Генрих Эрлих - Легко ли плыть в сиропе. Откуда берутся странные научные открытия

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.

Но как могли возникнуть все эти хитрые приспособления, без которых дятел неизбежно заработал бы сотрясение? Тут вспоминается проблема курицы и яйца: трудно объяснить, как нечто сложное появилось путем маленьких эволюционных изменений, ведь пока они были маленькими, они не приносили пользы своему обладателю и поэтому не могли быть сохранены отбором. Возможно, разгадку нашел коллектив дятловедов из Бостонского университета во главе с Джорджем Фарахом [7]. Они провели очень гуманное исследование – копались в мозгах не живых дятлов, а заспиртованных экспонатов университетской коллекции. И обнаружили, что нейроны дятлов, в отличие от нейронов дроздов из контрольной группы, буквально оплетены так называемыми тау-белками, про которые известно, что они появляются в мозге человека после сотрясения.

По мнению Фараха, не исключено, что эти белки появились в мозге дятлов не из-за хронического сотрясения, а, наоборот, защищают от него. Тогда все укладывается в рамки эволюционной теории: у какого-то предка дятла возникло в мозгах много тау-белка, и он смог выдолбить удобное и просторное дупло, за счет чего получил преимущество и дал многочисленное потомство с крепкими мозгами. Кости, клюв и прочие механизмы появились позже, доведя дятла до совершенства. Между прочим, и среди людей есть такие, у которых тау-белки в мозге имеются, а сотрясения не было, но, видимо, эта особенность не очень пригодилась и не породила популяцию особо твердолобых.

Если же вернуться к прикладному дятловедению, то здесь тоже достигнуты впечатляющие результаты. Принципы устройства головы дятла взяли на вооружение Ён Сан Хи и Парк Сан Мин из Калифорнийского университета в Беркли: они искали способ изготовления упаковки для чрезвычайно нежных и хрупких микромеханических устройств [8]. В этой упаковке между двумя слоями металла, которые соответствуют клюву и черепу, находится слой вязкоупругого материала – аналог косточки и ее мышц, а внутренность заполнена шариками диоксида кремния, в которые и помещены перевозимые детальки. Защита оказалась превосходной: так, если детальки в упаковке из твердой резины выдерживали перегрузку до 40 000 g, а при 60 000 g четверть из них ломалась, то в инновационной упаковке, получившей название BIRD-2, и при такой перегрузке повреждений почти не было – 99,3 % деталек остались невредимы.

Кроме того, дятел вдохновил инженеров на создание по крайней мере двух типов новой защиты для человеческого мозга от ударных нагрузок. Одна из них – картонный велосипедный шлем. Да-да, картонный: в 2012 году Анирудха Сурабхи, студент лондонского Королевского колледжа искусств, пострадал при падении с велосипеда и подумал: а что, если защитить голову так, как это делает дятел, – толстой костью с регулируемой пористостью? И вырезал из гофрокартона, который идет на изготовление ящиков, полоски, по форме соответствующие шлему, а затем собрал из них дополнительную защиту. Картонные полоски оказались прекрасными ребрами жесткости, шлем стал очень прочным – человек на нем может стоять. В то же время сочетание маленьких пор внутри картонки с большими промежутками между полосками обеспечивало прекрасное рассеяние ударной волны. Сейчас такие шлемы выпускают серийно, и выглядят они так, что сразу и не догадаешься: макетный образец был сделан из гофрокартона.

Другая разработка гораздо хитрее и основана на гипотезе, что череп и так отлично защищает мозг, не надо его улучшать, а следует идти принципиально другим путем. Однажды доктор Дэвид Смит из Госпиталя Рейда в Индиане пришел к выводу, что дятел не сотрясает мозг все-таки потому, что слой жидкости, разделяющей мозг и череп, у него очень тонок. А у человека этот слой большой, поэтому человеческий мозг при ударе сильно смещается, набирает скорость относительно черепа и может удариться о кость из-за инерции, и никакой шлем этому не помешает. Видимо, именно таков был механизм трагического случая с гениальным автогонщиком Михаэлем Шумахером, который повредил мозг не во время инцидента на трассе, а упав головой на камень при несложном горнолыжном спуске. И ведь шлем на голове был! Вот бы такую защиту, как у дятла, чтобы мозг не мог сильно смещаться…

Помощь, как это часто бывает, пришла от специалиста из смежной области науки. Коллега-анестезиолог предложил Смиту неординарное решение: надо пережать кровоток в шее. Концентрация кислорода в мозгу упадет, организм станет закачивать туда больше крови, объем мозга увеличится, и он утратит возможность сильно смещаться. Более того, друзья придумали новую дятловую гипотезу: якобы пернатый дровосек, пережимая сосуды мышцами шеи, сам регулирует наполнение мозга кровью перед тем, как приступить к выдалбливанию дупла. И так же, по их мнению, делает баран, когда с разгону врезается во что-то с торможением в 500 g: у него-то никаких хитрых дятловых приспособлений нет, разве что рога-амортизаторы.

Для проверки гипотезы поставили опыт на крысах. Получилось – у животных с пережатой шеей сотрясение мозга при ударе по голове развивалось в меньшей степени. Пора было переходить к опытам с участием людей. Но кто согласится на такое? Вдруг пережмут шею слишком сильно… Оставалось поискать там, где кислородное голодание мозга происходит не по воле экспериментатора, а по другим причинам. Например, в высокогорье – там кислорода мало. Помогла статистика, которая показала, что у футболистов и хоккеистов во время игры высоко в горах сотрясения мозга случаются реже.