Физика в мире животных: дятел и его «отбойный молоток»
Источник: audubon.org
Дятлы (лат. Picidae) — крупное семейство птиц, в которое входит 233 вида. В большинстве случаев дятлы обитают в лесах. Это лазающие древесные птицы, которые летают, хотя и не очень хорошо. Подавляющее большинство представителей семейства отличаются от других птиц необычным долотообразным клювом. С его помощью дятлы долбят кору и сердцевину дерева, стараясь найти основную свою пищу: насекомых и их личинок.
Свой крепкий клюв дятлы используют не только для добычи пищи, но и для создания гнезд, которые обычно устраивают в дуплах деревьев. Стучат по дереву дятлы и для связи друг с другом. Весной самцы многих видов дятлов барабанят клювом по сухим деревьям. Такие трели, наверное, слышали многие читатели. Тело дятла практически идеально адаптировано к его образу жизни. Благодаря этому дятел может выдерживать значительные нагрузки, которые смертельно опасны для многих других живых организмов.
Долбление древесины — очень энергозатратное занятие. Для того, чтобы пополнять запасы энергии, дятлам приходится постоянно есть. Например, черный дятел всего за один «прием пищи» может съесть около тысячи муравьев или несколько сотен личинок короедов. Зеленый дятел ест и того больше — за день он съедает около двух тысяч муравьев.
Дятлов называют санитарами леса, и это, в принципе, правда. Птица, поедая большое количество личинок вредителей деревьев или взрослых насекомых предотвращает неконтролируемое увеличение популяции вредителей.
Нагрузки, которые выдерживает дятел
Средняя скорость нанесения ударов дятлом — 20–25 движений за секунду. Общее количество ударов, наносимое дятлом по дереву в день — 8000–12000. Для того, чтобы птица имела возможность выдерживать перегрузки, связанные с долблением деревьев, ее череп и скелет должны быть необычайно крепкими. Если бы по дереву с такой скоростью била любая другая птица, то уже через несколько ударов она бы умерла от перегрузок.
Измерения показывают, что перегрузки, испытываемые дятлом, достигают 1000 — 1200g. Это гораздо больше, чем могут выдержать организмы других животных, включая человека. Мы не в состоянии выдержать перегрузки больше 80–100 g. Наибольшая (кратковременная) перегрузка автомобиля, при которой человеку удалось выжить — 179,8 g. Парашютисты при раскрытии парашюта испытывают перегрузки вплоть до 10 g. Летчики, выполняющие фигуры высшего пилотажа, получают перегрузки вплоть до 12 g.
Клюв дятла достаточно прочный для того, чтобы долбить дерево и не ломаться или деформироваться. Кончик клюва большинства видов дятлов похож на зубило. Благодаря этому птицы могут «работать» с самыми твердыми видами древесины. При активном долблении повышается температура головного мозга. Поэтому дятел не может все время долбить, ему приходится делать перерывы, чтобы сбросить температуру.
У дятла не только прочные череп и клюв. Эта птица оснащена «амортизатором» в виде спинномозговой жидкости, которая подавляет вибрацию. Амортизационная система дятла включает также эластичный клюв, жилистую и пружинистую подъязычную кость (гиоид), а также особую губчатую кость в голове. Гиоид — это скорее хрящ, чем костная ткань. Располагается он не только в глотке, но также заходит в носоглотку, оборачивая череп. Таким образом, черепная коробка птицы представляет собой один из наиболее совершенных природных амортизаторов.
Смягчает удар не один фактор, а целая их система. Во время долбления дерева клюв движется перпендикулярно поверхности, по которой бьет дятел. Голова дятла движется со скоростью, в два раза превышающей среднюю скорость пули, вылетающей из дула пистолета. Если бы удар наносился не перпендикулярно, а немного под углом, амортизационный механизм птицы не сработал бы, и она могла бы просто погибнуть. Но здесь работает слаженная система мышц, которая позволяет голове и клюву двигаться по прямой линии. При ударе клюва сразу же срабатывают мышцы, оттягивающие череп дятла от места нанесения удара.
Защищены от удара и глаза птицы. При ударе о дерево на глаз дятла опускается третье веко (мигательная перепонка). Она оберегает глазное яблоко от вибрации, не допуская расслоения сетчатки.
Еще одна уникальная черта дятла — его длинный язык. У всех птиц язык прикреплен к задней части клюва. А вот у дятла язык выходит из правой ноздри, разделяясь на две половины. Эти две половинки охватывают голову птицы и шеей, выходя через отверстие в клюве. После этого они соединяются. Языком дятлы достают личинок насекомых из глубоких ходов, проделанных в древесине.
Для того, чтобы разместить в пределах черепа все эти амортизационные приспособления, дятлу пришлось поступиться размером мозга. В процессе эволюции он уменьшился. Причем уменьшение объема мозга не привело к тому, что дятлы стали «глупее». На деле дятлы отличаются высокой организацией поведения. Они обладают сложными территориальными и гнездовыми повадками.
Но у птиц за «интеллект» отвечают полосатые тельца и слой, который носит название гиперстриатум. Эти части головного мозга небольшие по размеру, так что дятел может обходиться относительно маленьким мозгом.
Ну, а для того, чтобы легко перемещаться по стволам деревьев, дятлы используют Х-образную конструкцию лапок. Два пальца на лапке дятла направлены вперед, а два — назад. У большинства птиц других видов три пальца направлены вперед, а один — назад. Держаться за кору помогают цепкие когти, прочные кости пальцев и сухожилия. Все это обеспечивает надежное сцепление с деревом, и дятел не падает даже во время самой активной «работы».
