XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Бывает ли сотрясение мозга у дятла?
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Главная цель моей работы – привлечь внимание к необходимости охраны окружающей нас природы, и птиц, как одной из важных ее составляющих. Уникальность дятлов, как одних из самых умных и совершенно необычных представителей пернатых, явилась мотивом для выбора именно этой темы исследования.
Основной задачей работы было получить ответ на вопрос, как дятлам удается защитить головной мозг от запредельных для человека перегрузок. Ведь дятлы всю работу делают с помощью одного единственного инструмента – своего клюва. Они так сильно бьют им по дереву, что могли бы получить сотрясение мозга, но происходит ли это? Как же они справляются и каким образом устроена защита дятлов от сотрясения? И почему разработчики мотоциклетных шлемов внимательно изучают строение головы дятла?
Кроме того, мне самой было интересно узнать и рассказать своим одноклассникам о других необычных способностях, а также примечательных моментах поведения и образа жизни дятлов. Для этого одной из задач моей работы стала разработка и презентация ребятам лэпбука, в который я включила наиболее важные факты из жизни дятлов и их необычных способностей.
Основным методом исследования был подбор и анализ огромного количества источников информации о дятлах как в художественной, так и в специальной литературе, а также на соответствующих сайтах и подкастах.
Привлечь внимание ребят к этой теме я решила с помощью социологического исследования, проведенного среди учеников вторых классов нашего лицея. Для этого была разработана анкета на тему «Что вы знаете о дятлах?», результаты анкетирования были проанализированы и учтены в разработке лэпбука.
РАЗНОВИДНОСТИ ДЯТЛОВ НАШЕГО РЕГИОНА
Однажды, чтобы не скучать, я стала слушать подкаст «Витю видел». Рассказ орнитолога Ники Самоцкой [3] о дятлах меня не только увлек, но и просто поразил. Я услышала столько всего интересного и даже необычного, трудно было представить, что речь идет просто о птицах, настолько сложной и удивительной оказалась их жизнь.
Все дятлы – дневные, в основном, лесные птицы мелкой и средней величины: самые маленькие размером с воробья, наиболее крупные – с ворону. Их внешний вид и окраска весьма различны, некоторые имеют буроватую окраску, другие пестрое, часто яркое оперение. Питаются они в основном насекомыми [1].
Дятлы отличаются огромным разнообразием, известно более 250 видов, и распространены они почти во всех лесах земного шара [4]. У нас в Подмосковье с разной степенью вероятности можно встретить десять видов дятлов: желны, седой и зеленый дятлы, вертишейки, а также пестрые дятлы: большой, средний и малый, кроме того, белоспинные, сирийские дятлы и трехпалые. Половина из этих видов занесена в Красную книгу Московской области: средний пёстрый дятел, белоспинный, зелёный, седой и трехпалый.
Желна, или черный дятел (Рисунок 1), самый крупный из дятлов, весь черный, только клюв светлый, на голове красная шапочка. Зеленый и седой дятлы красивые и яркие, основной цвет оперения зеленоватый, у зеленого (Рисунок 2) большая красная шапочка и черные перышки, как будто он надел черную маску. У седого дятла (Рисунок 3) на шейке тонкие черные «усы» [6].
У дятлов есть необычный родственник —вертишейка (Рисунок 4), размером чуть крупнее воробья, с небольшим клювом, поэтому долбить древесину она не может и гнездится в дуплах от других дятлов, а насекомых извлекает из открытых трещин в коре. Вертишейка знаменита своим умением отпугивать врагов, что замечательно описано Виталием Бианки [5]: в случае опасности она вытягивает шею и шипит, пытаясь изобразить змею.
Большой пестрый дятел (Рисунок 5) является самым распространенным в европейской части [6]. Размером он со скворца, спинка черная, а брюшко и грудь чисто белые, на затылке маленькая красная шапочка, остальные
Рисунок 1. Желна Рисунок 2. Зеленый дятел
Рисунок 3. Седой дятел Рисунок 4. Вертишейка
представители этой группы очень похожи на него, и их трудно отличить [4].
Белоспинный дятел (Рисунок 6) помимо насекомых может есть ягоды.
Рисунок 5. Большой пестрый дятел Рисунок 6. Белоспинный дятел
Пища сирийского дятла (Рисунок 7) в основном состоит из тех насекомых, которые проникают в древесину деревьев: личинки мотыльков и жуков. Дополнительная добыча включает пчел, а также семена, орехи и ягоды. А трехпалый дятел, у которого на лапах не четыре, а всего три пальца, более темный, и в его оперении нет красного цвета (Рисунок 8) [6].
Рисунок 7. Сирийский дятел Рисунок 8. Трехпалый дятел
Интересный факт: дятлы совсем не умеют петь, некоторые из них кричат, издавая громкие, слегка гортанные звуки типа фрю-фрю, или пэт-пэт. Зато они могут устроить настоящую барабанную дробь, которая далеко разносится по лесу. Барабанная дробь – это очень быстрый стук клювом по дереву до 20–25 ударов в секунду. Тем самым дятел показывает, что готов к созданию семейной пары [1]: пора выдалбливать дупло в соснах, осинах или елях не ниже 8–10 м от земли. Причем почти каждый год дятлы делают себе «новый дом» потому, что они «чистюли», и не любят грязь в гнезде. А старую «квартиру» занимают другие обитатели леса, так дятлы помогают им решить жилищный вопрос.
В дуплах дятлы откладывают от 2 до 13 белых яиц прямо на дно выдолбленного гнезда, никакой подстилки они не делают. Птенцы вылупляются очень маленькими, их вес не превышает 9 граммов, слепыми и голенькими, без пухового наряда.Родители кормят птенцов до 300 раз в день. Подросшие птенцы некоторое время держатся всей семьей вместе, но вскоре выводок распадается, так как дятлы – неуживчивые птицы, группами их можно встретить очень редко, только в местах с обильным кормом [1].
УНИКАЛЬНЫЙ ЯЗЫК ДЯТЛА
Как уже отмечалось раньше, почти все дятлы питаются насекомыми. Черный дятел охотится, поднимаясь по стволу вверх и делая спиральные обороты вокруг него. Обнаружив, что дерево сильно заражено какими-нибудь личинками, дятел сильными ударами клюва сбивает с него кору и извлекает добычу, одним ударом он отбивает куски коры и щепки до 20 см в длину. При этом желна может ошкуривать огромные сосны, ели и другие хвойные деревья от основания до вершины, очищая таким образом лес от опасных вредителей, чем приносит несомненную пользу. Прожорливость черного дятла очень велика: в желудке одной птицы находили от 300 до 650 личинок. А вообще за день дятел может съесть до 1000 насекомых [1].
Как же дятлы определяют, где прячутся личинки: они суперсмышлёные птицы, сидят боком на дереве с очень задумчивым и серьезным видом, а на самом деле они слушают. Слуху дятла можно позавидовать: он в состоянии услышать, как под древесной корой копошится будущий обед [8]. Если у ствола тихо, дятлы осторожно простукивают древесину и таким образом, внимательно прислушиваясь к полученному звуку, определяют пустоты — места, где скрываются личинки. Насекомые засуетятся, а дятел раззадориться! И пробивает ход к добыче. Дятел в лесу никогда не станет долбить здоровое дерево. Трухлявое или больное ему интереснее, ведь там есть чем поживиться.
Закончив долбить, птицы вытягивают язык и запускают его глубоко в ходы, проделанные древоточцами. Одни виды вытаскивают насекомых за счет клейкой слюны, другие цепляют их жесткими, направленными назад щетинками на языке, третьи и вовсе протыкают жертв острым кончиком, словно гарпуном [7].
«Язык без костей» — странное по своей сути выражение, ведь костей во рту кроме зубов ни у кого не наблюдается. Ни у кого, кроме дятлов! Он у них вообще уникальный: невероятно длинный липкий и раздвоенный, его основание находится аж в области правой ноздри. Дятел достаёт насекомых оттуда, откуда не может ни одно другое животное — из-под прочнейшей древесины. Тут на помощь и приходит его необычный язык. Во-первых, он у дятла феноменально длинный — до 10 см! А сам пернатый в среднем вырастает не больше 20 см (Рисунок 9). То есть язык составляет половину длины от всего тела [7]!
Рисунок 9. Размер языка дятла
Дятел способен выбросить язык из клюва словно гарпун. Сходство с гарпуном ему придают направленные назад крючки, расположенные на самом кончике. А для того, чтобы орудовать столь весомым агрегатом было удобнее, язык дятла укреплён специальным костно-хрящевым механизмом (Рисунок 10). Благодаря этому он сохраняет твёрдость и жесткость [7].
Рисунок 10. Язык дятла
Но как такой длинный язык укладывается в таком коротком клюве? Никак! Он там просто не поместится. У других животных, например, хамелеонов, язык складывается в гармошку. Но у пернатого такой фокус не получится — помним про то, что язык у него жесткий. Поэтому он оборачивается, как лассо... вокруг черепа. В то время как язык большинства птиц прикреплен к задней части клюва и находится во рту, у дятла язык растет не изо рта, а, как уже отмечалось выше, из правой ноздри [7]!
Выходя из нее, язык разделяется на две половины, которые охватывают всю голову с шеей и выходят через отверстие в клюве, где снова соединяются (Рисунок 11). Просто поразительно! Таким образом, когда дятел летает и не использует свой язык, он хранится в скрученном состоянии в ноздре.
Рисунок 11. Строение языка дятла
Именно строение языка дятла частично помогает ответить на главный вопрос моего исследования: почему же у дятла не болит голова от постоянного стука по деревьям? Ведь дятлы всю работу делают с помощью одного единственного инструмента – своего клюва, при этом дятел бьётся головой о дерево со скоростью пулемёта и способен вынести удар в 10 раз выше нокаутного. И именно язык — это один из нескольких механизмов дятла по сбережению его головы, так как, обвивая череп, язык выполняет ещё одну, очень важную — защитную функцию, он играет роль амортизатора: во время удара язык поглощает инергию, уменьшая наносимый голове дятла урон [7].
ПРОТИВОУДАРНАЯ ЗАЩИТА ДЯТЛА
Долбя твердую древесину, птицы наносят по паре десятков ударов в секунду на скорости до 25 км/ч, и такой трюк дятлы без ущерба для себя проделывают по 12 тысяч раз в день При этом их череп испытывает запредельные для человека перегрузки, но, как выяснили ученые, сотрясения головы и сопряженных с ним болей птицы не испытывают. Весь их организм идеально приспособлен к таким испытаниям благодаря целому ряду особенностей его строения и наличию других амортизирующих приспособлений, кроме языка. Рассмотрим их повнимательнее на рисунке 12.
Рисунок 12. Строение головы дятла
Анатомия дятлов сложна и необычна и давно привлекает внимание ученых. Начнем с клюва, нижняя его часть у дятлов длиннее верхней, при этом и подклювье, и надклювье покрыты роговой оболочкой [2]. Именно этот упругий роговой кончик на верхней половине клюва первым принимает удар и сгибается, что частично гасит энергию удара, поглощая часть сотрясения. Затем полученная энергия за счет разницы в длине надклювья и подклювья перенаправляется в нижнюю часть клюва, откуда перераспределяется по всему телу. То есть клюв сначала смягчает удар, а потом отводит его от мозга.
Когда разрушительный импульс достигает твердых слоев клюва, он передается на связанную с ними подъязычную кость. У человека она невелика, а у дятлов разрастается длинной дугой, охватывая голову плотным кольцом от верхней части клюва над лбом, за затылком и далее — к нижней половине клюва. Тем же путем следует и энергия удара, огибая мозг и практически его не затрагивая. То есть подъязычная кость похожа на пояс безопасности: ударная волна идёт по ней вокруг черепа к языку, не касаясь мозга.
Однако и после подъязычной кости остаётся какая-то ударная сила, которая все же идёт к черепу. И тут в дело вступает следующая линия защиты — особым образом устроенные прочные кости самого черепа птицы [2]. Их строение напоминает своеобразный бутерброд, в котором между двумя слоями плотного костного вещества находится менее плотная «начинка» — пластины, которые лежат параллельно внешним плотным слоям и накладываются друг на друга. Именно благодаря внутренним пластинкам ударные вибрации рассеиваются в стороны и слабеют.
По оценкам биологов, энергия удара у дятлов на 99,7% переходит в упругие деформации костей и связок, а затем рассеивается в виде тепла, поэтому при работе птицы перегреваются и делают регулярные перерывы, долбя древесину короткими быстрыми сериями. В итоге, до мозга доходит лишь около 0,3% этой энергии. Но и тут дятлы перестраховались: у них есть ещё пара анатомических особенностей, защищающих от сотрясения мозга.
У всех птиц и зверей, мозг не прилегает вплотную к костям черепа — между ним и черепом остаётся небольшое пространство, заполненное особой жидкостью. От сильного удара мозг начинает как бы «болтаться» в этой жидкости, стукаясь о череп изнутри. И чем больше пространство, тем сильнее удар. У дятлов это пространство меньше, чем у других птиц, и их крошечный гладкий мозг достаточно плотно прилегает к костям черепа, что обеспечивает максимальную площадь контакта, через которую рассеивается энергия столкновения. Так мозг дятла не получает серьезных повреждений, да и на самом мозге у них меньше выпуклостей, так что, если какие-то остатки ударной волны доходят до мозга, они его не травмируют [2].
РЕЗУЛЬТАТЫ СОЦИОЛОГИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
Чтобы привлечь внимание учеников параллельных классов к необходимости бережного отношения к окружающей нас природе и показать, сколько всего интересного можно узнать о птицах, я провела социологическое исследование на тему «Что вы знаете о дятлах?» с помощью специально разработанной Анкеты, приведенной в Приложении.
Результаты, представленные на нижеприведенной диаграмме (Рисунок 13), показали, что, к сожалению, мы пока мало знакомы с этими уникальными представителями мира пернатых.
Рисунок 13. Диаграмма социологического опроса
Итоги проведенного исследования были учтены в разработке представленного на рисунке 14 лэпбука. Надеюсь, что он заинтересует ребят, и поможет узнать больше о дятлах и их необычных способностях.
Рисунок 14. Разработанный лэпбук
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенной работы я узнала, как в процессе эволюции дятлы смогли удивительным образом приспособиться к своему образу жизни за счет совершенствования анатомического строения организма. Дано объяснение, как уникальное строение головы дятла защищает его от сотрясения мозга.
Анализ представленных материалов позволяет сделать вывод о том, что у дятлов главную роль в противоударной защите мозга играют следующие основные факторы, придающие его голове амортизирующие свойства: твёрдый и упругий клюв, который отводит силу удара от мозга; подъязычная кость, представляющая собой хрящ, полностью охватывающий череп; губчатая структура костей черепа, позволяющая смягчать и рассеивать ударные вибрации; достаточно плотное прилегание мозга к костям черепа; язык, имеющий сложную конфигурацию и обеспечивающий дополнительную амортизацию. Только все вместе, а не по отдельности, они эффективно защищают мозг дятла от повреждений.
Таким образом, черепная коробка птицы представляет собой один из наиболее совершенных природных амортизаторов. Для того, чтобы разместить в пределах черепа все эти амортизационные приспособления, дятлу пришлось поступиться размером мозга. В процессе эволюции он уменьшился, но это не привело к тому, что дятлы стали «глупее». На деле они отличаются высокой организацией поведения и обладают сложными территориальными и гнездовыми повадками.
На основании изученной информации был разработан лэпбук, в который включены наиболее важные и интересные факты о дятлах и их необычных способностях.
Результаты проведенного социологического исследования показали, что, к сожалению, мы пока мало знакомы с этими уникальными представителями мира пернатых.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
-
«Жизнь животных». 6-томное издание, том 5 «Птицы» под редакцией Гладкова Н.А., Михеева А.В., Издательство «Просвещение», Москва, 1970г.
-
Журнал «Наука и жизнь» №9 2020, статья «Почему у дятла не болит голова?» Кирилл Стасевич
-
Подкаст «Витю видел», Ника Самоцкая, эпизод «Дятлы. Как у них только голова не болит».
-
"Птицы Европейской части России» Справочник-определитель в двух томах, Рябицев В.К., Том 2 Москва — Екатеринбург Кабинетный ученый, РАН, Уральское отделение, 2020
-
Рассказ «Первая охота», Виталий Бианки
-
Статья «Учимся различать дятлов: Часть 2. Пестрые дятлы – такие похожие и все-таки разные», Дарья Селиванова
-
Статья «Язык дятла. Как обычный орган превратился в совершенство эффективности?», паблик "Книга животных"
-
Статья «Учимся различать дятлов: Часть 1. Биофаковский дятел желна и другие», Дарья Селиванова
ПРИЛОЖЕНИЕ
АНКЕТА ДЛЯ ОПРОСА НА ТЕМУ «ЧТО ВЫ ЗНАЕТЕ О ДЯТЛАХ?»
-
Какой дятел изображен на этом рисунке?
а) вертишейка б) пестрый дятел в) трехпалый дятел
-
Сколько видов дятлов живут на территории нашей страны?
а) один б) десять в) больше ста
3. Какая самая большая длина языка у дятла?
а) 5 сантиметров б) 10 сантиметров в) 15 сантиметров
4. Зачем дятел исполняет барабанную дробь
а) выдалбливает дупло б) добывает насекомых в) приглашает подружку познакомиться
5. Где зимуют дятлы?
а) в местах своего гнездования б) в южных страна в) на севере
6. На какой высоте дятел любит делать дупло?
а) 3–5 метров б) 8–10 метров в) 13 – 15 метров
7. С какой скоростью дятел выбивает барабанную дробь?
а) 20–25 ударов в минуту б) 5 – 10 ударов в секунду в) 20 – 25 ударов в секунду