Почему дятлы, быстро стучащие по стволам деревьев, не получают сотрясения мозга? Дятлы известны как "лесные врачи". Чтобы добыть насекомых, спрятанных в стволах деревьев, дятлы могут стучать по стволам до 20 раз в секунду, а в день они могут стучать до 12 000 раз. При каждом ударе на голову дятла действует ускорение, в 1200 раз превышающее силу тяжести. Как дятлам удается избежать повреждения головы в таких условиях? Исследовательская группа во главе с орнитологом из Калифорнийского университета Иваном Швабом изучила этот вопрос и за это получила Шнобелевскую премию в 2006 году. Исследователи создали специальную среду для наблюдения за дятлами, использовали датчики для измерения силы удара и две камеры со скоростной съёмкой. Они собрали и проанализировали данные о черепе дятла с помощью компьютерной томографии и сканирующего электронного микроскопа, подробно отметив комбинацию структур черепа и места изменения плотности костей. Используя собранные данные, учёные смоделировали воздействие удара на череп дятла.
По результатам моделирования исследователи обнаружили, что несколько факторов снижают вред от ударных нагрузок на дятлов. Основная причина заключается в том, что дятлы эволюционно развили ряд устройств для защиты мозга и глаз от ударов. Во-первых, кость языка дятла начинается с нижней стороны клюва, разветвляется влево и вправо по задней части черепа, затем поднимается вверх и снова сходится перед лобной частью. Это похоже на "ремни безопасности", которые эффективно предотвращают перелом шеи при ударе. Нижняя челюсть дятла соединена с черепом мощной мышцей, которая быстро сокращается перед ударом, выполняя функцию амортизатора. Во-вторых, нижняя часть клюва дятла длиннее верхней. Когда ударная нагрузка передаётся от острого края клюва к кости, эта структура ослабляет удар и отводит его подальше от мозга. Кроме того, череп дятла похож на губку. Он не только очень толстый и прочный, но и содержит множество небольших полостей, которые похожи на губку и помогают рассеивать ударную нагрузку, защищая мозг. Между черепом и мозгом дятла находятся три мембраны: твёрдая мозговая оболочка, паутинная оболочка и мягкая мозговая оболочка. Пространство между паутинной и мягкой оболочками называется субарахноидальное пространство. У человека субарахноидальное пространство заполнено спинномозговой жидкостью. Однако у дятлов субарахноидальное пространство очень узкое и почти не содержит спинномозговой жидкости, что снижает передачу ударной нагрузки через жидкость и обеспечивает амортизацию и демпфирование внешних сил. Дятлы имеют небольшой мозг, и у объектов с небольшим объёмом поверхность относительно большая, а верхняя и нижняя части их мозга длиннее, чем передняя и задняя части, поэтому на них легче рассеивать давление, и они не так подвержены сотрясениям, как люди. Кроме того, клюв и голова дятла всегда находятся на одной линии, и направление удара очень вертикальное, что помогает избежать торсионных усилий, приводящих к разрыву мозговых оболочек и сотрясению мозга. Поэтому, несмотря на ежедневное стучание по стволам деревьев, дятлы могут годами выдерживать сильные ударные нагрузки.
Строение глаз дятлов также очень изощрённое. Высокоскоростная съёмка показала, что в момент перед ударом веки дятлов быстро закрываются, что позволяет избежать попадания в глаза осколков дерева и одновременно защитить их, как ремень безопасности. В глазах дятлов соединительная оболочка сетчатки заполнена вязким полисахаридом, который выполняет функцию амортизатора. Кроме того, на сетчатке есть гребень, который, возможно, также выполняет амортизирующую функцию, потому что при его заполнении кровью внутриглазное давление временно повышается, защищая хрусталик и сетчатку.
Исследователи подчеркивают, что защита мозга дятлов от повреждений является результатом совокупного действия многих факторов, а не одного из них. Это наглядно демонстрирует, что структура определяет функцию. Это научное открытие поможет учёным разрабатывать более эффективные защитные устройства для защиты человеческого мозга.