Bouchání zobákem o kmen stromu by se mohlo zdát jako činnost, která způsobuje bolesti hlavy, čelisti a vážná poranění krku a mozku. Přesto to datel dokáže udělat 20krát za sekundu a neutrpí žádné špatné následky.

Datel se vyskytuje v lesnatých oblastech po celém světě, s výjimkou Austrálie. Tito ptáci mají neobvyklou schopnost používat svůj zobák k zatloukání do kmenů stromů a k vytváření otvorů pro získávání hmyzu a mízy. Ještě působivější je, že to dělají, aniž by se poranili.

Jsme materiáloví vědci, kteří studují biologické látky, jako jsou kosti, kůže, peří a skořápky, které se nacházejí v přírodě. Zajímá nás stavba lebky a jazykových kostí datlů, protože si myslíme, že jejich neobvyklá anatomie by mohla přinést poznatky, které by vědcům pomohly vyvinout lepší ochranné pomůcky na hlavu pro lidi.

Klování u lidí

Datlové při klování snášejí mnoho silných nárazů do hlavy.

Mají silná ocasní pera a drápy, které jim pomáhají udržet rovnováhu, když se jejich hlava pohybuje ke kmeni stromu rychlostí 7 metrů za sekundu. Když pak udeří zobákem, jejich hlava se zpomalí rychlostí asi 1200krát větší než gravitační síla (g).

To vše se děje, aniž by datel utrpěl otřes mozku nebo poškození mozku.

Otřes mozku je forma traumatického poškození mozku způsobená opakovanými údery do hlavy. Je to běžný jev a dochází k němu často při kontaktních sportech, jako je fotbal nebo hokej.

Pak opakované traumatické poškození mozku nakonec způsobí progresivní poruchu mozku, chronickou traumatickou encefalopatii (CTE), která je nevratná a má za následek příznaky, jako je ztráta paměti, deprese, impulzivita, agresivita a sebevražedné chování.

Národní fotbalová liga uvádí, že k otřesům mozku u fotbalistů dochází již při hmotnosti 80 g. Jak tedy datel přežije opakované nárazy o hmotnosti 1 200 g, aniž by si poškodil mozek?

Pátrali jsme po klíčových tajemstvích schopnosti datla snášet vysoké nárazy při zatloukání. Studovali jsme mikrostruktury kostí a poté jsme provedli biomechanickou analýzu hlavy.

Neobvyklé struktury lebečních kostí a kostí jazyka

Srovnáním lebek datlů a kuřat jsme zjistili, že datlové mají adaptace tlumící nárazy, které ostatní ptáci nemají. Patří sem specializované lebeční kosti, krční svaly, zobák a kosti jazyka.

Lebeční kosti mají odlišné chemické složení a hustotu. Jedna strukturální adaptace je například dosažena zvýšeným nahromaděním minerálů v kostech, aby byly ve srovnání s ostatními ptáky tužší a pevnější.

Překvapivě je lebeční kost velmi tenká a je v ní méně tekutiny, která odděluje mozek od lebeční kosti, než u jiných ptáků a zvířat. To by naznačovalo, že lebka je uzpůsobena tak, aby byla tvrdší a zároveň houževnatější.

Typicky v reálné materiálové vědě existuje obecný kompromis mezi tvrdostí a houževnatostí. Mít na hlavě tvrdé i houževnaté materiály však snižuje množství nárazu přenášeného na mozek.

Druhou odlišností je, že datlové mají kolem mozku méně vnitřní tekutiny než ostatní velká zvířata. To pomáhá omezit pohyb mozku při klování. Menší množství tekutiny má obdobný účinek jako žloutek natvrdo uvařeného vejce, který se otřesem nepoškodí, ve srovnání se žloutkem syrového, nevařeného vejce.

Datel má také v jazyku zasazenou kost, která mu pomáhá získávat hmyz ze stromů. Neobvyklý jazyk se ovíjí kolem zadní části lebky a kotví vpředu mezi očima. Toto uspořádání umožňuje jazyku a jeho kosti fungovat jako pružina, která tlumí fyzikální sílu a s ní spojené vibrace.

Různé typy kostí

Tuhost a pevnost typické kosterní kosti je dána hustým obalem z kompaktní kosti, který obaluje porézní, houbovitou kost. Jazyková kost datla má však opačnou strukturu: pružný plášť a tvrdší kostní jádro. Toto uspořádání zevnitř ven poskytuje lepší pružnost a může absorbovat vyšší nárazy a vibrace.

Naše práce naznačuje, že neobvyklá lebeční kost a jazyková kost datla jsou příkladem struktur odolných proti nárazům, které jsou nezbytné pro ochranu mozku datla při klovacím chování.

V současné době biologové a neurologové aktivně pracují na studiu mozku datla, aby zjistili, zda existují nějaké patologické důkazy o poranění mozku – jako je CTE u lidí.

Doufáme, že tento výzkum odhalí, zda na úrovni tkání nebo buněk v mozku datla působí další ochranné nebo léčebné mechanismy, které, jak doufáme, odhalí, jak chránit a léčit zranění lidského mozku.

Profesorka Joanna McKittricková, průkopnická inženýrka na Kalifornské univerzitě v San Diegu a uznávaná odbornice v oblasti materiálových věd, zemřela 15. listopadu 2019, krátce po dokončení této práce. Bylo jí 65 let. Byla vášnivou obhájkyní žen a nedostatečně zastoupených studentů v oboru STEM a přemýšlivou mentorkou.

Joanna McKittricková, profesorka strojního a leteckého inženýrství na Kalifornské univerzitě v San Diegu, a Jae-Young Jung, postdoktorand ortopedické chirurgie na Kalifornské univerzitě v San Francisku.

Tento článek byl přetištěn z The Conversation pod licencí Creative Commons. Přečtěte si původní článek.