Технические науки

Все лучшее — у природы: как дятлы, акулы и черви-паразиты совершенствуют нашу жизнь

Эволюция как дизайнер человеческих технологий

Профессор Айван Шваб

British Journal of Ophthalmology/Claude Dubé/Flickr/Indicator.Ru

Как дятлы помогли ученым провести «краш-тесты», зимородки ускорили японские поезда, а «акулья кожа» стала «допингом» для спортсменов, читайте в новом выпуске рубрики «Шнобелевская премия — это серьезно».

«Делать это — все равно что биться головой о стену», — наверное, каждый из нас в своей жизни хотя бы раз произносил эту фразу. А теперь представьте, что это не художественное сравнение, и вам действительно надо долго и упорно биться головой о твердую вертикальную поверхность, — скорее всего, такое предложение не вызовет у вас энтузиазма. Между тем, для дятлов это привычное дело: летом они питаются муравьями и другими насекомыми, которых ищут под корой деревьев, а также выдалбливают в стволах гнезда внушительного размера. Так, жилище обитающего в Канаде и США дятла под названием хохлатая желна (Dryocopus pileatus) имеет около 20 см в диаметре и 60 см в глубину. Стук по дереву — еще и средство общения этих птиц. Каждый представитель дятловых выстукивает характерные для своего вида «трели», чтобы, например, обозначить границы своей территории.

Дятлы могут совершать до 12 тысяч ударов в сутки с частотой до 20 ударов в секунду (да, именно 20 — это не опечатка). При каждом «торможении» клювом о дерево птица испытывает перегрузку в 1200 – 1400g (для сравнения: максимально допустимая перегрузка пилота в сверхзвуковом истребителе Су-27 составляет 9g). Каким же образом дятлы избегают всевозможных неприятностей, связанных с таким образом жизни?

Специалисты изучают этот вопрос не одно десятилетие — и двое из них, Филип Мэй (посмертно) и Айван Шваб, в 2006 году стали лауреатами Шнобелевской премии в номинации «Орнитология» за объяснение, почему у дятлов не болит голова.

Мэй с коллегами опубликовал свое исследование еще в 1976 году в авторитетнейшем медицинском журнале The Lancet. Ученые проанализировали строение черепа дятла и предположили, что информация о структуре его костей и расположении мышц может помочь людям сконструировать шлемы, более надежно защищающие голову при столкновении или ударе. Мэй пишет: «Обычно использующиеся защитные и военные шлемы обладают тяжелым и твердым внешним корпусом и внутренней эластичной оснасткой. Между ней и головой человека есть пустое пространство. Однако, возможно, было бы полезно исследовать другую конструкцию: более легкую, толстую, повторяющую форму головы, твердую и при этом пористую. Внешняя оболочка должна быть относительно тонкой и жесткой». Мэй также советовал дополнить шлем защитным воротником, который предотвратит резкие повороты головы.

В 2002 году появилась еще одна статья, которую написал Айван Рой Шваб из Калифорнийского университета в Дейвисе. Шваб — офтальмолог, но это не помешало ему детально описать все приспособления, благодаря которым дятлы не наносят себе травм. К ним относятся, например, толстые и пористые кости черепа (которые еще больше утолщаются на затылке и у основания нижней челюсти); практически полное отсутствие спинномозговой жидкости в субарахноидальном пространстве (полости между мягкой и паутинной оболочками головного мозга); мощные мышцы, прикрепляющие челюсти к черепу и сокращающиеся за несколько миллисекунд до удара. Это сокращение позволяет перераспределить «отдачу» от удара и направить ее к затылку и основанию черепа, «обходя» мозг. Кстати, клюв дятла всегда касается поверхности дерева строго под углом в 90 ° — иначе сила кручения разорвала бы мозговые оболочки или вызвала сотрясение мозга. Еще один защитный механизм — толстые мигательные перепонки, которые закрывают глаза птицы за несколько миллисекунд до удара. Они не только прикрывают от летящих обломков древесины, но и выступают своеобразными «ремнями безопасности» — не дают глазам в буквальном смысле слова вылететь из орбит. Однако самое необычное приспособление дятла — это его язык, который, по сути, обмотан вокруг черепа. Язык прикрепляется не к задней части клюва, как у других птиц, а к верхней челюсти, проходит через правую ноздрю, делится на две части, оборачивается вокруг затылка (проходя слева и справа от позвоночника), затем выходит к нижней челюсти. Две части языка вновь соединяются в одну лишь в глотке. По мнению Шваба, эти «полоски» из мышц обеспечивают дополнительную амортизацию удара.

Конечно, исследование черепов дятлов продолжились и после присуждения Швабу и Мэю награды. В 2011 году китайские ученые создали трехмерную модель головы дятла и провели виртуальные «краш-тесты», а в 2018 году американские исследователи установили, что в мозге дятла накапливается тот же белок, что и в мозге человека при сотрясении. По мнению авторов, это не говорит о том, что птицы постоянно страдают от травм. Скорее всего, накопление тау-белка — это адаптационный механизм, возникший вследствие высоких нагрузок, однако этот вопрос требует дальнейшего исследования.

Все эти работы проводятся не просто с целью удовлетворить интерес биологов — они имеют вполне практическое применение. Идеи Филипа Мэя о защите, сделанной по образу и подобию черепа дятла, все-таки были воплощены в жизнь — это сделали сотрудники Калифорнийского университета в Беркли в 2010 году. Юн Санхи и Пак Сунмин при помощи компьютерной томографии проанализировали клюв, подъязычную кость, губчатые кости и череп золотолобого меланерпеса (Melanerpes aurifrons), а потом создали новый тип защитного устройства для хрупкой техники: датчиков, сенсоров микросхем. Устройство сделано в виде стеклянной сферы внутри алюминиевого цилиндра, который в свою очередь защищен металлическим кожухом. Выстрелив этим «чехлом» из пневматического ружья, ученые выяснили, что хрупкий груз внутри сферы выдержал перегрузку в 60 000g — конструкция подвела лишь в 0,7% случаев. Помимо защиты электроники — например, черных ящиков самолетов — эта технология может стать основой для создания экипировки для солдат, автогонщиков и спортсменов.

Пока специалисты присматриваются к разработке Санхи и Сунмина, промышленный дизайнер Анируда Сураби создал шлем для велосипедистов из… картона. Правда, из необычного: он сделал специальный двухслойный картон, внутренняя структура которого копирует пчелиные соты. Однако вдохновили дизайнера на такое решение дятлы: «Основание клюва отделено от их черепа гибким губчатым хрящом, который действует как амортизатор и смягчает удары. А шестиугольные элементы встречаются в природе очень часто, и они обеспечивают защиту от внешнего воздействия практически со всех направлений», — комментирует он. Изобретение Сураби в три раза лучше защищает головы велосипедистов, чем обычные шлемы из полистирола: при столкновении на скорости 24 км/ч человек в полистироловом шлеме испытает перегрузку примерно в 220g, а в шлеме из картона — около 70g. Весит же новая экипировка на 15% меньше.

Конечно, дятлы — не единственные птицы, особенности которых оказались полезными для людей. Например, зимородки вдохновили инженера Эидзи Накацу, менеджера по техническому развитию высокоскоростной сети японских железных дорог «Синкансэн», на создание поезда нового типа.

Целью Накацу было ускорение и без того быстрых поездов, но прежде всего он должен был решить проблему шума и ударной волны, возникающих при движении локомотива. Врываясь в туннель, поезд «выдавливал» из него воздух — волна со скоростью звука достигала противоположного конца туннеля, создавая шум и аэродинамические колебания. Проблема была связана как со скоростью поезда (которую Накацу хотел сделать еще выше), так и с формой туннелей (которую инженер изменить не мог). При этом увеличение скорости поезда на одну единицу вызывало трехкратное повышение давления в туннеле. Очевидно, что работать нужно было с формой локомотива.

Один из коллег Накацу заметил, что поезд при проезде через туннель как будто бы «сжимается». Инженер предположил: скорее всего, такое впечатление создается из-за разного сопротивления воздуха: на открытом пространстве оно меньше, в узком туннеле — больше. На что это похоже? Накацу увлекался наблюдениями за птицами и вспомнил: зимородок способен на высокой скорости входить из воздуха в воду (плотность которой в 800 раз выше) с едва заметным всплеском.

Моделирование показало: форма клюва зимородка (верхняя и нижняя части имеют треугольные поперечные сечения с изогнутыми сторонами треугольников, а вместе формируют сплющенный ромб) намного превосходит другие инженерные проекты. Поезд «Синкансэн 500» развивал скорость до 270 км/ч (конструкционная скорость достигала 300 км/ч — мировой рекорд для того времени), при этом ему требовалось на 13% меньше энергии, чем предыдущей модели, а уровень шума при движении сохранялся на допустимом уровне 70 децибел. «Синкансэн 500» ввели в эксплуатацию 22 марта 1997 года.

Говоря о том, как животные помогают человеку увеличивать скорость транспортных средств и уменьшать их сопротивляемость окружающей среде, нельзя не сказать об акулах. Их кожа покрыта крошечными чешуйками из дентина (твердая ткань, из которой состоят наши зубы): если провести рукой от головы акулы к хвосту, она будет гладкой на ощупь, а если погладить животное «против шерсти» — кожа ощетинится. В 2000 году компания Speedo, производящая снаряжение для плавания, представила костюм Fastskin — его прообразом стала именно акулья кожа. Костюм существенно уменьшал сопротивление воды, и его обладатель плыл быстрее (с 2010 года использование подобной одежды запрещено на соревнованиях). Но акулы помогают не только пловцам — они еще могут сэкономить деньги военных.

Военно-морские силы США ежегодно тратят несколько десятков миллионов долларов на очищение судов и подводных лодок от нарастающих на них ракушек, мидий и водорослей. Немецкий ученый Ральф Лидерт разработал аналог акульей кожи из эластичного силикона, поверхность которой настолько гладкая, что морские организмы просто не могут к ней прикрепиться. Испытания показали: эта кожа сокращает количество загрязнений на 67%, а если корабль идет со скоростью 4 – 5 узлов (7,4 – 9,3 км/ч), то покрытие и вовсе становится самоочищающимся — ракушек и мидий смывает водой.

Но, конечно, животные — это не только скорость. Например, червь-паразит Pomphorhynchus laevis вдохновил ученых на создание пластыря, покрытого микроскопическими иголками и предназначенного для закрепления кожных трансплантатов. Червь прикрепляется к стенкам кишечника рыб при помощи шипа, а затем на конце этого шипа раздувается своеобразный «набалдашник» в форме кактуса, надежно фиксирующий паразита с внутренней стороны кишечника. При пересадке кожи врачи закрепляют игольчатым пластырем куски тканей, которые должны прижиться к окружающей их коже, после чего при соприкосновении с водой кончики микроиголок разбухают и закрепляют пересаженную ткань. По словам ученых, такой пластырь гораздо лучше традиционных скоб: кожа закрепляется прочнее, окружающие ткани, сосуды и нервы получают в разы меньше повреждений, а риск инфекции существенно снижается.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.