Как дятел бьёт по дереву до двадцати раз в секунду и не получает сотрясения

Если встать в горном лесу над Сочи рядом с деревом, где работает дятел, дробь сначала сливается в одну длинную трель: удары идут до двадцати раз в секунду, а клюв входит в древесину со скоростью порядка двадцати километров в час. Следом приходит вопрос, который люди задавали задолго до любой съёмки: как после такого вообще остаётся цела голова. Школьный ответ про подушку внутри черепа в 2022 году опроверг Сэм Ван Вассенберг из Антверпенского университета с коллегами. Они засняли шестерых дятлов на высокоскоростную камеру и увидели, что мозговая коробка тормозит так же резко, как клюв. Череп здесь работает головкой молотка, а мозг спасают другие обстоятельства.

Желна на стволе дерева, голова с красной шапкой повёрнута вверх. Снимок сделан в Сербии (фото: Иван Везенковић, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0)

Какие дятлы стучат над Сочи

Над городом живёт не один вид. На iNaturalist в окрестностях Большого Сочи есть подтверждённые наблюдения восьми видов этого семейства. Чаще остальных отмечена желна, больше сотни записей: чёрная птица с красной шапкой. За ней идут средний пёстрый, большой пёстрый, белоспинный, зелёный и малый пёстрый дятлы, вертишейка и один раз сирийский дятел. По записям наблюдателей, желна встречается в каждом месяце года: чаще всего в марте и январе, реже всего в сентябре.

Два местных вида попали и в опыт: желну и большого пёстрого снимали в вольерах четырёх европейских зоопарков. Третий вид в выборке американский, чёрная желна, двух таких птиц снимали в лаборатории в Канаде. Лес, где они стучат, тянется до границ Кавказского заповедника, а там считают зверей по следам, голосам и камерам.

Большой пёстрый дятел на наклонном стволе, лишайник на коре. Снимок сделан в Косове (фото: Julianruizp, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0)

Откуда взялась подушка

Версия старая и удобная: бьётся головой о ствол и жив, значит, где-то стоит амортизатор. В кандидаты записывали губчатую кость в передней части черепа и мышцы челюсти. По этой идее придумывали ударопрочные материалы и шлемы; в начале статьи 2022 года так и сказано.

Белоспинный дятел кормится на стволе. Снимок сделан в Баварских Альпах, у нас этот вид тоже встречается (фото: Sgbeer, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0)

Слабое место нашли ещё раньше. В 1976 году группа исследователей заметила: если бы клюв гасил собственный удар, птице пришлось бы бить сильнее. Подушка отнимала бы у молотка работу. Авторы новой статьи добавляют, что отбор такую подушку закрепить и не мог.

Три точки на клюве и одна у глаза

Разобрали больше сотни ударов. На клюве отметили три точки, ещё одну возле глаза, и по соседним кадрам считали, как резко каждая тормозит. Глаз заменял мозг: внутри головы ничего не мерили, авторы исходят из того, что глаз движется вместе с передней частью мозговой коробки.

Если бы череп служил подушкой, глаз тормозил бы мягче клюва. Он тормозил не мягче, голова двигалась как единое целое, а разница между пиками замедления глаза и клюва оказалась небольшой. Мягкой подушки между ними нет.

Слесарный молоток с цельной стальной головкой на сосновой доске. Иллюстрация, созданная нейросетью

Молоток без пружины

Молотков с амортизатором в головке не делают, заметил Ван Вассенберг: так бить неэффективно. Модели авторов дали то же. Мягкая прослойка уменьшила бы глубину, на которую клюв входит в древесину, а жёсткая кость отдаёт дереву почти всю энергию, и под стволом остаётся горка щепы.

Щепа под стволом, где работал большой пёстрый дятел. Снимок сделан в Шотландии (фото: Rosser1954, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0)

Отбор подгоняет птиц под ремесло и в других местах: оляпка, которая ныряет в горную реку, гребёт под водой крыльями. Ремесло дятла — удар, и жёсткий череп ему на руку.

Что тогда бережёт мозг

Ответ дала ещё в 2006 году Лорна Гибсон в Journal of Zoology. Замедление при клевании у дятла порядка десяти тысяч метров на секунду в квадрате, около тысячи g, и вытерпеть его помогают три вещи. Мозг маленький, а чем он меньше, тем меньше напряжение внутри при том же замедлении. Удар очень короткий, и мозг переносит его легче долгого. Мозг лежит в черепе так, что прижат к кости большей площадью.

Желна на стволе, с которого она ободрала кору. Снимок сделан в Германии (фото: Leonhard Lenz, Wikimedia Commons, CC0)

Длина мозга дятла примерно в семь раз меньше человеческой. Порог сотрясения у человека оценивают в сотню с небольшим g, а для птицы такого размера масштабная модель даёт около тысячи. Съёмка 2022 года добавила цифры из расчёта: давление в мозге при клевании составляет от сорока до шестидесяти процентов того порога, на котором сотрясение наступает у человека и обезьяны. Чтобы дотянуть до порога, дятлу пришлось бы бить примерно вдвое быстрее или по дереву примерно вчетверо жёстче.

Дупло в стволе, выдолбленное желной. Снимок сделан в Норвегии (фото: Ida Brennodden, Wikimedia Commons, CC BY 4.0)

Где запас кончается

Выборка небольшая: шесть птиц трёх видов, из них две американские желны, снятые в лаборатории. Порог в тысячу g получен расчётом по размеру мозга, на живых птицах его не измеряли. Версию про подушку по-прежнему повторяют справочники и популярные тексты, так что опровержение пока не вытеснило её. Есть и побочная мысль авторов, которую никто пока не проверял на деле: давление в мозге, возможно, ограничивает силу удара, и поэтому дятлы не вырастают заметно больше полуметра.

На стволе запас у дятла большой. Зато к металлу он не приспособлен: авторы работы отдельно оговаривают, что удар в полную силу по железу мог бы ему навредить.