Орнитологи не нашли амортизаторов в черепе дятла

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.

Сергей Коленов