啄木鸟“撞树之谜”被揭开，其头部可作为“硬锤子”来增强啄击性能

你知道吗？啄木鸟在敲打树木时并不会保护自己的大脑。

长期以来，科学家们始终在研究啄木鸟在敲击树木时是如何避免大脑免受伤害的。其中一种假设认为，啄木鸟的头骨可看作减震器，能最大限度地减少撞击时大脑的反作用力。

最近，这个假设被比利时安特卫普大学生物系功能形态学实验室安特卫普大学生物系理学院功能形态学实验室的研究教授终身讲师山姆·范·瓦森伯格（）团队推翻。

该团队使用高速视频分析和生物力学模型，对三个啄木鸟物种啄击期间冲击减速的定量进行分析，最终得出“啄木鸟的头部并不像假设的那样作为减震系统来保护大脑，而是作为坚硬的锤子来增强啄击性能。”

相关论文于 7 月 14 日，以《啄木鸟可最大限度地减少头骨对冲击的吸收》（）为题发表在 Current Biology 上。山姆·范·瓦森伯格（）担任通讯作者兼第一作者。

（来源：Current Biology）

据了解，在啄木鸟上喙和脑壳之间的鼻额关节后方的颅骨额，区长有特别发达的松质骨（如图 1 所示），已被确定为是减震的主要候选者。然而，这个“减震”的假设不仅在自然情况下未经检验，而且还存在争议。

其中，引起争议的原因主要是该假设存在明显悖论，因为头骨若是吸收或消散啄木鸟对树施加的冲击力，会在有损啄击效率的情况下，导致啄木鸟不得不更加用力的啄击树木。自然选择压力可能会促使啄木鸟通过进化来提高啄击性能，那么降低这种性能的特性又是如何也得以进化的呢？

▲图 1｜黑啄木鸟（Dryocopus martius）的颅骨：在颅骨右侧的内侧视图（CT 扫描的 3D 重建）中，以绿色突出显示了颅骨前部区域发达的松质骨区，该区域被假设可用于吸收冲击。（来源：Current Biology）

团队为了搞清楚啄木鸟在啄击期间，喙和大脑之间是否存在减震，通过记录来自三个物种（黑啄木鸟、北美黑啄木鸟、大斑啄木鸟各 2 只）的六个个体的 109 个高速视频，对啄木鸟喙和头部上的多个标记点进行逐帧跟踪，观察喙和头部的减速情况。

该团队发现，当啄木鸟啄树木时，连接喙和眼部标记的区域在所有研究个体中始终表现的非常僵硬，眼睛和喙之间的平均峰值减速也没有明显差异。也就是说，啄木鸟头部停下来的速度并不比喙慢（如视频 1 所示）。

▲视频 1｜啄击期间头部撞击的高速视频慢动作片段：研究人员通过追踪啄木鸟头和喙上的点，来分析喙和大脑之间是否存在减震情况（来源：Current Biology）

另外，团队还通过假设线性回归斜率，来研究喙中部标记点（x 轴）和眼部标记点（y 轴）之间的关系（如图 2 B 所示）。最后证明“喙和大脑之间减震要么可以忽略不计（黑啄木鸟个体 2 的减速减少 3.3%），要么不存在（所有其他个体的斜率>1）。”

▲图2｜喙和脑壳的体内减速：x 对 y 为 1 的假设线性回归斜率类似于喙和脑壳之间刚性界面的行为，而 0 则意味着这两个标记点之间的冲击完全被吸收。（来源：Current Biology）

为了从适应性的角度进一步解释喙和大脑之间，为什么很少或没有观察到冲击吸收（减震），团队还通过生物力学建模以及之前运动学分析中获得的两个变量，来分析不同程度的颅骨冲击吸收对鸟的啄击表现和大脑减速的影响。

最后他们通过模型模拟证实，减少脑壳减速（反作用力）在大脑保护方面没有任何好处。因为在撞击过程中将头部的部分动能吸收到压缩弹性结构中，会显著减少喙向树的渗透（如图 3 B 所示）。

也就是说，大脑的减速（反作用力）减少，会以牺牲穿透深度为代价，此时啄穿同样深度的树木，要么投入更多的时间（意味着更多的能量消耗），要么以增加的速度撞击树木以平衡啄击性能。

▲图3｜假设减震对啄击表现和脑壳减速的影响（来源：Current Biology）

既然啄木鸟头骨不起减震的作用，那么啄木鸟又是如何避免脑震荡的呢？

在论文里这样表示，通过对人与啄木鸟惯性负荷引起的颅内压比较，得出即使是最强壮的啄木鸟在啄击时，大脑所承受的压力也不足人类大脑出现脑震荡所需压力的 60%（如图４B 和 4 C）。此外，啄木鸟可能还拥有预防和修复轻微脑损伤的专门机制。

▲图 4｜人与啄木鸟惯性负荷引起的颅内压比较：成年人在脑震荡阈值减速时（A）和三种啄木鸟物种在其测量的眼睛峰值减速时（B）。（来源：Current Biology）

最后，还在论文里提到：“我们的研究，为人们了解鸟类啄击过程中颅骨硬化背后的机制开辟了新的研究途径。”正如加利福尼亚大学旧金山分校菲尔兹实验室博士后 对媒体所言，这项研究将为人们了解“啄木鸟如何完成它们的工作”提出了新想法。

参考资料：

1.Sam Van Wassenbergh. et al. Woodpeckers minimize cranial absorption of shocks.Current Biology,(July 14,2022).https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(22)00855-7

2.https://www.science.org/content/article/contrary-popular-belief-woodpeckers-don-t-protect-their-brains-when-headbanging-trees