Att slå näbben mot en trädstam kan tyckas vara en aktivitet som skulle orsaka huvudvärk, ont i käkarna och allvarliga nack- och hjärnskador. Ändå kan hackspettar göra detta 20 gånger per sekund utan att drabbas av några negativa effekter.

Hockspettar finns i skogsområden över hela världen, utom i Australien. Dessa fåglar har den ovanliga förmågan att använda sina näbbar för att hamra in i trädstammarna för att göra hål för att få ut insekter och saft. Ännu mer imponerande är att de gör detta utan att skada sig själva.

Vi är materialforskare som studerar biologiska ämnen som ben, skinn, fjädrar och skal som finns i naturen. Vi är intresserade av skalle- och tungbensstrukturen hos hackspettar, eftersom vi tror att deras ovanliga anatomi kan ge insikter som kan hjälpa forskare att utveckla bättre skyddande huvudbonader för människor.

Konsekvenser hos människor

Hockspettar utsätts för många höga stötar mot huvudet när de hackar.

De har starka stjärtfjädrar och klor som hjälper dem att hålla balansen när huvudet rör sig mot trädstammen med en hastighet av 7 meter (23 fot) per sekund. När näbben sedan slår till saktar huvudet ner med cirka 1 200 gånger tyngdkraften (g).

Alt detta sker utan att hackspetten får hjärnskakningar eller hjärnskador.

En hjärnskakning är en form av traumatisk hjärnskada som orsakas av upprepade slag mot huvudet. Det är en vanlig händelse och sker ofta under kontaktsporter som fotboll eller hockey.

Upprepade traumatiska hjärnskador orsakar så småningom en progressiv hjärnskada, kronisk traumatisk encefalopati (CTE), som är oåterkallelig och resulterar i symtom som minnesförlust, depression, impulsivitet, aggressivitet och självmordsbeteende.

National Football League säger att hjärnskakningar hos fotbollsspelare inträffar vid 80 g. Så hur överlever hackspettar upprepade stötar på 1 200 g utan att skada hjärnan?

Vi har letat efter de viktigaste hemligheterna bakom hackspettens förmåga att tolerera de höga stötarna under hammarslaget. Vi studerade benens mikrostrukturer och gjorde sedan en biomekanisk analys av huvudet.

Ovanliga strukturer av skallben och tungben

Genom att jämföra skallarna hos hackspettar och höns upptäckte vi att hackspettar har stötdämpande anpassningar som andra fåglar inte har. Detta inkluderar specialiserade skallben, halsmuskler, näbbar och tungben.

Skallbenen har en annan kemisk sammansättning och densitet. En strukturell anpassning uppnås till exempel genom att öka ansamlingen av mineraler i benen för att göra dem styvare och starkare jämfört med andra fåglar.

Overraskande nog är skallbenet mycket tunt och det finns mindre vätska som separerar hjärnan från skallbenet än hos andra fåglar och djur. Det tyder på att kraniet är anpassat för att vara hårdare och segare på samma gång.

Typiskt i den verkliga materialvetenskapen finns det en allmän avvägning mellan hårdhet och seghet. Att ha både hårda och sega material på huvudet minskar dock den mängd slag som överförs till hjärnan.

En andra skillnad är att hackspettar har mindre inre vätska som omger hjärnan än andra stora djur. Detta bidrar till att begränsa hjärnans rörelse under hackandet. Den minskade mängden vätska har en effekt som är analog med gulan i ett hårdkokt ägg, som inte skadas av skakningar, jämfört med gulan i ett rått, okokat ägg.

Träspettar har också ett ben inbäddat i tungan som hjälper till att plocka upp insekter från träden. Den ovanliga tungan lindar sig runt baksidan av skallen och förankras framtill mellan ögonen. Denna konfiguration gör att tungan och dess ben fungerar som en fjäder och dämpar den fysiska kraften och tillhörande vibrationer.

Olika typer av ben

Stativheten och styrkan hos ett typiskt skelettben beror på ett tätt hölje av kompakt ben som kapslar in ett poröst, svampigt ben. Men hackspettens tungben har den motsatta strukturen: ett flexibelt hölje och ett hårdare kärnben. Denna inifrån och ut-konfiguration ger bättre flexibilitet och kan absorbera högre slag och vibrationer.

Vårt arbete tyder på att hackspettens ovanliga skalle- och tungben är ett exempel på slagtåliga strukturer som är viktiga för att skydda hackspettens hjärna under hackbeteendet.

För närvarande arbetar biologer och neurovetare aktivt med att studera hackspettens hjärna för att se om det finns några patologiska bevis på hjärnskador – som CTE hos människor.

Vi hoppas att denna forskning avslöjar om det finns andra skydds- eller läkningsmekanismer som spelar in på vävnads- eller cellnivå i hackspettars hjärnor, vilket förhoppningsvis kommer att avslöja hur man kan skydda och läka hjärnskador hos människor.

Professor Joanna McKittrick, en banbrytande ingenjör vid University of California San Diego och en välkänd expert på materialvetenskap, avled den 15 november 2019, strax efter att ha slutfört detta arbete. Hon blev 65 år gammal. Hon var en passionerad förespråkare för kvinnor och underrepresenterade studenter inom STEM och en omtänksam mentor.

Joanna McKittrick, professor i maskinteknik och flygteknik, University of California San Diego och Jae-Young Jung, postdoktoral forskare i ortopedisk kirurgi, University of California, San Francisco.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs den ursprungliga artikeln.