Шнобелевская премия. Самые нелепые изобретения и не только

Дятлы могут совершать до 12 тысяч ударов в сутки с частотой до 20 ударов в секунду (да, именно 20 — это не опечатка). При каждом "торможении" клювом о дерево птица испытывает перегрузку в 1200-1400g (для сравнения: максимально допустимая перегрузка пилота в сверхзвуковом истребителе Су-27 составляет 9g). Каким же образом дятлы избегают всевозможных неприятностей, связанных с таким образом жизни?

Обычная камера, снимающая со скоростью 24 кадра в секунду, не в состоянии зафиксировать движения стучащего по дереву большого пестрого дятла. Для этого требуется аппаратура, снимающая как минимум 40 кадров в секунду.

Специалисты изучают этот вопрос не одно десятилетие, и двое из них — Филип Мэй (посмертно) и Айван Шваб — в 2006 году стали лауреатами Шнобелевской премии в номинации "Орнитология" за объяснение, почему у дятлов не болит голова.

Филип Мэй с коллегами опубликовал свое исследование еще в 1976 году в авторитетнейшем медицинском журнале The Lancet. Ученые проанализировали строение черепа дятла и предположили, что информация о структуре его костей и расположении мышц может помочь людям сконструировать шлемы, более надежно защищающие голову при столкновении или ударе. Мэй пишет: "Обычно использующиеся защитные и военные шлемы обладают тяжелым и твердым внешним корпусом и внутренней эластичной оснасткой. Между ней и головой человека есть пустое пространство. Однако, возможно, было бы полезно исследовать другую конструкцию: более легкую, толстую, повторяющую форму головы, твердую и при этом пористую. Внешняя оболочка должна быть относительно тонкой и жесткой". Мэй также советовал дополнить шлем защитным воротником, который предотвратит резкие повороты головы.

В 2002 году появилась еще одна статья, которую написал Айван Рой Шваб из Калифорнийского университета в Дейвисе. Шваб — офтальмолог, но это не помешало ему детально описать все приспособления, благодаря которым дятлы не наносят себе травм. К ним относятся, например, толстые и пористые кости черепа (которые еще больше утолщаются на затылке и у основания нижней челюсти); практически полное отсутствие спинномозговой жидкости в субарахноидальном пространстве (полости между мягкой и паутинной оболочками головного мозга); мощные мышцы, прикрепляющие челюсти к черепу и сокращающиеся за несколько миллисекунд до удара. Это сокращение позволяет перераспределить "отдачу" от удара и направить ее к затылку и основанию черепа, "обходя" мозг. Кстати, клюв дятла всегда касается поверхности дерева строго под углом в 90 градусов — иначе сила кручения разорвала бы мозговые оболочки или вызвала сотрясение мозга. Еще один защитный механизм — толстые мигательные перепонки, которые закрывают глаза птицы за несколько миллисекунд до удара. Они не только прикрывают от летящих обломков древесины, но и выступают своеобразными "ремнями безопасности" — не дают глазам в буквальном смысле слова вылететь из орбит. Однако самое необычное приспособление дятла — это его язык, который, по сути, обмотан вокруг черепа. Язык прикрепляется не к задней части клюва, как у других птиц, а к верхней челюсти, проходит через правую ноздрю, делится на две части, оборачивается вокруг затылка (проходя слева и справа от позвоночника), затем выходит к нижней челюсти. Две части языка вновь соединяются в одну лишь в глотке. По мнению Шваба, эти "полоски" из мышц обеспечивают дополнительную амортизацию удара.

Конечно, исследование черепов дятлов продолжалось и после присуждения Швабу и Мэю награды. В 2011 году китайские ученые создали трехмерную модель головы дятла и провели виртуальные "краш-тесты", а в 2018 году американские исследователи установили, что в мозге дятла накапливается тот же белок, что и в мозге человека при сотрясении. По мнению авторов, это не говорит о том, что птицы постоянно страдают от травм. Скорее всего, накопление тау-белка — это адаптационный механизм, возникший вследствие высоких нагрузок, однако этот вопрос требует дальнейшего исследования.

Все эти работы проводятся не просто с целью удовлетворить интерес биологов — они имеют вполне практическое применение. Идеи Филипа Мэя о защите, сделанной по образу и подобию черепа дятла, все-таки были воплощены в жизнь — это сделали сотрудники Калифорнийского университета в Беркли в 2010 году. Юн Санхи и Пак Сунмин при помощи компьютерной томографии проанализировали клюв, подъязычную кость, губчатые кости и череп дятла под названием золотолобый меланерпес (Melanerpes aurifrons), а потом создали новый тип защитного устройства для хрупкой техники: датчиков, сенсоров микросхем. Устройство сделано в виде стеклянной сферы внутри алюминиевого цилиндра, который в свою очередь защищен металлическим кожухом. Выстрелив этим "чехлом" из пневматического ружья, ученые выяснили, что хрупкий груз внутри сферы выдержал перегрузку в 60 000g — конструкция подвела лишь в 0,7 % случаев. Помимо защиты электроники — например, черных ящиков самолетов — эта технология может стать основой для создания экипировки для солдат, автогонщиков и спортсменов.