Pildi pealkiri Uuring, mis aitab kasutada inimeste kaitsekiivrite kujundamisel bioloogilist mehhanismi
Kiirkaamerate analüüs, tomograafia ja arvutisimulatsioonid on aidanud selgitada, kuidas rähnid suudavad oma aju vigastuste eest kaitsta.
Puu õõnestava rähni pea liigub iga löögiga kiirusega umbes 6 meetrit sekundis, olles samal ajal kui vabalangemise kiirendusest tuhat korda suurem ülekoormus.
Hiina teadlased väidavad ajakirjas Plos One avaldatud artiklis, et linnu aju kaitse tagab tema noka ülemise ja alumise osa erinev pikkus, samuti vibratsiooni summutavate lamellluude käsnjas struktuur.
Need tähelepanekud aitavad välja töötada inimeste jaoks tugevama peakaitse.
Teadlased on pikka aega uurinud rähnide kolju anatoomiat, püüdes mõista, kuidas neil õnnestub sellise jõuga puudele koputada, ilma et see endale kahju tekitaks.
Selgus, et nende lindude aju on tugevalt kolju küljes kinni ja seetõttu pole tal lihtsalt füüsiliselt liikumisruumi. Lisaks on rähni aju vertikaalselt rohkem pikenenud kui horisontaalselt ning seega jaotub koormus suuremale alale.
Eksperdid uurisid üksikasjalikult ka hüoidluu struktuuri, mis mängib selles protsessis olulist rolli.
Kvantitatiivsed omadused
Hongkongi ülikooli teadlane Ming Zhang, üks kaasautoritest teaduslikku tööd, ütles, et tema ja ta kolleegid soovivad välja selgitada selle huvitava nähtuse arvulised parameetrid.
"Me teadsime, et varem püüdsid teadlased põhimõtteliselt lihtsalt selgitada selle põhjuseid," ütles ta BBC-le. "Selle probleemi täielikuks avastamiseks peame uurima kvantitatiivseid omadusi, mis aitavad kasutada bioloogilisi mehhanisme kaitseriietuse kujundamisel. inimestele ja üldiselt tööstusdisainilahendusele.
Selleks panid teadlased ellu spetsiaalse eksperimendi, mille käigus salvestasid kaks videokaamerat nokaga sensorit nokitseva rähni asendi, mis võimaldab mõõta löögijõudu.
Selgus, et kui lind lööb, pöörab ta kergelt pead ja see mõjutab mõjuvate jõudude jaotumist.
Rähni kolju kompuutertomograafia ja skaneeriva elektronmikroskoopia abil said eksperdid üksikasjalikult uurida selle mikrostruktuuri ja teha kindlaks, kus luutihedus muutub.
Kõik need andmed võimaldasid omakorda arvutisimulatsioonide abil arvutada linnu pähe mõjuvaid jõude.
Selle tulemusena tuvastasid teadlased kolm tegurit, mis kaitsevad rähni pead kahjustuste eest.
Esiteks, aasakujuline hüoidluu, mis kulgeb ümber kogu linnu kolju, toimib omamoodi turvavööna, eriti esimestel hetkedel pärast noka lööki.
Teiseks avastasid teadlased, et linnu noka üla- ja alaosa pikkus on erinev ning see asümmeetria, kuna jõud kandub noka otsast luusse, vähendab ajukoormust.
Lõpuks leidsid eksperdid, et selle koormuse ühtlasele jaotumisele ja sellest tulenevalt aju kaitsele aitavad kaasa ka käsnalise struktuuriga lamellluud kolju erinevates kohtades.
Teadlased rõhutavad, et rähni aju on kahjustuste eest kaitstud just tänu kõigi nende kolme teguri koosmõjule, mitte ühele eraldiseisvale tunnusele.
Rähn teeb päevas umbes 12 000 pealööki, ilma et see endale kahju teeks! See hämmastav fakt trotsis igasugust seletust, sest see tekitab 1000 korda suurema ülekoormuse kui vabalangemise korral. On kindlaks tehtud, et mõned rähniliigid suudavad puukoore lõikamise käigus oma nokat liigutada kiirusega ligi 25 km/h! Seda tehes visatakse tema pea tagasi tohutu negatiivse kiirendusega, mis on rohkem kui kaks korda suurem kui astronaudid stardi ajal! Hiljuti suutis rühm Hiina teadlasi vastata küsimusele: "Miks rähnil peavalu ei ole?".
Selgub, et rähnil on mitu ainulaadset võimet ja huvitav peaehitus.
Esimest korda õnnestus kahel Ameerika teadlasel, Ivan Schwobil California ülikoolist Davises ja Philip Mayl California ülikoolist Los Angeleses täielikult dešifreerida mehhanism, mis kaitseb rähni pead värisemise eest, kes 2006. a. Ignobeli auhind selle avastuse eest (see on auhind, mida teadlased saavad "avastuste eest, mis alguses ainult naerma panevad ja siis mõtlema panevad"; teadusmaailmas pole see auhind vähem populaarne kui Nobeli preemia). Bioloogid on seda mehhanismi uurinud kuld-kuld-kirjurähni näitel ( melanerpes aurifrons), kes elab USA metsades, arvatakse aga, et ilmselt on selline turvasüsteem omane kõigile rähnide esindajatele ( piciformes).
Miks siis rähn peapõrutust ei saa. Esiteks seetõttu, et selle ülikõva nokk lööb tüve vastu rangelt risti viimase pinnaga, ei paindu ega vibreeri löögist. Selle tagab kaelalihaste koordineeritud töö - "õõnestustöö" ajal on aktiivsed ainult need lihased, mis vastutavad pea edasi-tagasi liigutamise eest, ning mitteaktiivsed on need lihased, mis teostavad kaela külgmisi liigutusi. See tähendab, et rähn ei saa puhtfüüsiliselt valitud kursilt kõrvale kalduda.
Lisaks eraldab selle linnu kolju ja tema aju ainult õhuke kiht intrakraniaalset vedelikku, mis ei lase vibratsioonil piisavalt jõudu saada. ohtlik mõju aju peal. Lisaks on see vedelik üsna viskoosne, seetõttu kustutab see kohe kõik löögist tekkivad lained, mis võivad kahjustada kõige olulisemat närvikeskust.
Hüoidil on ka oluline roll aju kaitsmisel põrutuste eest - oluline element lindude hüoidluu, mis ise on pigem kõhr kui tõeline luukude. Rähnil on see äärmiselt arenenud, väga ulatuslik ja laienenud, paiknedes mitte ainult neelus (nagu imetajatel), vaid siseneb ka ninaneelu, pöörates enne seda ümber kolju. See tähendab, et selle linnu kolju sees on täiendav elastne amortisaator.
Lisaks, nagu näitas rähni koljuluude sisestruktuuri uuring, sisaldavad peaaegu kõik need käsnjas poorset kudet, mis on täiendav amortisaator. Selles suhtes sarnaneb rähni kolju rohkem tibu kui täiskasvanud linnu omaga (kellel on käkkluu osakaal luudes äärmiselt väike). Nii et need vibratsioonid, mida koljuvedelik ja hüoid ei suutnud "kustutada", "rahustab" luude käsnjas aine.
Lisaks on rähnil ka silmadele omamoodi “turvavöö” – löögi ajal langeb selle linnu silma peale kolmas silmalaud (nõttav membraan), et kaitsta silmamuna vibratsiooni eest ja vältida võrkkesta irdumist. Nii et rähnide nägemus on vaatamata "õõnestavale" elustiilile alati korras.
Ja muidugi selleks, et kõik need turvasüsteemid koljusse mahutada, pidid rähnid oma aju pinda oluliselt vähendama. See aga ei muutnud neid teistest lindudest sugugi rumalamaks – vastupidi, rähn on väga tark ning üsna keerulise territoriaalse ja pesitsuskäitumisega. Fakt on see, et erinevalt imetajatest ei toimu lindudel kõrgema ratsionaalse aktiivsuse protsessid üldsegi ajupoolkerade ajukoores, vaid selle all asuvates striataalsetes kehades ja kihis, mida nimetatakse hüperstriaumiks. Ja need ajuosad ei võta esialgu enda alla väga suurt ala, sest neis paiknevad neuronid on üsna tihedalt pakitud. Seetõttu võib rähn kergesti kahandada oma aju, ilma et see kahjustaks oma intelligentsust.
Mis see siis on tark lind saab inimesi õpetada? Jah, vähemalt kuidas arendada täiuslikke löögivastaseid struktuure. Sarnase töö tegid hiljuti ka Ameerika teadlased Berkeley ülikooli bioinseneri laborist. Rähnide aeglustatud video "swottimise" ja tomograafia andmete hoolikas uurimine võimaldas neil välja töötada rähnide omaga sarnase kunstliku summutussüsteemi (st ohutuse tagamise).
Tehissiibri ülikõva noka rolli võib täita tugev väliskest - näiteks terasest või titaanist. Intrakraniaalse vedeliku funktsiooni selles seadmes võtab üle teine, sisemine metallikiht, mis on välisest terasest eraldatud elastse kihiga. Selle all on kõva, kuid samal ajal elastse kummi kiht - hüoidi analoog. Käsnakujuliste struktuuride "asendaja" on täita kogu selle kummi all olev tühi maht tihedalt pakitud umbes ühe millimeetri suuruste klaashelmestega. On tõestatud, et need "hajutavad" väga tõhusalt löögienergiat ja blokeerivad ohtlike vibratsioonide edastamise kõige väärtuslikumale keskosale, mille jaoks kõik need süsteemid on olemas - see tähendab omamoodi "aju".
Selline siiber suudab arendajate sõnul kaitsta tugevate löökide eest erinevaid hapraid struktuure, näiteks elektroonikat. Sellisesse kesta on võimalik paigutada lennukite "mustad kastid", laevade pardaarvutid või kasutada seda uue põlvkonna väljaviskeseadmete väljatöötamisel. Võimalik, et seda kesta saab kasutada ka auto keres lisasiibrina.
Pärast miniatuurse prototüübi loomist viisid teadlased läbi selle kesta esimesed katsed. Nad panid selle kuuli ja tulistasid gaasipüstoliga paksu alumiiniumlehe sisse. Amortisaatori ülekoormus ulatus 60 000 g-ni, kuid siiber kaitses tõhusalt sellesse peidetud elektroonilist täidist. Tähendab, see süsteem töötab üsna tõhusalt. Nüüd töötavad arendajad sama suure siibri loomise kallal.
Hiina teadlased on uurinud rähnide kaitset põrutuse ja vibratsiooni eest, mis nende hinnangul võib aidata luua uusi põrutusvastaseid materjale ja konstruktsioone, mida saab kasutada erinevates inimtegevuse valdkondades. Daliani ülikooli riikliku tööstusseadmete struktuurianalüüsi laboratooriumi insenerid leidsid, et rähni kogu keha töötab suurepärase löögivastase mehhanismina, neelab löögienergiat.
Lind nokib puud väga kõrge sagedusega (umbes 25 hertsi) ja kiirusega (umbes seitse meetrit sekundis), mis on 1000 korda suurem kui maakera gravitatsioon. Teadlased tegid tomogrammi abil spetsiaalse 3D-arvutimudeli, et mõista täpselt, kuidas rähn oma aju kahjustuste eest kaitseb.
Teadlased on välja selgitanud, et suurema osa löögienergiast akumuleerib linnu keha (99,7%) ja vaid 0,3% langeb rähni pähe. Osa löögienergiast võtab üle linnu nokk, teise osa võtab linnu hüoidluu. Ja see väike osa energiast, mis ikka rähni pähe langeb, muundatakse soojuseks, mis põhjustab aju temperatuuri tugeva tõusu.
Selle temperatuuri alandamiseks on lind sunnitud puul nokitsemise vahel pause tegema.
Teadlased on avastanud, et rähni aju toodab pidevalt tau-valku, mille suur kogus ei sobi kokku normaalse eluga.
Ohtlikud kahjustused
Lõuna-Koreas jätkuvatel olümpiamängudel demonstreerivad professionaalsed sportlased aastatepikkuste raskete ja kurnavate treeningute käigus omandatud oskusi. Kahtlemata on nad oma riikide uhkus, kuid just sportlased on kõige vastuvõtlikumad sagedastele vigastustele.
Nagu tänapäeval teada, pole korduvad vigastused vähem ohtlikud kui ühekordsed. See asjaolu avaldub eriti hästi ajukahjustuse näitel. Jätkates tugevaid lööke ajukoorele, võib tau-valk koguneda inimese ajusse. Tavalises koguses ta esineb oluline funktsioon rakkude tsütoplasmaatilise struktuuri mikrotuubulite moodustumisega, kuid tau-valgu liig hakkab kogunema, muutudes lahustumatuks vormiks. Sarnane toime ilmneb sageli ka Alzheimeri tõve puhul. Seetõttu näitavad teadlased huvi tau-valgu uurimise vastu.
Rähnid kujunesid üheks huvitavaks uurimisobjektiks. Nende elustiil ja toidusüsteem hõlmab pidevat rasket tööd, et nokaga puukoorest läbi murda, et saagini jõuda. Pidevalt korduvad löögid ei saa jätta mõjutamata rähni aju, sest nende nokaga löögi jõud on tohutu.
Ameerika teadlased Massachusettsist uurisid katse puhtuse huvides 10 rähni aju viiest liigist, aga ka musträstasid, kes ei kannata pidevat põrutust. Lindude ajud lõigati väikesteks osadeks ja värviti tau-valgu olemasolu tuvastamiseks spetsiaalse lahusega. Mikroskoobi all tehtud analüüs võimaldas tuvastada, et rähni ajus on selle kogus üsna suur, rästa ajus seda aga ei leitud.
Nendele tulemustele vaatamata puuduvad andmed ajukahjustuse esinemise kohta valitud isikutel. Sellest tulenevalt tekib küsimus, kas rähnid kannatavad oma elutegevuse käigus või pakub neile kaitset ajus sisalduv tau valk? Täiendavad uuringud peaksid sellele küsimusele vastama ja aitama mõista Alzheimeri tõve põhjuseid.
Rähn teeb päevas umbes 12 000 pealööki, ilma et see endale kahju teeks! See hämmastav fakt trotsis igasugust seletust, sest see tekitab 1000 korda suurema ülekoormuse kui vabalangemise korral.
On kindlaks tehtud, et mõned rähniliigid suudavad puukoore lõikamise käigus oma nokat liigutada kiirusega ligi 25 km/h! Seda tehes visatakse tema pea tagasi tohutu negatiivse kiirendusega, mis on rohkem kui kaks korda suurem kui astronaudid stardi ajal! Hiljuti suutis rühm Hiina teadlasi vastata küsimusele: "Miks rähnil peavalu ei ole?".
Selgub, et rähnil on mitu ainulaadset võimet ja huvitav peaehitus.
Esimest korda õnnestus kahel Ameerika teadlasel, Ivan Schwobil California ülikoolist Davises ja Philip Mayl California ülikoolist Los Angeleses täielikult dešifreerida mehhanism, mis kaitseb rähni pead värisemise eest, kes 2006. a. selle avastuse eest Ignobelevskaja auhind (see on auhind, mida teadlased saavad "avastuste eest, mis esmalt tekitavad ainult naeru ja panevad siis mõtlema".
Muideks. Teadusmaailmas pole see auhind vähem populaarne kui Nobeli preemia).
Bioloogid on seda mehhanismi uurinud Ameerika Ühendriikide metsades elava kuldselja (Melanerpes aurifrons) näitel, kuid nad usuvad, et ilmselt on selline turvasüsteem omane kõigile rähni (Piciformes) esindajatele. .
Miks siis rähn peapõrutust ei saa. Esiteks seetõttu, et selle ülikõva nokk lööb tüve vastu rangelt risti viimase pinnaga, ei paindu ega vibreeri löögist. Selle tagab kaelalihaste koordineeritud töö - "õõnestus" töö ajal on aktiivsed ainult need lihased, mis vastutavad pea edasi-tagasi liigutamise eest, ja need, mis teostavad kaela külgmisi liigutusi, on passiivsed. See tähendab, et rähn ei saa puhtfüüsiliselt valitud kursilt kõrvale kalduda.
Lisaks eraldab selle linnu kolju ja tema aju ainult õhuke kiht koljusisest vedelikku, mis ei lase vibratsioonil koguda piisavalt jõudu, et aju ohtlikult mõjutada. Lisaks on see vedelik üsna viskoosne, seetõttu kustutab see kohe kõik löögist tekkivad lained, mis võivad kahjustada kõige olulisemat närvikeskust.
Aju põrutuste eest kaitsmisel on oluline ka hüoid, lindude hüoidluu kõige olulisem element, mis iseenesest on rohkem kõhre kui päris luukude. Rähnil on see äärmiselt arenenud, väga ulatuslik ja laienenud, paiknedes mitte ainult neelus (nagu imetajatel), vaid siseneb ka ninaneelu, pöörates enne seda ümber kolju. See tähendab, et selle linnu kolju sees on täiendav elastne amortisaator.
Lisaks, nagu näitas rähni koljuluude sisestruktuuri uuring, sisaldavad peaaegu kõik need käsnjas poorset kudet, mis on täiendav amortisaator. Selles suhtes sarnaneb rähni kolju rohkem tibu kui täiskasvanud linnu omaga (kellel on käkkluu osakaal luudes äärmiselt väike). Nii et need vibratsioonid, mida koljuvedelik ja hüoid ei suutnud "kustutada", "rahustab" luude käsnjas aine.
punapea-kirjurähn
Lisaks on rähnil ka silmade jaoks omamoodi "turvavöö" - löögi ajal langeb selle linnu silmale kolmas silmalaud (nõttav membraan), et kaitsta silmamuna vibratsiooni eest ja vältida võrkkesta irdumist. Nii et rähnide nägemus on vaatamata "õõnestavale" elustiilile alati korras.
Ja muidugi selleks, et kõik need turvasüsteemid koljusse mahutada, pidid rähnid oma aju pinda oluliselt vähendama. See aga ei muutnud neid teistest lindudest sugugi rumalamaks – vastupidi, rähn on väga tark ning üsna keerulise territoriaalse ja pesitsuskäitumisega. Fakt on see, et erinevalt imetajatest ei toimu lindudel kõrgema ratsionaalse aktiivsuse protsessid üldsegi ajupoolkerade ajukoores, vaid selle all asuvates striataalsetes kehades ja kihis, mida nimetatakse hüperstriaumiks. Ja need ajuosad ei võta esialgu enda alla väga suurt ala, sest neis paiknevad neuronid on üsna tihedalt pakitud. Seetõttu võib rähn kergesti kahandada oma aju, ilma et see kahjustaks oma intelligentsust.
kuldne avocet rähn
Mida saab see tark lind inimestele õpetada? Jah, vähemalt kuidas arendada täiuslikke löögivastaseid struktuure. Sarnase töö tegid hiljuti ka Ameerika teadlased Berkeley ülikooli bioinseneri laborist. Rähnide aeglustatud video "swottimise" ja tomograafia andmete hoolikas uurimine võimaldas neil välja töötada rähnide omaga sarnase kunstliku summutussüsteemi (st ohutuse tagamise).
Tehissiibri ülikõva noka rolli võib täita tugev väliskest - näiteks terasest või titaanist. Intrakraniaalse vedeliku funktsiooni selles seadmes võtab üle teine, sisemine metallikiht, mis on välisest terasest eraldatud elastse kihiga. Selle all on kõva, kuid samal ajal elastse kummi kiht - hüoidi analoog. Käsnakujuliste struktuuride "asendaja" on täita kogu selle kummi all olev tühi maht tihedalt pakitud umbes ühe millimeetri suuruste klaashelmestega. On tõestatud, et need "hajutavad" väga tõhusalt löögienergiat ja blokeerivad ohtlike vibratsioonide edastamise kõige väärtuslikumale keskosale, mille jaoks kõik need süsteemid on olemas - see tähendab teatud "aju".
Roheline ("hall") rähn
Selline siiber suudab arendajate sõnul kaitsta tugevate löökide eest erinevaid hapraid struktuure, näiteks elektroonikat. Sellisesse kesta on võimalik paigutada lennukite "mustad kastid", laevade pardaarvutid või kasutada seda uue põlvkonna väljaviskeseadmete väljatöötamisel. Võimalik, et seda kesta saab kasutada ka auto keres lisasiibrina.
Pärast miniatuurse prototüübi loomist viisid teadlased läbi selle kesta esimesed katsed. Nad panid selle kuuli ja tulistasid gaasipüstoliga paksu alumiiniumlehe sisse. Amortisaatori ülekoormus ulatus 60 000 g-ni, kuid siiber kaitses tõhusalt sellesse peidetud elektroonilist täidist. See tähendab, et see süsteem töötab üsna tõhusalt. Nüüd töötavad arendajad sama suure siibri loomise kallal.
Hiina teadlased on uurinud rähnide kaitset põrutuse ja vibratsiooni eest, mis nende hinnangul võib aidata luua uusi põrutusvastaseid materjale ja konstruktsioone, mida saab kasutada erinevates inimtegevuse valdkondades. Daliani ülikooli riikliku tööstusseadmete struktuurianalüüsi laboratooriumi insenerid leidsid, et rähni kogu keha töötab suurepärase löögivastase mehhanismina, neelab löögienergiat.
Lind nokib puud väga kõrge sagedusega (umbes 25 hertsi) ja kiirusega (umbes seitse meetrit sekundis), mis on 1000 korda suurem kui maakera gravitatsioon. Teadlased tegid tomogrammi abil spetsiaalse 3D-arvutimudeli, et mõista täpselt, kuidas rähn oma aju kahjustuste eest kaitseb.
Teadlased on välja selgitanud, et suurema osa löögienergiast akumuleerib linnu keha (99,7%) ja vaid 0,3% langeb rähni pähe. Osa löögienergiast võtab üle linnu nokk, teise osa võtab linnu hüoidluu. Ja see väike osa energiast, mis ikka rähni pähe langeb, muundatakse soojuseks, mis põhjustab aju temperatuuri tugeva tõusu.
Selle temperatuuri alandamiseks on lind sunnitud puul nokitsemise vahel pause tegema.
