木の幹にくちばしをぶつけるのは、頭痛やあごの痛み、首や脳の深刻な損傷を引き起こす行為のように思われます。

キツツキは、オーストラリアを除く世界中の森林地帯に生息している。 この鳥は、くちばしで木の幹に穴を開け、昆虫や樹液を取り出すという珍しい能力を持っています。

私たちは、自然界に存在する骨や皮、羽、貝殻などの生体物質を研究する材料科学者です。 キツツキの頭蓋骨と舌骨の構造に興味を持っています。彼らの珍しい解剖学的構造から、研究者が人間のためのよりよい頭部を保護する道具を開発するのに役立つ洞察が得られると考えたからです。

人間における衝撃

キツツキは、つつくときに頭部への多くの強い衝撃に耐えます。

彼らは強い尾羽と爪を持っているので、頭が木の幹に向かって1秒で7m（23フィート）移動してもバランスを保つことができます。

このすべては、キツツキが脳震盪や脳の損傷を受けることなく行われます。

繰り返される外傷性脳損傷は、最終的に進行性の脳障害、慢性外傷性脳症（CTE）を引き起こし、記憶喪失、うつ病、衝動性、攻撃性、自殺行為などの症状が不可逆的に生じます。

ナショナルフットボールリーグは、サッカー選手の脳震盪は80gで起こると言っています。では、キツツキはどのようにして、脳に害を与えずに1200gの衝撃を繰り返しても耐えられるのでしょうか。

私たちは、キツツキが打ち込み時の強い衝撃に耐えられるようになるための重要な秘密を探りました。 骨の微細構造を研究し、さらに頭部のバイオメカニクス解析を行いました。

珍しい頭蓋骨と舌骨の構造

キツツキとニワトリの頭蓋骨を比較し、キツツキには他の鳥にはない衝撃吸収の適応があることを発見しました。 これには、特殊な頭蓋骨、首の筋肉、くちばし、舌骨などが含まれます。

頭蓋骨は、化学組成と密度が異なります。 たとえば、ある構造的適応は、他の鳥類と比較して、骨中のミネラルの蓄積を増やして、より硬く強くすることによって達成されている。

驚くべきことに、頭蓋骨の骨は非常に薄く、脳と頭蓋骨の骨を隔てる液体は他の鳥や動物よりも少ない。 それは、頭蓋骨がより硬く、同時により靭性になるように適応していることを示唆しているだろう。

一般的に、現実の材料科学では、硬度と靭性の間に一般的なトレードオフがある。 しかし、頭部に硬い材料と靭性の高い材料の両方を使用すると、脳に伝わる衝撃の量が少なくなります。

2つ目の違いは、キツツキは他の大型動物よりも脳を取り巻く内部液が少ないということです。 これは、つつきの際の脳の動きを制限するのに役立つ。 体液の量が減ることで、固ゆで卵の黄身が揺すっても傷まないのと同じような効果があり、生焼けの卵の黄身と比べると、その効果は大きい。

また、キツツキは舌に骨が埋め込まれており、木から虫を取り出すのに役立っている。 この珍しい舌は、頭蓋骨の後部に巻きつき、目の間の前部に固定される。

異なるタイプの骨

典型的な骨格の硬さと強さは、多孔質でスポンジ状の骨を包む、コンパクトな骨の密なシースによるものである。 しかし、キツツキの舌骨は、柔軟な鞘と硬い芯の骨という逆の構造をしています。 このインサイドアウトの構成は、より優れた柔軟性を提供し、より高い衝撃や振動を吸収することができます。

私たちの研究は、キツツキの珍しい頭蓋骨と舌骨が、つつき行動中にキツツキの脳を保護するために不可欠な耐衝撃構造の一例であることを示しています。

現在、生物学者と神経科学者が、人間のCTEなどの脳損傷の病理的証拠があるかどうかを調べるためにキツツキ類の脳の研究を活発に進めています。

この研究によって、キツツキの脳の組織や細胞のレベルで、他の保護や治癒のメカニズムが働いているかどうかが明らかになり、それによって、人間の脳損傷を保護し治癒する方法が明らかになると期待しています」

カリフォルニア大学サンディエゴ校の先駆的エンジニアで材料科学の有名な専門家であるジョアナ・マキットトリック教授が、この作品を完成させて間もなく、2019年11月15日に他界されました。 65歳であった。 彼女はSTEM分野の女性や劣等生の熱心な擁護者であり、思慮深い指導者でもありました。

ジョアンナ・マッキトリック（カリフォルニア大学サンディエゴ校機械・航空宇宙工学科教授）、チョン・ジェヨン（カリフォルニア大学サンフランシスコ校整形外科学博士研究員）。

この記事は、クリエイティブ・コモンズ・ライセンスのもと、The Conversationから転載しています。 元記事を読む