Защита для самого ценного

Фазиль Искандер. Джамхух — Сын Оленя

Фото Юрия Абрамочкина

Феномен дятла вызывает интерес человечество не один десяток и даже не одну сотню лет. Однако нет ответа на вопрос – почему не болит голова у дятла. Даже усилия Игнобелевского комитета не помогли внести ясность, а только зафиксировали существующее положение дел.

Череп человека, да и не только человека, все-таки плохо выдерживает удар тяжелым тупым предметом — видимо, в самом начале, когда природа проектировала наших далеких предков, не предполагалось, что они научатся бить друг друга увесистыми дубинами. Другое дело кулаки (см. «Химию и жизнь» 2014 №7), но даже в этом случае, как только мордобой перестал быть основным средством выяснения отношений, потребность в толстом лбе и спрятанных глубоко в череп глазницах отпала, а лица людей стали вполне человеческими, а не питекантропными.

Однако есть существо, которое идеально приспособлено для сопротивления ударам по голове, — дятел. И такая способность уже не первое десятилетие вызывает удивление ученых, порождая вопрос: почему не болит голова у дятла? Ведь он бьет клювом о дерево с потрясающей мощью — при ударе 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 тысяч таких ударов. И ничего с ним не случается.

А ведь при ударе или резком торможении по мозгу должна пройти ударная волна, способная вызвать сильные разрушения. Например, академик В.Е. Фортов отмечал в одной из лекций, что именно ударная волна, которую создал камень, выпущенный 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 почти в двадцать 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 с вполне прагматичной целью — создать более совершенные шлемы для защиты головы человека — некоторые исследователи занимаются с начала 50-х годов XX века. Однако Игнобелевскую премию 2006 года за промежуточный обзор по проблеме, опубликованный четырьмя годами ранее, получил Айвен Шваб, орнитолог из Калифорнийского университета в Дэвисе («British Journal of Ophthalmology» – статья в свободном доступе). Удивительно, что премию ему присудили по орнитологии, а не по физике, хотя для объяснения феномена многочисленные исследователи использовали всевозможные физические соображения.

Одно из первых объяснений дятлового феномена 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 — такое устройство черепа должно снижать эффективность удара клювом. И вот в 1976 году второй лауреат той же премии 2006 года, Филипп Мэй с коллегами из лос-анджелесского Госпиталя ветеранов и Калифорнийского университета, предположил, что дятел бьет клювом строго перпендикулярно к поверхности и, стало быть, в его голове не возникают сдвиговые напряжения, а именно они и разрушительны для мозга. При этом он ссылался на данные исследователей обезьян, которые отметили, что 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 мозгу дятла.

Устройство головы дятла

Накопали ученые за полсотни лет немало. Например, выяснилось, что мозг у дятла окружен совсем тонким слоем жидкости, да и сам мозг весьма 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 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, которые получены с использованием сосуда, заполненного стеклянными микросферами, показали, что пористая кость должна пропускать 90% низкочастотных колебаний и гасить 90—99% высокочастотных, — 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 проблема курицы и яйца: трудно объяснить, как нечто сложное появилось путем маленьких эволюционных изменений, ведь они, пока они были маленькими, 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 («PLoS ONE» – статья в свободном доступе). Они провели очень гуманное исследование — копались в мозгах не живых дятлов, а заспиртованных экспонатов университетской коллекции. И обнаружили, что нейроны дятлов, в отличие от служивших контролем дроздов, буквально оплетены так называемыми тау-белками, про которые известно, что они появляются в мозгу человека после сотрясения. По мнению Фараха, не исключено, что эти белки появились в мозгах дятлов не из-за хронического сотрясения, а, наоборот, защищая от него. Тогда все укладывается в рамки эволюционной теории: у какого-то предка дятла возникло в мозгу много тау-белка, и он смог долбить 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 мозгах имеются, а сотрясения не было, но, видимо, эта особенность не очень пригодилась и не породила популяцию особо твердолобых.

Если же вернуться к прикладному дятловедению — успехи есть. Принципы устройства головы дятла взяли на вооружение Сан-Хи Ёон и Санмин Парк из Калифорнийского университета в Беркли: они искали способ изготовления упаковки для микромеханических устройств («Bioinspiration and Biomimetics»). 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 тысяч g, а при 60 тысячах 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. Одна из них — картонный велосипедный шлем. Да-да, картонный: в 2012 году Анирудха Сурабхи, студент лондонского Королевского колледжа искусств, пострадал от падения 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 мог стоять. В то же время сочетание маленьких пор внутри картонки с большими промежутками между полосками обеспечивало прекрасное рассеивание ударной волны. Сейчас такие шлемы выпускаются серийно и выглядят более профессионально.

Такой шлем из картона сделал Анирудха Сурабхи

Другая разработка гораздо хитрее и исходит из того принципа, что череп и так отлично защищает мозг; не надо его улучшать, но 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 у него слишком тонок слой жидкости, разделяющей мозг и череп. А у человека 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 ударившись головой о камень при несложном горнолыжном спуске. И ведь шлем на голове был! Вот бы такую защиту, как у дятла, чтобы мозг не мог сильно смещаться... Коллега-анестезиолог и посоветовал Смиту: 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: он якобы, 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.

Долго ли, коротко ли, но к 2016 году американская дизайнерская компания «Q3Innovations» создала надувной нашейник «Q-collar», который слегка затрудняет отток крови из головы. С этими нашейниками стали ставить опыты, например, при участии подростков из хоккейной спортшколы («Frontiers in Neurology» – статья в свободном доступе). Половине подростков велели во время матчей надевать нашейники, а другую половину оставили для контроля. У всех детей три раза за время опытов снимали энцефалограммы мозга и делали томографию. У тех, кто нашейников не носил, заметили больше признаков пережитых сотрясений мозга, чем у тех, кто носил, и это была не одна серия опытов. В общем, спортивно-медицинскую общественность удалось убедить, и в 2017 году канадская компания «Bauer» начала серийный выпуск нашейников под маркой «NeuroShield» для детей и взрослых с розничной ценой 200 долларов. Вот так размышления над головной болью дятла привели-таки к появлению средства защиты мозга людей, хотя оно и выглядит необычно и совсем непохоже на привычный шлем.

Нашейники «NeuroShield» могут защитить от сотрясения мозга