啄木鸟每天这样疯狂用头撞树,为啥不会脑震荡?

作者: 小范

来源: 中科院物理所

发布日期: 2024-02-04 13:01:55

啄木鸟每天疯狂用头撞树却不会脑震荡的原因在于其特殊的头部构造和小尺寸效应,这些因素共同作用,使其能够抵抗高强度的反复撞击。科学研究显示,啄木鸟的头部构造和撞击技术是其能够避免脑震荡的关键,而尺寸效应则为其提供了额外的抗冲击能力。

啄木鸟每天这样疯狂用头撞树,为啥不会脑震荡?这个问题一直困扰着人们。首先,我们直观感受下啄木鸟的战斗力,啄出残影来有木有。有的同学可能要说了,树木毕竟是硬度不高,没那么严重吧,你啄个石头试试!哎,还别说,真有啄墙的:鸟型震楼器。甚至曾经发生过住户听见持续不断的敲击声,误以为是邻居在制造噪音,就吵起来了。结果发现是啄木鸟干的好事。

看了啄木鸟这般表现,任谁都可能要为啄木鸟的脑袋担心一番。这个频率和力道,可不得把脑子摇匀了?早在1979年,就有学者对啄木鸟啄树的速度做了定量观测,发现啄击的最高速度可达6-7m/s,喙撞击在树上的那刻要承受1000g的加速度。更恐怖的是,啄木鸟可以以一秒20次的频率完成这样的啄击,平均每天大概要啄12000次。这种高强度的反复撞击,可能将给眼球,视网膜,大脑神经、血管等等地方带来极大的压力。

人们对这个问题的认识也经历了有趣的转变化。但是,至今也不能完整回答这个问题!如果最简单地想,问题的重点大概在啄木鸟的头部构造、啄击技术上,当然,还有鸟类相比人类可能的小尺寸效应上。当人们去仔细研究啄木鸟头部的肌肉骨骼构造后,很快发现了好几个可能有利于抵抗撞击的特质。其中最受人们关注的是喙和头骨之间的海绵状骨骼:啄木鸟骨骼示意图,绿色部分为海绵状骨骼。

该骨骼具有多孔结构,很有可能在啄击的过程中,充当了海绵的作用,很大程度上吸收了冲击!大家为这个发现感到非常高兴,甚至材料学领域也开始支持这一观点并开始评估这种结构在减震复合材料制造中的作用。

但是仔细想想,可能就会发现问题:没错,缓冲措施是能够有效减少大脑的损伤,但是这里海绵状骨骼真的吸收了部分“冲击”,通过喙传导到树上的冲击不也就变少了嘛!

就好像锤子被分成两半,中间用弹簧连起来,那么远离锤击点的那部分铁块的能量就不能很快传导到锤击点,这样将很大程度上减少锤子打出的力量。终于到2022年,有工作仔细地研究了啄木鸟啄击的过程中到底是否有减震措施的存在。研究用高速摄影机拍摄不同品种啄木鸟的100多段啄击视频进行分析,并对特定点位进行追踪,结果令人惊讶:这些点位的加速与减速完全是同步的!

也就是说,中间并不存在一个缓冲区,整个头部构成了一个坚实的整体!

那啄木鸟就没有其他减少大脑所受冲击的结构了吗?当然还是有不少观点说有的,比如被广泛承认的:大脑颅骨紧密说。啄木鸟的大脑和颅骨的结合更加紧密,有更少的脑脊液,使得大脑更不容易与颅骨发生相对运动从而减小伤害。还有很多其他的观点。但是经过以上的教训可以看到,有些观点乍看似合理,但是还是要经过定量的分析和精密的观测来支撑。

尺寸效应从结构那里看起来我们并没有获得一个简洁的答案,是不是有同学迫不及待地想要仔细分析下另一个很容易想起来的因素了:那就是尺寸效应!日常生活中我们也有这样的经验,小的东西,它往往更结实嘛!手机摔一下和电脑摔一下,肯定不是一个性质。生物界也是如此,人摔一下大概率没啥事儿,大象摔一下则有骨折的风险。

啄木鸟较小的头部和大脑尺寸,带来了远超过人类的抗冲击能力;加上特殊的头部构造,进一步协同加强了稳定能力,相应的定量分析蹲一蹲更多的研究;需要注意的是,之前人们预想并广为流传的缓冲机制被强有力的证据表明是有问题的,这与啄击效率是冲突的。科学的发展是曲折的,那些定性符合直觉的论断终究要接受定量的检验,从而让我们更靠近真相。

啄木鸟为啥不会得脑震荡?如此看来,这个问题距离完全弄清楚还远,说不定哪一天某个因素又被推翻了。当然以上分析只针对单次啄击,别忘了,啄木鸟可能一天要这样啄击12000次,如此庞大的数量肯定会导致微小的损伤。目前的研究也倾向于支持脑损伤并不是完全没有,而是一定程度存在。啄木鸟是如何修复大脑相应的微小损伤的呢?又是如何防止喙变形的呢?期待对这些问题的更多研究能为医学、材料等领域带来更多启发。

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