A csőrrel a fa törzséhez csapódni olyan tevékenységnek tűnik, amely fejfájást, állkapocsfájást és súlyos nyak- és agysérüléseket okoz. A harkályok azonban másodpercenként 20-szor is képesek erre, és nem szenvednek semmilyen károsodást.

A harkályok világszerte megtalálhatóak az erdős területeken, kivéve Ausztráliát. Ezek a madarak rendelkeznek azzal a szokatlan képességgel, hogy csőrükkel a fák törzsébe kalapálnak, hogy lyukakat üssenek a rovarok és a nedv kiszívásához. Ami még lenyűgözőbb, hogy mindezt anélkül teszik, hogy megsérülnének.

Az anyagtudósok olyan biológiai anyagokat tanulmányoznak, mint a természetben található csontok, bőrök, tollak és kagylók. Érdekel bennünket a harkályok koponyájának és nyelvcsontjának szerkezete, mert úgy gondoljuk, hogy szokatlan anatómiájuk olyan felismeréseket nyújthat, amelyek segíthetnek a kutatóknak jobb fejvédő felszerelések kifejlesztésében az emberek számára.

Az embereknél előforduló ütések

A harkályok sok nagy ütést szenvednek el a fejükön, miközben csipkednek.

Erős faroktollaik és karmaik vannak, amelyek segítenek nekik megtartani az egyensúlyukat, miközben a fejük másodpercenként 7 méteres sebességgel mozog a fa törzse felé. Aztán, amikor a csőrük lecsap, a fejük a gravitációs erő (g) mintegy 1200-szorosával lassul le.

Mindez anélkül történik, hogy a harkály agyrázkódást vagy agykárosodást szenvedne.

Az agyrázkódás a traumás agysérülés egy formája, amelyet a fejet érő ismételt ütések okoznak. Gyakori jelenség, és gyakran fordul elő kontakt sportok, például futball vagy hoki során.

Az ismétlődő traumás agysérülés végül progresszív agyi rendellenességet, krónikus traumás enkefalopátiát (CTE) okoz, amely visszafordíthatatlan, és olyan tünetekkel jár, mint a memóriavesztés, depresszió, impulzivitás, agresszivitás és öngyilkos viselkedés.

A Nemzeti Futball Liga szerint a futballisták agyrázkódása 80 g-nál következik be. Hogyan élik túl tehát a harkályok az ismételt 1200 g-s ütéseket anélkül, hogy károsodna az agyuk?

A kalapálás során megkerestük a harkályok azon képességének kulcstitkát, hogy elviselik a nagy ütéseket. Megvizsgáltuk a csontok mikroszerkezetét, majd biomechanikai elemzést végeztünk a fejen.

Szokatlan koponyacsont és nyelvcsont szerkezetek

A harkályok és a csirkék koponyájának összehasonlításával felfedeztük, hogy a harkályok olyan ütéselnyelő alkalmazkodással rendelkeznek, amellyel más madarak nem rendelkeznek. Ezek közé tartoznak a speciális koponyacsontok, nyakizmok, csőr és nyelvcsontok.

A koponyacsontok kémiai összetétele és sűrűsége eltérő. Az egyik szerkezeti alkalmazkodás például az ásványi anyagok csontokban való felhalmozódásának növelésével érhető el, hogy a csontok merevebbek és erősebbek legyenek más madarakhoz képest.

A koponyacsont meglepő módon nagyon vékony, és kevesebb folyadék választja el az agyat a koponyacsonttól, mint más madaraknál és állatoknál. Ez arra utal, hogy a koponya úgy alkalmazkodott, hogy egyszerre legyen keményebb és szívósabb.

A valós világ anyagtudományában jellemzően a keménység és a szívósság között általános kompromisszum van. Ha azonban a fejen egyszerre van kemény és szívós anyag, az csökkenti az agyra átterjedő ütés mértékét.

A másik különbség az, hogy a harkályoknál kevesebb belső folyadék veszi körül az agyat, mint más nagytestű állatoknál. Ez segít korlátozni az agy mozgását a csipkedés során. A kevesebb folyadéknak olyan hatása van, mint a keményre főtt tojás sárgájának, amely nem sérül meg a rázástól, szemben a nyers, nyers tojás sárgájával.

A harkályoknak van egy nyelvükbe ágyazott csontjuk is, amely segít a rovarok kiszedésében a fákról. A szokatlan nyelv körbetekeredik a koponya hátsó részén, és elöl, a szemek között rögzül. Ez az elrendezés lehetővé teszi, hogy a nyelv és a hozzá tartozó csont rugóként működjön, tompítva a fizikai erőt és a hozzá kapcsolódó rezgéseket.

A csontok különböző típusai

A tipikus csontvázcsont merevsége és szilárdsága egy tömör csontból álló sűrű burkolatnak köszönhető, amely egy porózus, szivacsos csontot burkol be. A harkály nyelvcsontja azonban éppen ellentétes szerkezetű: egy rugalmas hüvely és egy keményebb magcsont. Ez a belülről kifelé irányuló konfiguráció jobb rugalmasságot biztosít, és képes elnyelni a nagyobb ütéseket és rezgéseket.

Munkánk arra utal, hogy a harkály szokatlan koponya- és nyelvcsontjai az ütésálló struktúrák példája, amelyek elengedhetetlenek a harkály agyának védelméhez a csipkedési viselkedés során.

A biológusok és az idegtudósok jelenleg aktívan dolgoznak a harkály agyának vizsgálatán, hogy kiderítsék, vannak-e kóros bizonyítékai az agysérüléseknek – mint az embernél a CTE -.

Ez a kutatás reményeink szerint feltárja, hogy a harkályok agyában a szövetek vagy sejtek szintjén más védő vagy gyógyító mechanizmusok is működnek-e, amelyek reményeink szerint elárulják majd, hogyan lehet megvédeni és gyógyítani az emberi agysérüléseket.

Joanna McKittrick professzor, a Kaliforniai San Diegó-i Egyetem úttörő mérnöke és az anyagtudomány elismert szakértője 2019. november 15-én hunyt el, nem sokkal e munka befejezése után. A nő 65 éves volt. Szenvedélyes szószólója volt a nőknek és a STEM területén alulreprezentált diákoknak, valamint figyelmes mentor.

Joanna McKittrick, a San Diegói Kaliforniai Egyetem gépész- és űrmérnöki professzora és Jae-Young Jung, a San Franciscó-i Kaliforniai Egyetem ortopédiai sebészetének posztdoktori ösztöndíjasa.

Ez a cikk a The Conversation című folyóiratban jelent meg a Creative Commons licenc alapján. Olvassa el az eredeti cikket.