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(dāng)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(shí)，它們通常會(huì)以每小時(shí)20公里的速度用喙撞擊樹木，制造鼓聲時(shí)的頻率甚至可以達(dá)到每秒30次。這樣的突然減速，至少對(duì)于人類的大腦來說，會(huì)超過造成震蕩的閾值。然而，從許多流傳甚廣的故事、博客、動(dòng)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(shí)仍能完好無損。

鳥類愛好者可能會(huì)為此感到欣慰，因?yàn)閺淖矒舻泥共肯蚝髠鞑サ臎_擊波在到達(dá)大腦之前會(huì)得到緩沖。在過去十年里，隨著計(jì)算機(jī)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(jìn)一步證實(shí)了沖擊波在到達(dá)啄木鳥大腦前會(huì)受到緩沖的假設(shè)。

這個(gè)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(shí)被壓縮，從而減輕對(duì)大腦的沖擊。然而，盡管這一假設(shè)為新型減震材料和頭盔的設(shè)計(jì)提供了靈感，但此前這一假設(shè)并未得到驗(yàn)證。此外，一些科學(xué)家甚至在更早之前就對(duì)這一假設(shè)提出了強(qiáng)烈質(zhì)疑。20世紀(jì)70年代，精神病學(xué)家菲利普 · 梅（Philip May）及其同事54a55f104b3ed00dea25c2109660c7d0ef9c19dc2a54ef072aae1e62f6be875c看到了從啄木鳥的解剖適應(yīng)性中學(xué)習(xí)以承受反復(fù)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(jiǎng)，以表彰他們?cè)谶@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(duì)這種顱部吸收沖擊是不是這些適應(yīng)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(dòng)能，以便對(duì)樹木進(jìn)行強(qiáng)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(jī)制在進(jìn)化過程中可能是不利的。

證據(jù)

兩年前，我們作為一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)的成員，觀察了三種啄木鳥，以驗(yàn)證鳥喙與大腦之間是否確實(shí)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(gè)動(dòng)物園鳥舍，拍攝對(duì)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(shí)驗(yàn)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(biāo)記的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而計(jì)算它們撞擊時(shí)的峰值減速度，這種方法與汽車碰撞測(cè)試中的視頻應(yīng)用方式非常相似。

這些標(biāo)記包括喙上的兩個(gè)點(diǎn)和眼睛上的一個(gè)點(diǎn)，我們假定這些點(diǎn)與腦殼前部同步移動(dòng)。對(duì)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(gè)小白點(diǎn)作為標(biāo)記，如圖2a所示。隨后，我們對(duì)比了超過100次啄食事件中，喙上標(biāo)記點(diǎn)與腦殼標(biāo)記點(diǎn)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(shí)現(xiàn)緩沖。啄木鳥的頭部更像是一個(gè)堅(jiān)硬的錘子，而非減震器。此外，我們的生物力學(xué)模型計(jì)算也證實(shí)，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(shí)際上會(huì)降低喙對(duì)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(huì)浪費(fèi)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(jìn)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(yīng)性的結(jié)果。

避免受傷

然而，如果不存在頭骨中的減震機(jī)制的話，啄木鳥是如何保護(hù)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(dá)400 g的減速（g表示重力加速度）。這一數(shù)值遠(yuǎn)超人類腦震蕩估計(jì)閾值135 g。2006年，麻省理工學(xué)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(duì)大腦的壓力。同時(shí)，撞擊的持續(xù)時(shí)間短暫，這進(jìn)一步增強(qiáng)了它們對(duì)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(shí)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(zhǎng)度（或體積/面積）成正比。

這里提到的“大腦長(zhǎng)度”是指大腦在撞擊方向上的長(zhǎng)度。啄木鳥大腦的長(zhǎng)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(shí)際上也沒有看起來那么暴力。這些鳥類維持著相當(dāng)?shù)陌踩６?，因此即使它們意外撞到了比木頭更堅(jiān)硬的物質(zhì)，也不會(huì)造成大腦損傷。另一方面，大腦壓力與大腦長(zhǎng)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(xué)證據(jù)的支持，科學(xué)假設(shè)也會(huì)得到廣泛傳播，并成為廣為接受的觀點(diǎn)，啄木鳥的減震機(jī)制就是一個(gè)絕佳的范例。這種演變背后，大眾媒體的廣泛報(bào)道和人們對(duì)頭部撞擊時(shí)腦部保護(hù)適應(yīng)性的關(guān)注，可能起到了誤導(dǎo)作用。這兩個(gè)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(xué)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(dòng)物力學(xué)教授；瑪雅 · 米爾克（Maja Mielke）是比利時(shí)安特衛(wèi)普大學(xué)功能形態(tài)學(xué)實(shí)驗(yàn)室博士候選人