啄木鳥為什么不會遭受腦震蕩？

與廣為流傳的看法相反，啄木鳥頭部并沒有天生的減震器。

當啄木鳥啄落硬質(zhì)樹皮尋找食物，在樹干上挖洞筑巢，制造鼓聲吸引配偶或宣告領(lǐng)地時，它們通常會以每小時20公里的速度用喙撞擊樹木，制造鼓聲時的頻率甚至可以達到每秒30次。這樣的突然減速，至少對于人類的大腦來說，會超過造成震蕩的閾值。然而，從許多流傳甚廣的故事、博客、動物園展示欄信息和電視教育節(jié)目中，我們了解到啄木鳥的頭骨具有減震結(jié)構(gòu)，這使得它們的大腦在高速撞擊時仍能完好無損。

鳥類愛好者可能會為此感到欣慰，因為從撞擊的喙部向后傳播的沖擊波在到達大腦之前會得到緩沖。在過去十年里，隨著計算機斷層掃描重建技術(shù)的出現(xiàn)，我們發(fā)現(xiàn)啄木鳥大腦前部有一塊海綿狀骨骼（見圖1）。這一發(fā)現(xiàn)進一步證實了沖擊波在到達啄木鳥大腦前會受到緩沖的假設。

這個多孔區(qū)域由相互連接的骨棒和骨板構(gòu)成，這些結(jié)構(gòu)在理論上能夠在受到撞擊時被壓縮，從而減輕對大腦的沖擊。然而，盡管這一假設為新型減震材料和頭盔的設計提供了靈感，但此前這一假設并未得到驗證。此外，一些科學家甚至在更早之前就對這一假設提出了強烈質(zhì)疑。20世紀70年代，精神病學家菲利普 · 梅（Philip May）及其同事54a55f104b3ed00dea25c2109660c7d0ef9c19dc2a54ef072aae1e62f6be875c看到了從啄木鳥的解剖適應性中學習以承受反復沖擊的潛力。眼科醫(yī)生伊萬 · 施瓦布（Ivan Schwab）與梅共同獲得了2006年搞笑諾貝爾獎，以表彰他們在這一領(lǐng)域的工作。然而，他們于1976年發(fā)表在《柳葉刀》（Lancet）的論文中，對這種顱部吸收沖擊是不是這些適應性的一部分提出了質(zhì)疑。作者寫道：“如果喙吸收了大部分的沖擊，那么這只不幸的鳥可能不得不加大啄擊的力度?！?/p>

如果一只鳥首先通過頭部加速向前來積累足夠的動能，以便對樹木進行強烈的啄擊，但隨后卻將部分能量損失在“內(nèi)置”頭骨的喙減震器中，這種機制在進化過程中可能是不利的。

證據(jù)

兩年前，我們作為一個國際研究團隊的成員，觀察了三種啄木鳥，以驗證鳥喙與大腦之間是否確實存在減震現(xiàn)象。在觀察過程中，我們記錄了這些鳥類高速啄食的視頻。這些視頻拍攝于歐洲的四個動物園鳥舍，拍攝對象包括黑啄木鳥和大斑啄木鳥。而在加拿大，我們則記錄了實驗室飼養(yǎng)的兩只北美黑啄木鳥的啄食情況。利用連續(xù)的視頻幀追蹤鳥類頭部標記的運動軌跡，進而計算它們撞擊時的峰值減速度，這種方法與汽車碰撞測試中的視頻應用方式非常相似。

這些標記包括喙上的兩個點和眼睛上的一個點，我們假定這些點與腦殼前部同步移動。對于北美黑啄木鳥，我們還在覆蓋腦殼的皮膚上額外涂抹了一個小白點作為標記，如圖2a所示。隨后，我們對比了超過100次啄食事件中，喙上標記點與腦殼標記點之間的平均減速曲線。

我們自始至終發(fā)現(xiàn)，與喙相比，腦殼的減速并沒有減少（如圖2b所示）。因此，在這些部位之間并沒有通過壓縮海綿狀骨骼或其他任何方式來實現(xiàn)緩沖。啄木鳥的頭部更像是一個堅硬的錘子，而非減震器。此外，我們的生物力學模型計算也證實，在給定頭部沖擊速度的情況下，顱骨內(nèi)部潛在的減震能力實際上會降低喙對木材的穿透深度。

盡管這種“內(nèi)置”減震器能稍微減緩大腦的加速度，但這仍然會浪費能量：在同樣減少大腦加速度的情況下，如果鳥兒更輕地撞擊樹木，就可以在木頭上完成同樣的工作。因此，基于這些數(shù)據(jù)，我們很容易得出結(jié)論：在進化出啄木生活方式的鳥類中，觀察到的顱內(nèi)減震最小化是一種合乎邏輯且具有適應性的結(jié)果。

避免受傷

然而，如果不存在頭骨中的減震機制的話，啄木鳥是如何保護它們的大腦免受損傷的呢？我們的數(shù)據(jù)顯示，啄木鳥的大腦要承受高達400 g的減速（g表示重力加速度）。這一數(shù)值遠超人類腦震蕩估計閾值135 g。2006年，麻省理工學院洛娜 · 吉布森（Lornagibson）指出，原因在于啄木鳥和人類大腦之間的質(zhì)量差異。她發(fā)現(xiàn)，啄木鳥之所以能夠抵御高減速，關(guān)鍵在于它們體型較小，這種體型在特定減速下能有效減輕對大腦的壓力。同時，撞擊的持續(xù)時間短暫，這進一步增強了它們對撞擊的耐受度。此外，大腦在顱骨中的精確位置也是其能夠抵御高減速的重要因素。啄木鳥大腦在自身減速時承受的壓力與其減速速度、腦組織的質(zhì)量密度以及大腦長度（或體積/面積）成正比。

這里提到的“大腦長度”是指大腦在撞擊方向上的長度。啄木鳥大腦的長度大約是人類大腦的1/7。因此，啄木鳥發(fā)生與人類相同程度腦震蕩所需的減速閾值是人類閾值的7倍，即約1000 g。這意味著，即使是我們數(shù)據(jù)集中記錄的最大沖擊——大約400 g——實際上也沒有看起來那么暴力。這些鳥類維持著相當?shù)陌踩６?，因此即使它們意外撞到了比木頭更堅硬的物質(zhì)，也不會造成大腦損傷。另一方面，大腦壓力與大腦長度的關(guān)系也能夠解釋，為什么不存在能鉆出比現(xiàn)存物種更深的樹洞的巨型啄木鳥。

即便沒有科學證據(jù)的支持，科學假設也會得到廣泛傳播，并成為廣為接受的觀點，啄木鳥的減震機制就是一個絕佳的范例。這種演變背后，大眾媒體的廣泛報道和人們對頭部撞擊時腦部保護適應性的關(guān)注，可能起到了誤導作用。這兩個因素可能共同促成了啄木鳥如何避免受傷這一神話的流傳。我們期待通過提供生物力學證據(jù)幫助人們改變這種看法。

資料來源 Physics Today

本文作者山姆 · 范 · 沃森伯格（Sam Van Wassenbergh）是動物力學教授；瑪雅 · 米爾克（Maja Mielke）是比利時安特衛(wèi)普大學功能形態(tài)學實驗室博士候選人