Мониторинг мышц и высокоскоростное видео показывают, как тело и дыхание взаимодействуют для многократного приложения силы
При весе всего в 25 граммов пушистые дятлы могут прилагать усилия, в 20-30 раз превышающие их массу тела, — экстремальный результат, достигаемый благодаря сложной координации нескольких систем.
Скрытый за всем этим грохотом, дятел тихо кряхтит.
Птицы выдыхают при каждом ударе, как теннисный профессионал, кряхтящий после удара. Тщательно продуманная координация между этими вдохами и выдохами, а также работа мышц по всему телу обеспечивают идеально согласованную частоту ударов, сообщают исследователи 6 ноября в журнале Journal of Experimental Biology.
Исследования экстраординарных способностей дятлов, которые могут наносить удары сотни раз в минуту с усилием, в 20-30 раз превышающим их вес тела, в основном были сосредоточены на том, как они могут наносить удары без сотрясения мозга. Новый анализ просто задает вопрос: как это вообще возможно?
Хотя клевание может показаться простым движением головы взад-вперед, “на самом деле это очень сложное, умелое поведение, которое включает в себя движение мышц по всему телу”, — говорит Николас Антонсон, физиолог-бихевиорист из Университета Брауна.
Антонсон и его коллеги гуманно отловили восемь диких пушистых дятлов (Dryobates pubescens) в кампусе Брауна и его окрестностях. Они аккуратно вставили электроды в восемь различных мышц, которые измеряют электрические сигналы, указывающие на сокращение мышц. Затем в течение получаса исследователи наблюдали за дятлами, когда они сверлили (поведение, используемое для зондирования и выемки грунта) и постукивали (поведение, используемое для общения). На каждой птице был надет специальный миниатюрный рюкзачок для записи электрических сигналов, которые команда синхронизировала с видеозаписью, сделанной на высокой скорости со скоростью 250 кадров в секунду. После нескольких дней наблюдения и выздоровления птицы были выпущены на свободу.
Анализ выявил сложную хореографию мышц и дыхания, которая превращает птицу в эквивалент молота. Когда люди работают молотком, мышцы на тыльной стороне запястья напрягаются, чтобы уменьшить потерю энергии при ударе; исследователи наблюдали аналогичное напряжение в некоторых мышцах шеи дятла. “Просто невероятно, насколько это похоже на то, как мы бьем молотком”, — говорит Антонсон.
Глубокие вдохи и выдохи
Дятлы барабанят слишком громко, чтобы можно было различить звук дыхания. Но в этом ролике исследователи преобразовали данные о давлении в дыхательной системе птиц в аудио, что позволило нам “услышать” их дыхание во время последовательности из девяти ударов.
Другие мышцы играют определенную роль в процессе нанесения удара. В предшествующие моменты казалось, что птицы опираются на мышцы хвоста, в то время как сила самого удара в значительной степени определяется активацией единственной мышцы бедра. Отдельные мышцы головы и шеи помогают отводить голову назад после каждого удара, активизируясь до того, как другие мышцы завершат движение вперед. Перекрывающиеся сокращения могут помочь сгладить возвратно-поступательные движения пальцев во время быстрого соло на ударных.
Команда также изучила поток воздуха через сиринкс — аналог голосовых связок — чтобы определить, задерживают ли дятлы дыхание при ударе, как это делают тяжелоатлеты, или выдыхают во время движения, как теннисисты. Обе стратегии помогают стабилизировать основные мышцы во время движения, но пушистые дятлы берут пример с теннисистов. Они могут наносить удары и выдыхать до 13 раз в секунду, делая 40-миллисекундный вдох между каждым ударом. По словам Антонсона, ритм движения оставался удивительно стабильным при многократном нажатии.
Певчие птицы делают небольшие вдохи, чтобы поддержать свою длинную мелодию. То, что дятлы делают то же самое, “наводит на мысль, что [постукивание] может быть больше похоже на пение, чем мы предполагали”, — говорит Дэниел Тобиански, нейробиолог-бихевиорист, изучающий птиц в колледже Провиденс и не принимавший участия в исследовании. По его словам, при изучении животного мира часто упускается из виду невербальная акустическая коммуникация, и подобные связи дают представление о том, как она могла эволюционировать.
Заглянув “под капот” пушистых дятлов, Антонсон планирует продолжить изучение механизмов экстремального поведения других видов, чтобы понять, какие выводы они могут дать.