Шея: жгут, который нельзя пережать

Узкое место

Посмотрите на шею как инженер.

Это тонкий перешеек между управляющим центром и всем остальным телом. Через него обязано пройти:

• спинной мозг — вся связь мозга с телом;
• две пары крупных артерий, несущих кровь вверх;
• вены, отводящие её обратно;
• трахея — воздух;
• пищевод — пища;
• нервы, среди которых блуждающий, управляющий сердцем и кишечником.

Ни один из этих каналов нельзя пережать даже ненадолго. Мозг переносит остановку кровотока хуже любой другой ткани.

А теперь добавьте требование двигаться. Не просто гнуться — проворачиваться на три четверти оборота или выстреливать вперёд быстрее, чем рыба успеет отреагировать.

Две птицы решили эти задачи, и решения оказались разной природы: одно сосудистое, другое механическое.

Сова: 270 градусов и не потерять сознание

Сова не может двигать глазами. Её глаза — не шары, а вытянутые трубки, зафиксированные в глазницах костными кольцами: такая форма нужна для светосилы, но вращаться в орбите она не позволяет.

Значит, посмотреть вбок можно только одним способом — повернув голову целиком. Сова и поворачивает: примерно на 270 градусов в каждую сторону.

Проделайте то же самое сами — хотя бы наполовину. Уже на девяноста градусах чувствуется натяжение. Причина не только в мышцах: артерии, идущие вверх по шее, при повороте закручиваются и растягиваются. У человека резкий разворот шеи способен повредить стенку позвоночной артерии.

Почему же сова, проделывая это по сотне раз за ночь, не теряет сознание?

Что нашли в 2013 году

Группа из Университета Джонса Хопкинса — де Кок-Меркадо, Хабиб, Фелпс, Грегг и Гайо — взяла двенадцать погибших сов, заполнила их сосуды контрастом и стала снимать при повороте головы: вскрытие плюс цифровая субтракционная ангиография.

Нашли четыре решения, и все четыре — про запас прочности.

Отверстия шире сосуда. Позвоночная артерия идёт вверх сквозь отверстия в поперечных отростках позвонков. У человека сосуд лежит в них почти в обтяжку. У совы отверстия заметно шире артерии — сосуд лежит свободно, с провисом. При повороте он не растягивается, а выбирает слабину.

Запасные маршруты. Между сонной и позвоночной артериями есть соединения — анастомозы, которых у взрослого человека обычно нет. Если один путь пережат, кровь идёт в обход.

Резервуары у основания черепа. Расширения артерий, в которых кровь накапливается. При повороте, когда приток на мгновение падает, мозг питается из этого запаса.

Сосуды увеличенного диаметра у основания шеи — там, где нагрузка при скручивании максимальна.

Обратите внимание на общий принцип: ни одно из решений не делает сосуд прочнее. Все четыре дают избыточность — лишнюю длину, лишний объём, запасной путь. Инженер узнает знакомый подход: не усиливать деталь до предела, а строить систему так, чтобы отказ одного элемента не был фатален.

Ещё и позвонки

У человека семь шейных позвонков. У сипухи — четырнадцать.

Каждый сустав добавляет немного подвижности; четырнадцать суставов дают в сумме тот самый разворот, при котором ни один позвонок не выходит за свой безопасный предел. Нагрузка распределена.

Цапля: катапульта из шестого позвонка

Противоположная задача. Цапле не нужно вертеть головой — ей нужно, чтобы клюв достиг рыбы раньше, чем рыба отреагирует.

Мышца для этого слишком медленная. Нужен запас упругой энергии и мгновенное высвобождение — то есть катапульта.

Посмотрите на стоящую цаплю: шея сложена буквой S. Это не поза, а взведённый механизм.

Ключ — шестой шейный позвонок. Он видоизменён: длиннее и мощнее соседних, а места прикрепления мышц на нём развиты сильнее. На нём шея складывается почти под прямым углом, образуя шарнир.

Мышцы натягивают систему, упругие элементы запасают энергию, и в нужный момент она высвобождается разом. Голова с клювом выбрасывается вперёд по прямой.

Работает это как копьеметалка: удлинённое звено увеличивает путь разгона, и на выходе скорость получается больше, чем дало бы прямое движение руки — или, в нашем случае, прямое сокращение мышц шеи.

Та же S-образная укладка есть и у совы, только служит другому: она позволяет упрятать длинную гибкую шею под оперение, отчего сова кажется бесшейной, — и разложить её при повороте.

Почему у птиц позвонков сколько нужно, а у нас всегда семь

Здесь начинается самое любопытное.

У птиц число шейных позвонков варьирует от 11 до 25. У голубя двенадцать, у сипухи четырнадцать, у лебедя двадцать три — двадцать пять. Нужна длинная шея — эволюция добавляет позвонки.

У млекопитающих их всегда семь. У мыши семь. У человека семь. У жирафа семь — просто каждый вытянут до длины предплечья. Исключения известны наперечёт: ленивцы и ламантины.

Мышь и жираф отличаются по длине шеи в сотни раз — и имеют одинаковое число позвонков. Это не может быть совпадением.

Причина, по-видимому, в том, что у млекопитающих число шейных позвонков жёстко сцеплено с ранними этапами зародышевого развития: та же генетическая программа управляет закладкой других систем, и попытка изменить число позвонков тянет за собой нарушения в остальном организме. Дешевле удлинить семь имеющихся, чем добавить восьмой.

Птиц это ограничение не связывает — и они пользуются свободой в полной мере.

Есть и вторая разница, механическая. Суставные поверхности птичьих позвонков сёдловидные: вогнутые в одном направлении и выпуклые в перпендикулярном. Такая пара даёт большую подвижность в двух плоскостях и при этом не даёт позвонкам соскользнуть друг с друга. Наши позвонки соединены иначе — через межпозвонковые диски, которые лучше держат сжатие, но хуже позволяют вращение.

Обратная сторона: памятник неэффективности

Пока всё выглядело как торжество инженерии. Теперь честно о другом.

В шее есть структура, устроенная откровенно плохо: возвратный гортанный нерв.

Он управляет мышцами гортани, которая находится в нескольких сантиметрах от мозга. Логичный путь — короткий отрезок вниз. Реальный путь другой: нерв отходит от блуждающего, спускается в грудную клетку, огибает снизу крупный сосуд у сердца и возвращается вверх по шее к гортани.

У человека крюк — сантиметры. У жирафа — около четырёх с половиной метров ради нескольких сантиметров прямого пути. У зауроподов, судя по реконструкциям, счёт шёл на десятки метров.

Причина — история. У рыбообразных предков соответствующий нерв шёл прямо: от мозга мимо сердца к жабрам, никакого крюка. Затем шея удлинялась, сердце опускалось в грудную клетку, а нерв остался с неправильной стороны сосуда. Каждое поколение он удлинялся на чуть-чуть — и всякий раз это работало. Перебросить его через сосуд одним шагом эволюция не может: промежуточный вариант должен быть жизнеспособным, а «нерв временно перерезан» жизнеспособным не бывает.

Отсюда важный вывод, без которого предыдущие разделы читаются неправильно. Природа — не проектировщик. Она не начинает с чистого листа и не переделывает архитектуру. Она чинит и достраивает то, что уже работает.

Сосудистая система совы восхищает не потому, что кто-то её продумал, а потому, что каждое из четырёх решений по отдельности давало преимущество и потому закрепилось. А возвратный нерв остался нелепым по той же причине: исправить его пошагово нельзя.

Чего мы не выяснили

Честно о границах этой статьи.

Про артерии совы известно много — работа 2013 года разобрала их подробно. Про вены известно меньше. Про то, что происходит при повороте с трахеей и пищеводом, найти внятных данных не удалось: трахея у птиц армирована хрящевыми кольцами и, по-видимому, переносит скручивание неплохо, но измерений мы не нашли.

Отдельный вопрос — нервы. Спинной мозг при повороте на 270 градусов испытывает нагрузку не меньшую, чем сосуды, а специальных исследований на эту тему нам не встретилось.

И совсем открытое: как цапля глотает крупную рыбу через сложенную S-образную шею. Механизм катапульты описан, обратный процесс — почти нет.

Так что «шея как инженерная система» изучена неравномерно: сосуды — да, всё остальное — фрагментарно.

🗺 Карта открытий

Что унести

Шея — место, где сходятся два несовместимых требования: ничего не пережать и свободно двигаться. Обычно инженер в таком случае жертвует одним ради другого.

Сова не пожертвовала ничем — она заложила избыточность: сосуд свободнее отверстия, путей больше одного, запас крови на случай перебоя. Цапля пошла другим путём: не улучшать движение, а запасать энергию заранее и высвобождать разом.

И рядом, в той же шее, тянется нерв, наматывающий у жирафа четыре с половиной метра впустую. Всё это — одна и та же природа, работающая одним и тем же способом: маленькими шагами, каждый из которых должен быть выгоден прямо сейчас.

Восхищаться первым и не замечать второго — значит видеть половину картины.

Читать дальше

→ Сова: убрать свой шум и услышать мышь: зачем ей вообще разворачивать голову на 270 градусов → Дятел: язык вокруг черепа и миф об амортизаторе: ещё одна голова, работающая на предельных нагрузках → Сердце воробья: другой орган, работающий на пределе без перебоев → Молекулярные моторы: чем в конечном счёте приводится в движение всё перечисленное