Как птичий клюв остаётся острым?

Возможно, вы обращали внимание, насколько острыми становятся ногти сразу после их подстригания. Как бы аккуратно вы не срезали ноготь, неосторожный взмах рукой всё равно может оставить царапины на нежной коже! Для купирования этого неприятного эффекта в своё время была придумана пилочка для ногтей. Однако даже если ногти не подпиливать, то примерно через сутки (а у кого-то даже меньше) их острота сходит на нет – острая кромка ногтя самостоятельно истирается и стачивается об окружающие предметы.

Дело в том, что белок кератин, из которого сложены наши ногти (а также волосы и даже самый верхний слой кожи), не то чтобы очень прочен. Часто для оценки относительной твёрдости материала используется десятибалльная шкала Мооса. По этой шкале наши ногти имеют твёрдость всего 2,5; среди минералов мягче них оказываются такие легко разрушаемые вещества, как графит (1 по Моосу, благодаря его мягкости наши карандаши оставляют след на бумаге) или гипс (2 по Моосу; поверхность гипса легко царапается и крошится). Для сравнения: самый твёрдый материал в нашем организме – эмаль, покрывающая наши зубы – имеет твёрдость более 5 по Моосу, это сопоставимо с твёрдостью стекла и стали.

Однако многие животные имеют кератиновые структуры, не превосходящие по прочности наши ногти, которые тем не менее постоянно остаются острыми. Рога быков или носорогов; когти кошек или орлов; клювы птиц и черепах… Наверняка вы не раз сталкивались с тем, как больно царапаются кошки или щипаются попугаи. Как же им удаётся создавать постоянно острые структуры из такого мягкого и легко истирающегося материала?

Начнём с того, что не все из упомянутых структур так уж остры, какими кажутся. Рога полорогих зверей (быков, козлов, антилоп) имеют костную основу, но сверху на эту основу надет конический роговой (кератиновый) чехол, который после гибели животного легко снимается. Благодаря такой особенности устройства рогов этих животных человек издавна изготовлял из этих кератиновых чехлов сосуды и музыкальные инструменты. Однако эти самые чехлы хоть изначально и формируются острыми, но со временем довольно быстро истираются – и всё. Бычьи рога вблизи оказываются со вполне себе закруглёнными кончиками, вот, взгляните:

Впрочем, шутить с быками всё равно не стоит – эти мощные звери легко могут пропороть живот нападающему даже такими тупыми рогами просто за счёт своей силы и массы. У них просто нет необходимости в каком-то особом механизме для поддержания остроты рогов.

А вот рога носорогов вовсе не имеют костной основы, это целиком кератиновые образования. Часто в популярной литературе пишут, что рога носорогов состоят из слипшихся волос, однако это не совсем правда. Их рога по химическому составу похожи на волосы (тот же самый белок кератин), но называть их «слипшимися волосами» корректно не в большей степени, чем называть «слипшимися волосами» наши ногти (и потому же они обладают не большей целебной силой, чем наши ногти – весь браконьерский промысел носорогов ради их рогов абсолютно бессмыслен). Тем не менее, на крупных фотографиях хорошо заметно, что носорожьи рога состоят из отдельных кератиновых волокон:

Рог носорога действительно растёт подобно волосу – эдаким цилиндром (Hieronymus et al., 2006). Однако для большей прочности в процессе роста он пропитывается фосфатом кальция – минералом, входящим в состав в том числе наших костей и придающим им прочность. Когда рог маленький, фосфат кальция есть только в его центральной части, но чем длиннее становится рог, тем шире становится область минерального пропитывания. В итоге в «цилиндрическом» роге уже изначально заложена коническая «болванка». А дальше – очень просто: чистый кератин легко истирается о камни и кусты, минерализованная болванка остаётся, вот и получается знакомый нам конический рог. Часто носороги сами трутся рогами о стволы деревьев, поддерживая боеспособность своего оружия. На фото выше это хорошо заметно: хотя основание и немного расслаивается, кончик рога отполирован этой самой заточкой до зеркального блеска. Впрочем, он, конечно, не достигает остроты копья, как и рога быков – но, как мы обсудили, крупному зверю это не очень нужно.

А вот когти наших любимых котиков бывают даже слишком острыми, в чём легко могло убедиться большинство наших читателей. Тут всё просто: коготь в самой своей структуре имеет механизм самозатачивания.

Ногти обезьян и когти прочих зверей – исходно одно и то же, наши ногти – это преобразованные когти. Однако часто люди убеждены, что когти отличаются от ногтей только длиной, дескать, если человеку удастся отрастить длинные и изогнутые ногти, то вон они когти и получатся. Это не совсем так. Взглянем на устройство ногтя:

Человеческий ноготь в основном состоит из ногтевой пластинки, она растёт наиболее заметно и именно её мы периодически подрезаем. А подошвенная пластинка – это тонкая нежная кожица прямо под ногтевой пластинкой, которая иногда очень неприятно занозится, а в остальном мы её почти не замечаем и не осознаём как особую часть ногтя. Ну кожица и кожица, подумаешь. Но когти не таковы:

Когтевая пластинка когтя – это его верхняя половина, она соответствует ногтевой пластинке наших ногтей. А вот подошвенная пластинка у когтя по размерам сопоставима с когтевой и это больше не тонкая кожица! Она тоже ороговевает и по прочности и толщине не уступает когтевой пластинке (представьте, если бы у вас под ногтем рос будто бы ещё один, нижний ноготь, сходящийся с верхним). У многих «когтистых» животных подошвенная пластинка достигает такого развития, что полностью одевает кончик пальца снизу, как когтевая пластинка одевает его сверху; у таких животных практически отсутствует подушечка пальца – всё занимает коготь.

При этом и когтевая, и подошвенная пластинки вовсе не монолитны. Они расслаиваются на множество горизонтальных пластинок:

На фото препарата выше эти пластинки хорошо заметны. На острие когтя они сходятся под углом, образуя острый краешек. Разумеется, этот острый край легко притупливается – мягкость кератина никто не отменял! В этом случае нужно всего-то обломить притупившуюся пластинку, обнажив новое острое лезвие под ней. А когда и это лезвие затупится – снова обломить и так далее, кератиновый чехол ведь постоянно нарастает, так что лезвия не кончатся! Именно обламыванием и счищением старых кератиновых прослоек с когтей и занимается кошка, царапая когтеточку (ну или обдирая обои, тут уж у кого как).

У птиц в клюве присутствует сходный механизм. Челюсти птиц одеты роговым чехлом – рамфотекой (в переводе с древнегреческого «клювохранилище»). Рамфотека верхней челюсти называется надклювьем, нижней челюсти – подклювьем. У надклювья, как и у когтя, есть верхняя, кроющая (как бы «когтевая») и нижняя, нёбная (как бы «подошвенная») пластинки, распадающиеся на множество постоянно нарастающих слоёв. Вот как выглядит самый кончик птичьего клюва:

На этом рисунке хорошо видно, как взаимодействуют между собой нижние и верхние пластинки, формируя самозатачивающуюся структуру. Подобным же образом устроены, например, канцелярские ножи: как только остриё ножа притупляется, мы по специальному желобку обламываем этот кончик, и в нашем распоряжении оказывается новое остриё.

Самозатачивающийся механизм накладывает определённые ограничения на форму птичьего клюва. Нетрудно видеть, что пластинки обламываются на кончике клюва; но нарастают-то они у основания и постепенно «сползают» по костной основе к кончику. Из-за этого клюв может быть только двух форм: прямой (в этом случае пластинки просто растут прямо) и серповидный (в этом случае пластинки растут по дуге окружности). Любая другая, более сложная форма недопустима – пластинки просто не смогут расти иначе. У когтей такой проблемы нет – они в принципе изначально серповидные, им другая форма и не нужна.

Но проницательный читатель уже наверняка приготовил возражения. Как же так, ведь существуют птицы с клювами сложной формы: например, орлы, пеликаны или утки! Разве у них нет такого механизма самозатачивания? Конечно же, их клювы не менее остры, чем клювы аистов или ворон. Но кто сказал, что затачиваться должен весь клюв?

Для начала следует заметить, что далеко не всегда челюсти птиц одеты роговым чехлом полностью. Часто роговой чехол присутствует лишь на самом кончике клюва, а остальная часть челюсти покрыта кожей (этот участок кожи на клюве птиц называется восковицей). Таковы, например, клювы орлов:

Клюв хищных птиц разрывается между двумя задачами. С одной стороны, он должен быть длинным, чтобы не приходилось слишком глубоко погружать голову в добычу во время еды. С другой стороны, он должен быть изогнутым крючком, чтобы можно было цеплять и отрывать куски от добычи. Как видите, проблема решена радикально: длинная и прямая часть клюва покрыта кожей (восковицей; у орлов она часто имеет яркий цвет, отличающийся от цвета рамфотеки), а концевая крючковидная, требующая заточки, обладает роговым чехлом. И вот эта концевая часть клюва оказывается по форме как раз в рамках требуемой дуги окружности.

Восковицей обладают не только хищные птицы, но и другие, например, голуби:

Хорошо, но что если нет никакой восковицы и весь клюв целиком роговой, как у трубконосых птиц, например, альбатросов и буревестников? В этом случае клюв состоит из нескольких пластин, каждая из которых нарастает независимо от прочих.

Взгляните, из скольких сегментов состоит клюв глупыша. Есть отдельная трубчатая роговая капсула наверху клюва, одевающая ноздри; есть прямые пластины, защищающие по бокам верхнюю и нижнюю челюсти; и, наконец, есть серповидные самозатачивающиеся сегменты на самом кончике клюва (только посмотрите, как они внешне похожи на гигантские когти!). Реально постоянно растущими оказываются только эти концевые сегменты, ведь от этого зависит та самая острота, все прочие же – это обычные роговые пластины на коже, больше похожие на крупную чешую, чем на обсуждаемый сложный многослойный аппарат.

Совсем маленьким (но не менее эффективным) оказывается самозатачивающийся участок на клюве утиных. Если ваша добыча не очень велика и потому вам не надо отрывать от неё крупные куски, то ни в каком огромном крюке на конце клюва (как мы видели до этого) вы не нуждаетесь. Самозатачивание всё равно нужно: ведь птицы своим клювом не только добывают еду, но также приводят в порядок перья, смазывают их жиром, чистят от паразитов – всё это нужно делать острым кончиком. Весь клюв утиных птиц представляет собой монолитное образование (в отличие от клюва альбатросов), и только на самом его кончике есть маленький крючочек, так называемый «ноготок», в котором и присутствует обсуждаемый самозатачивающийся аппарат. Очень часто ноготок на клювах уток выделяется контрастным цветом:

Именно этот небольшой (около сантиметра) участок на клюве уток имеет бритвенную остроту. Остальная же кромка клюва, в том числе и передняя, довольно тупая, ведь большинство уток – фильтраторы, имеющие внутри своего клюва сложную систему роговых зубчиков и перегородок. Впрочем, это уже совсем другая история.

Итак, вот как животные борются с мягкостью кератина:

• полорогие никак не учитывают истирание своих рогов – и так сгодится;

• носороги создают рог переменной твёрдости (мягкий снаружи, твёрдый внутри) и специально точат его об окружающие предметы;

• все животные, обладающие когтями и клювами, имеют в основе этих структур многослойный самозатачивающийся аппарат на манер канцелярского ножа, благодаря которому когти и клювы остаются очень острыми при минимальных усилиях со стороны их владельцев.

Литература

Тем, кто желает глубже погрузиться в тему кератиновых структур, можно порекомендовать следующие работы.

О структуре рога носорога:

Hieronymus T. L., Witmer L. M., Ridgely R. C., 2006. Structure of white rhinoceros (Ceratotherium simum) horn investigated by X‐ray computed tomography and histology with implications for growth and external form // Journal of Morphology. Vol. 267. № 10. P. 1172 – 1176.

О слоистых структурах в клювах и когтях:

Lüdicke M., 1940. Aufbau und Abnutzung der Hornzähne und Hornwülste des Vogelschnabels // Zeitschrift für Morphologie und Ökologie der Tiere. Vol. 37. № 2. P. 155 – 201.

Alibardi L., 2009. Ultrastructural characteristics of the process of cornification in developing claws of the brushtail possum (Trichosurus vulpecula) // Acta Zoologica. Vol. 90. № 3. P. 285 – 300.

А рисунки когтей и ногтей взяты из этого замечательного учебника сравнительной анатомии:

Kardong K. V., 2012. Vertebrates: Comparative anatomy, function, evolution. New York: McGraw Hill. 794 p.

Все права на данный текст принадлежат паблику «Инженерная биология». Использование этого текста разрешается в некоммерческих целях и при наличии активной ссылки на оригинал.