Sbattere il becco contro il tronco di un albero sembrerebbe un’attività che causerebbe mal di testa, dolori alla mascella e gravi lesioni al collo e al cervello. Eppure i picchi possono farlo 20 volte al secondo senza subire effetti negativi.

I picchi si trovano nelle aree boschive di tutto il mondo, tranne che in Australia. Questi uccelli hanno l’abilità insolita di usare il loro becco per martellare i tronchi degli alberi e fare dei buchi per estrarre insetti e linfa. Ancora più impressionante è che lo fanno senza farsi male.

Siamo scienziati dei materiali che studiano sostanze biologiche come ossa, pelli, piume e conchiglie che si trovano in natura. Siamo interessati alla struttura ossea del cranio e della lingua dei picchi, perché pensiamo che la loro insolita anatomia potrebbe produrre intuizioni che potrebbero aiutare i ricercatori a sviluppare migliori protezioni per la testa degli esseri umani.

Concussioni nelle persone

I picchi sopportano molti urti ad alto impatto sulla loro testa mentre beccano.

Hanno forti penne della coda e artigli che li aiutano a mantenere l’equilibrio mentre la loro testa si muove verso il tronco dell’albero a 7 metri (23 piedi) al secondo. Poi, quando il loro becco colpisce, la loro testa rallenta a circa 1.200 volte la forza di gravità (g).

Tutto questo avviene senza che il picchio subisca commozioni o danni cerebrali.

Una commozione è una forma di lesione cerebrale traumatica causata da ripetuti colpi alla testa. È un evento comune e accade frequentemente durante gli sport di contatto come il calcio o l’hockey.

Le ripetute lesioni cerebrali traumatiche alla fine causano un disturbo cerebrale progressivo, l’encefalopatia traumatica cronica (CTE), che è irreversibile e provoca sintomi come perdita di memoria, depressione, impulsività, aggressività e comportamento suicida.

La National Football League dice che le commozioni cerebrali nei giocatori di calcio si verificano a 80 g. Quindi come fanno i picchi a sopravvivere a ripetuti impatti di 1.200 g senza danneggiare il loro cervello?

Abbiamo cercato i segreti chiave della capacità del picchio di tollerare l’alto impatto durante il martellamento. Abbiamo studiato le microstrutture delle ossa e poi fatto un’analisi biomeccanica sulla testa.

Strutture insolite delle ossa del cranio e della lingua

Confrontando i crani dei picchi e dei polli, abbiamo scoperto che i picchi hanno adattamenti per assorbire l’impatto che altri uccelli non hanno. Questo include ossa del cranio specializzate, muscoli del collo, becchi e ossa della lingua.

Le ossa del cranio hanno una diversa composizione chimica e densità. Per esempio, un adattamento strutturale si ottiene aumentando l’accumulo di minerali nelle ossa per renderle più rigide e più forti rispetto ad altri uccelli.

Sorprendentemente, l’osso del cranio è molto sottile e c’è meno liquido che separa il cervello dall’osso del cranio rispetto ad altri uccelli e animali. Questo suggerirebbe che il cranio è adattato per essere più duro e resistente allo stesso tempo.

In genere, nella scienza dei materiali del mondo reale, c’è un compromesso generale tra durezza e resistenza. Tuttavia, avere materiali sia duri che resistenti sulla testa riduce la quantità di impatto trasferito al cervello.

Una seconda differenza è che i picchi hanno meno fluido interno che circonda il cervello rispetto ad altri grandi animali. Questo aiuta a limitare il movimento del cervello durante la beccata. La ridotta quantità di fluido ha un effetto analogo a quello del tuorlo di un uovo sodo, che non si danneggia scuotendolo, rispetto al tuorlo di un uovo crudo, non cotto.

I picchi hanno anche un osso incorporato nella loro lingua che aiuta ad estrarre gli insetti dagli alberi. L’insolita lingua si avvolge intorno alla parte posteriore del cranio e si ancora nella parte anteriore tra gli occhi. Questa configurazione permette alla lingua e al suo osso di agire come una molla, smorzando la forza fisica e le relative vibrazioni.

Diversi tipi di ossa

La rigidità e la forza di un tipico osso scheletrico è dovuta a una densa guaina di osso compatto che incapsula un osso poroso e spugnoso. Ma l’osso della lingua del picchio ha la struttura opposta: una guaina flessibile e un nucleo osseo più duro. Questa configurazione “dentro-fuori” fornisce una migliore flessibilità e può assorbire impatti e vibrazioni maggiori.

Il nostro lavoro suggerisce che l’insolito cranio del picchio e le ossa della lingua sono un esempio di strutture resistenti agli impatti essenziali per proteggere il cervello del picchio durante il comportamento di beccata.

Al momento, biologi e neuroscienziati stanno lavorando attivamente per studiare il cervello del picchio per vedere se c’è qualche prova patologica di lesioni al cervello – come il CTE negli umani.

Speriamo che questa ricerca riveli se ci sono altri meccanismi protettivi o di guarigione in gioco a livello di tessuti o cellule nel cervello del picchio che, speriamo, riveleranno come proteggere e guarire le lesioni cerebrali umane.

La professoressa Joanna McKittrick, un ingegnere pioniere dell’Università della California San Diego e un rinomato esperto di scienza dei materiali, è scomparsa il 15 novembre 2019, poco dopo aver completato questo pezzo. Aveva 65 anni. Era un’appassionata sostenitrice delle donne e degli studenti sottorappresentati nelle STEM e un mentore premuroso.

Joanna McKittrick, professore di ingegneria meccanica e aerospaziale, Università della California San Diego e Jae-Young Jung, studioso post-dottorato di chirurgia ortopedica, Università della California, San Francisco.

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi l’articolo originale.