Почему не болит голова у дятла?
Этот вопрос задавал себе каждый, кто хоть раз видел дятла, методично и безостановочно долбящего дерево клювом. Ученых этот вопрос занимает даже больше, чем обычных обывателей. Верные своей страсти все измерять, ученые установили, что дятел бьет клювом по дереву с потрясающей мощью – при ударе его голова развивает скорость 5–6 м/с, торможение в 1200 раз превышает ускорение свободного падения g, а частота ударов – более 30 в секунду, причем за день дятел способен нанести 12 000 таких ударов. Такие параметры несовместимы не то что со здоровой головой, но с самой жизнью, а этому пернатому красавцу хоть бы что – долбит себе и долбит.
А ведь при ударе или резком торможении по мозгу должна пройти ударная волна, способная вызвать сильные разрушения. Например, академик В. Е. Фортов, в недавнем прошлом президент Российской академии наук, отмечал в одной из лекций, что именно ударная волна, порожденная камнем, который вылетел из пращи Давида, разорвала мозг Голиафа. Вообще, человек теряет сознание, если при ударе головой перегрузка составит 5–6 g. Пересчет на дятла, у которого и голова, и мозг намного меньше, отпускает ему всего-то 65 g. А он испытывает перегрузку 1300 g, то есть почти в 20 раз больше, и вполне бодр.
Очевидно, у дятла есть какой-то врожденный механизм, позволяющий противостоять волне механических напряжений, распространяющейся по мозгу с каждым ударом клюва. Поисками этого механизма исследователи занимаются с начала 50-х годов XX века. Некоторые скрывали свое детское любопытство за дымовой завесой важной практической задачи – созданием более совершенных шлемов для защиты головы человека. Другие же открыто заявляли, что загадка дятла интересна сама по себе как необъяснимое (пока) явление природы.
Одно из первых объяснений феномена дятла состояло в том, что между клювом и черепом расположена некая упругая прослойка, которая и гасит ударную волну, либо надклювье и подклювье как-то изолированы от костей черепа, из-за чего ударная волна распространяется по мышцам и обходит мозг. Эта точка зрения не всех удовлетворяла, поскольку такое устройство черепа должно снижать эффективность удара клювом. И вот в 1976 году Филипп Мэй с коллегами из лос-анджелесского Госпиталя ветеранов и Калифорнийского университета предложил революционную концепцию[6]: дятел бьет клювом строго перпендикулярно поверхности, и, стало быть, в его голове не возникают сдвиговые напряжения, а именно они и разрушительны для мозга. При этом Мэй ссылался на данные приматологов, которые отметили, что у обезьян удар, приводящий к повороту головы, вызывал сильные повреждения мозга и потерю сознания, а удар той же силы, ориентированный так, что поворота головы не было, и сознание не отключал, и повреждения были меньше.
Дальнейшее расследование было направлено на уточнение обоих механизмов. Одни исследователи считали удары дятла по дереву, фиксировали особенности его позы и точность нанесения ударов, другие же копались в черепе дятла, причем с использованием новейших методов. Так, в работе 2015 года по данным томографии построили трехмерную компьютерную модель черепа, чтобы изучать особенности распространения ударных волн в мозге дятла.
Накопали ученые за полсотни лет немало. Например, выяснилось, что мозг у дятла окружен совсем тонким слоем жидкости, да и сам мозг относительно маленький. Что на лбу у него имеется толстая и при этом весьма пористая кость. Что нижняя часть клюва длиннее, чем верхняя. Самое удивительное открытие – подъязычная косточка: ни у кого такой нет. Вдумайтесь: начинаясь в кончике языка, она примерно у его основания разделяется на две части, проходит сквозь нижнюю челюсть, по бокам обходит горло, позвоночник, поднимается вверх, с двух сторон обнимает затылок, в районе темени снова соединяется в одну кость и заканчивается в правой ноздре. И к этой элегантной конструкции по всей ее длине прикреплена довольно мощная мышца. Причем косточка эта – прекрасный градиентный материал, своего рода шедевр природного материаловедения. Так, жесткость ее начального и конечного участков в два раза меньше, чем у средней части, а прочность начального участка в два раза меньше, чем конечного, возле которого она приближается к прочности алюминия.
Все эти особенности строения, как показывают данные численного моделирования, защищают дятла от сотрясения мозга. Большой упруго-жесткий клюв предохраняет мозг от случайных механических колебаний, возникающих при ударе: он гасит их. Подъязычная косточка в комплексе с языком и мышцами – с точки зрения материаловеда, вся конструкция представляет собой вязкоупругий материал – служит для перераспределения ударной волны. Пористая кость лба, в которую непосредственно упирается верхняя часть клюва, прекрасно рассеивает создаваемые при ударе волны напряжения, точнее, гасит их высокочастотную компоненту. Модельные оценки, полученные с использованием сосуда, заполненного стеклянными микросферами, показали, что пористая кость должна пропускать 90 % низкочастотных колебаний и гасить 90–99 % высокочастотных. Это прекрасный и очень важный результат, поскольку в начальный момент удара именно высокочастотная составляющая ударной волны очень сильна и способна вызвать отключение сознания. Ну а благодаря своей малой толщине слой жидкости, отделяющий кость черепа от мозга, оказывается плохим проводником в мозг тех компонентов ударной волны, у которых длина волны велика. Дятел еще и глаза закрывает – веки становятся дополнительным поглотителем удара. Все эти хитрости, а также тщательно выверенная ориентация клюва относительно поверхности в момент удара – именно она определяет направление движения ударной волны – и позволяют дятлу долбить деревья с утра до вечера и не страдать от головной боли.
