Mit dem Schnabel gegen den Stamm eines Baumes zu schlagen, scheint eine Tätigkeit zu sein, die Kopf- und Kieferschmerzen sowie schwere Nacken- und Hirnverletzungen verursachen würde. Doch Spechte können dies 20 Mal pro Sekunde tun, ohne dass es zu gesundheitlichen Beeinträchtigungen kommt.

Spechte sind weltweit in bewaldeten Gebieten zu finden, außer in Australien. Diese Vögel haben die ungewöhnliche Fähigkeit, mit ihren Schnäbeln Löcher in die Stämme der Bäume zu hämmern, um Insekten und Saft zu entnehmen. Noch beeindruckender ist, dass sie dies tun, ohne sich selbst zu verletzen.

Wir sind Materialwissenschaftler, die biologische Substanzen wie Knochen, Häute, Federn und Muscheln aus der Natur untersuchen. Wir interessieren uns für die Schädel- und Zungenknochenstruktur von Spechten, weil wir glauben, dass ihre ungewöhnliche Anatomie Erkenntnisse liefern könnte, die den Forschern helfen könnten, bessere Kopfbedeckungen für den Menschen zu entwickeln.

Stöße beim Menschen

Spechte erleiden beim Picken viele starke Stöße auf den Kopf.

Sie haben starke Schwanzfedern und Krallen, die ihnen helfen, das Gleichgewicht zu halten, während sich ihr Kopf mit 7 Metern pro Sekunde auf den Baumstamm zubewegt. Wenn dann der Schnabel zuschlägt, wird der Kopf mit dem 1.200-fachen der Schwerkraft (g) abgebremst.

All dies geschieht, ohne dass der Specht eine Gehirnerschütterung oder einen Hirnschaden erleidet.

Eine Gehirnerschütterung ist eine Form der traumatischen Hirnverletzung, die durch wiederholte Schläge auf den Kopf verursacht wird. Sie ist weit verbreitet und tritt häufig bei Kontaktsportarten wie Fußball oder Hockey auf.

Wiederholte traumatische Hirnverletzungen führen schließlich zu einer fortschreitenden Hirnstörung, der chronischen traumatischen Enzephalopathie (CTE), die irreversibel ist und zu Symptomen wie Gedächtnisverlust, Depression, Impulsivität, Aggressivität und Selbstmordgedanken führt.

Die National Football League gibt an, dass Gehirnerschütterungen bei Footballspielern schon bei 80 g auftreten. Wie überleben also Spechte wiederholte Stöße von 1.200 g, ohne dass ihr Gehirn Schaden nimmt?

Wir haben nach den entscheidenden Geheimnissen der Fähigkeit des Spechts gesucht, die hohen Stöße beim Hämmern zu tolerieren. Wir haben die Mikrostrukturen der Knochen untersucht und dann eine biomechanische Analyse des Kopfes durchgeführt.

Ungewöhnliche Schädelknochen- und Zungenknochenstrukturen

Durch den Vergleich der Schädel von Spechten und Hühnern entdeckten wir, dass Spechte stoßdämpfende Anpassungen haben, die andere Vögel nicht haben. Dazu gehören spezielle Schädelknochen, Nackenmuskeln, Schnäbel und Zungenknochen.

Die Schädelknochen haben eine andere chemische Zusammensetzung und Dichte. Eine strukturelle Anpassung wird beispielsweise durch eine erhöhte Anhäufung von Mineralien in den Knochen erreicht, die sie im Vergleich zu anderen Vögeln steifer und stärker machen.

Überraschenderweise ist der Schädelknochen sehr dünn und es gibt weniger Flüssigkeit, die das Gehirn vom Schädelknochen trennt als bei anderen Vögeln und Tieren. Das deutet darauf hin, dass der Schädel so angepasst ist, dass er gleichzeitig härter und zäher ist.

Typischerweise gibt es in der realen Welt der Werkstoffkunde einen allgemeinen Kompromiss zwischen Härte und Zähigkeit. Wenn jedoch sowohl harte als auch zähe Materialien am Kopf vorhanden sind, wird weniger Aufprall auf das Gehirn übertragen.

Ein zweiter Unterschied besteht darin, dass Spechte weniger innere Flüssigkeit um das Gehirn haben als andere große Tiere. Dies trägt dazu bei, die Bewegung des Gehirns während des Hackens zu begrenzen. Die geringere Flüssigkeitsmenge hat einen ähnlichen Effekt wie der Dotter eines hartgekochten Eies, der durch Schütteln nicht beschädigt wird, im Gegensatz zum Dotter eines rohen, ungekochten Eies.

Spechte haben auch einen Knochen in ihrer Zunge, der ihnen hilft, Insekten aus den Bäumen zu holen. Die ungewöhnliche Zunge wickelt sich um den hinteren Teil des Schädels und verankert sich vorne zwischen den Augen. Durch diese Anordnung wirken die Zunge und der zugehörige Knochen wie eine Feder, die die physische Kraft und die damit verbundenen Vibrationen dämpft.

Unterschiedliche Knochentypen

Die Steifheit und Festigkeit eines typischen Skelettknochens ist auf eine dichte Hülle aus kompaktem Knochen zurückzuführen, die einen porösen, schwammigen Knochen umschließt. Der Zungenknochen des Spechtes hat jedoch die entgegengesetzte Struktur: eine flexible Hülle und einen härteren Kernknochen. Diese Inside-Out-Konfiguration bietet eine bessere Flexibilität und kann stärkere Stöße und Vibrationen absorbieren.

Unsere Arbeit legt nahe, dass die ungewöhnlichen Schädel- und Zungenknochen des Spechts ein Beispiel für stoßfeste Strukturen sind, die für den Schutz des Spechtgehirns beim Picken unerlässlich sind.

Zurzeit arbeiten Biologen und Neurowissenschaftler aktiv an der Untersuchung des Spechtgehirns, um festzustellen, ob es pathologische Anzeichen für Hirnverletzungen gibt – ähnlich wie CTE beim Menschen.

Wir hoffen, dass diese Forschung zeigt, ob es andere Schutz- oder Heilungsmechanismen auf der Ebene von Geweben oder Zellen im Spechthirn gibt, die, so hoffen wir, Aufschluss darüber geben, wie menschliche Hirnverletzungen geschützt und geheilt werden können.

Professorin Joanna McKittrick, eine bahnbrechende Ingenieurin an der University of California San Diego und eine renommierte Expertin für Materialwissenschaften, verstarb am 15. November 2019, kurz nach Fertigstellung dieser Arbeit. Sie wurde 65 Jahre alt. Sie war eine leidenschaftliche Verfechterin von Frauen und unterrepräsentierten Studierenden in der MINT-Forschung und eine aufmerksame Mentorin.

Joanna McKittrick, Professorin für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, University of California San Diego und Jae-Young Jung, Postdoktorand für orthopädische Chirurgie, University of California, San Francisco.

Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative-Commons-Lizenz neu veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.