел
Отже, чому ж цей розумний птах може навчити людей? Та хоча б тому, як розробляти досконалі протиударні конструкції. Подібну роботу нещодавно виконали американські вчені з Лабораторії біоінженерії Університету Берклі. Ретельне вивчення уповільненої відеозйомки «довбання» і даних томографії дятлів дозволило їм розробити штучну демпфуючу (тобто забезпечує безпеку) систему, аналогічну такої у дятлів.
Роль супертвердого дзьоба в штучному демпфері може грати міцна зовнішня оболонка, наприклад, сталева або титанова. Функцію внутрішньочерепної рідини в даному пристрої бере на себе другий внутрішній шар металу, відокремлений від зовнішнього, сталевого, еластичним шаром. Під ним знаходиться шар твердої, але водночас еластичної гуми — аналог гіоїда. А «замінником» губчастих структур є заповнення всього порожнього об'єму під цією гумою щільно запакованими скляними кульками розмірами близько одного міліметра. Доведено, що вони дуже ефективно «розпорошують» енергію удару і блокують передачу небезпечних вібрацій на найціннішу центральну частину, заради якої всі ці системи існують — тобто якесь «мозок».
Зелений ("сивий") дятел
Подібний демпфер, на думку розробників, може захищати різні тендітні конструкції, наприклад, електроніку, від сильних ударів. Можна поміщати в таку оболонку «чорні ящики» літаків, бортові комп'ютери кораблів або використовувати її при розробці пристроїв нового покоління, що катапультуються. Не виключено, що цю оболонку можна використовувати в корпусі автомобіля як додатковий демпфер.
Після створення мініатюрного прототипу дослідники провели перші випробування даної оболонки. Вони помістили його в кулю і з газової рушниці вистрілили в товстий лист алюмінію. Перевантаження від удару досягло 60000 g, але демпфер ефективно захистив заховану в ньому електронну начинку. Отже, ця система досить ефективно працює. Тепер розробники працюють над створенням такого ж таки демпфера великих розмірів.
Китайські вчені досліджували захист дятла від ударів та вібрації, що на їхню думку може допомогти створити нові антиударні матеріали та структури, які можуть бути використані у різних сферах діяльності. Інженери державної лабораторії структурного аналізу для промислового обладнання університету Далянь виявили, що все тіло дятла працює як відмінний протиударний механізм, поглинаючи енергію впливу.
Птах клює дерево з дуже великою частотою (близько 25 Герц) і швидкістю (близько семи метрів на секунду), що більше ніж у 1000 разів земної сили тяжіння. Вчені зробили спеціальну 3Д комп'ютерну модель, використовуючи томограму, щоб зрозуміти, як саме дятел захищає свій мозок від пошкодження.
Вчені з'ясували, що більшість енергії удару акумулюється тілом птиці (99,7%) і лише 0,3% припадає на голову дятла. Частина енергії удару приймає він дзьоб птиці, ще частина під'язикова кістка птиці. А та невелика частина енергії, яка все-таки припадає на голову дятла, перетворюється на тепло, через що температура головного мозку сильно збільшується.
Птах змушений робити перерви між клюванням дерева, щоб знизити цю температуру.
Image caption Дослідження допоможе використати біологічний механізм у дизайні захисних касок для людей
Аналіз зйомки високошвидкісними камерами, томографія та комп'ютерна симуляція допомогли пролити світло на те, як дятлам вдається вберегти свій мозок від травм.
Голова дятла, що довбає дерево, при кожному ударі рухається зі швидкістю близько 6 метрів в секунду, піддаючись при цьому навантаженню, що в тисячу разів перевищує прискорення вільного падіння.
Китайські вчені у статті, опублікованій у виданні Plos One, стверджують, що захист мозку птиці забезпечується за рахунок різної довжини верхньої та нижньої частини її дзьоба, а також губчастої структури пластинчастих кісток, що гасять вібрації.
Ці спостереження допоможуть розробити більш міцні засоби захисту для людей.
Вчені вже давно вивчають анатомію черепа дятлів, намагаючись зрозуміти, як їм вдається з такою силою стукати по деревах, не завдаючи собі ніякої шкоди.
Виявилося, що мозок цих птахів щільно прилягає до черепа, тому у нього просто фізично немає місця для руху. Крім того, мозок дятла більше витягнутий по вертикалі, ніж по горизонталі і таким чином навантаження розподіляється на більшій площі.
Експерти також докладно вивчили будову під'язикової кістки, яка відіграє у цьому важливу роль.
Кількісні характеристики
Дослідник Гонконзького університету Мін Чжан, один із співавторів наукової роботи, повідомив, що вони з колегами хотіли з'ясувати чисельні параметри цього цікавого феномену.
"Ми знали, що в минулому дослідники здебільшого просто намагалися пояснити його причини, - розповів він в інтерв'ю Бі-бі-сі. - Щоб повніше розкрити цю проблему, потрібно вивчити кількісні характеристики, які допоможуть використати біологічні механізми у дизайні захисних головних уборів для людини і взагалі у промисловому дизайні".
З цією метою вчені поставили спеціальний експеримент, у якому дві відеокамери фіксували положення дятла, що довбав дзьобом датчик, що дозволяє виміряти силу удару.
Виявилося, що при ударі птах трохи повертає голову, і це впливає на поширення діючих сил.
За допомогою комп'ютерної томографії та скануючої електронної мікроскопії черепа дятла експерти змогли у всіх деталях вивчити його мікроструктуру та визначити, у яких місцях змінюється щільність кісток.
Усі ці дані, своєю чергою, дозволили використовувати комп'ютерну симуляцію до розрахунку сил, які діють на голову птиці.
В результаті дослідники виділили три фактори, які оберігають голову дятла від ушкодження.
По-перше, петлеподібна під'язикова кістка, що проходить навколо всього черепа птиці, діє як своєрідний ремінь безпеки, особливо в перші миті після удару дзьобом.
По-друге, дослідники виявили, що довжина верхньої та нижньої частини дзьоба птиці різна, і ця асиметрія в міру передачі сили від кінчика дзьоба до кістки знижує навантаження на мозок.
Нарешті, експерти встановили, що рівномірному розподілу цього навантаження і, як наслідок, захисту мозку сприяють пластинчасті кістки з губчастою структурою в різних точках черепа.
Вчені підкреслюють, що мозок дятлів захищений від пошкоджень саме завдяки поєднанню всіх цих трьох факторів, а не одній окремій особливості.
