Slaan met de snavel tegen de stam van een boom lijkt een activiteit die hoofdpijn, kaakpijn en ernstig nek- en hersenletsel zou veroorzaken. Toch kunnen spechten dit 20 keer per seconde doen en ondervinden geen nadelige gevolgen.

Houten spechten komen wereldwijd voor in beboste gebieden, behalve in Australië. Deze vogels hebben het ongebruikelijke vermogen om met hun snavel in de stammen van bomen te slaan om gaten te maken om insecten en sap uit te halen. Nog indrukwekkender is dat ze dit doen zonder zichzelf te verwonden.

Wij zijn materiaalkundigen die biologische stoffen bestuderen zoals botten, huiden, veren en schelpen die in de natuur worden gevonden. Wij zijn geïnteresseerd in de schedel- en tongbeenstructuur van spechten, omdat we denken dat hun ongewone anatomie inzichten kan opleveren die onderzoekers kunnen helpen betere beschermende hoofddeksels voor mensen te ontwikkelen.

Concussies bij mensen

Houten spechten krijgen tijdens het pikken veel harde klappen op hun hoofd.

Ze hebben sterke staartveren en klauwen die hen helpen hun evenwicht te bewaren als hun kop met 7 meter per seconde naar de boomstam toe beweegt. Dan, wanneer hun snavel slaat, vertraagt hun kop met ongeveer 1.200 keer de kracht van de zwaartekracht (g).

Dit alles gebeurt zonder dat de specht een hersenschudding of hersenbeschadiging oploopt.

Een hersenschudding is een vorm van traumatisch hersenletsel veroorzaakt door herhaalde klappen op het hoofd. Het komt veel voor en gebeurt vaak bij contactsporten zoals voetbal of hockey.

Herhaald traumatisch hersenletsel veroorzaakt uiteindelijk een progressieve hersenaandoening, chronische traumatische encefalopathie (CTE), die onomkeerbaar is en resulteert in symptomen zoals geheugenverlies, depressie, impulsiviteit, agressiviteit en suïcidaal gedrag.

De National Football League zegt dat hersenschuddingen bij voetballers optreden bij 80 g. Dus hoe overleven spechten herhaalde impacts van 1.200 g zonder hun hersenen te beschadigen?

We hebben gezocht naar de sleutelgeheimen van het vermogen van de specht om de hoge impact tijdens het hameren te verdragen. We bestudeerden de microstructuren van botten en deden vervolgens een biomechanische analyse van de kop.

Ongewone schedelbot- en tongbotstructuren

Door de schedels van spechten en kippen met elkaar te vergelijken, ontdekten we dat spechten botabsorberende aanpassingen hebben die andere vogels niet hebben. Dit omvat gespecialiseerde schedelbeenderen, nekspieren, snavels en tongbeenderen.

De schedelbeenderen hebben een verschillende chemische samenstelling en dichtheid. Eén structurele aanpassing wordt bijvoorbeeld bereikt door de ophoping van mineralen in de botten te vergroten, waardoor ze stijver en sterker worden in vergelijking met andere vogels.

Verrassend genoeg is het schedelbot zeer dun en is er minder vloeistof die de hersenen van het schedelbot scheidt dan bij andere vogels en dieren. Dat zou suggereren dat de schedel is aangepast om harder en taaier tegelijk te zijn.

Typisch in de echte materiaalkunde, is er een algemene afweging tussen hardheid en taaiheid. Het hebben van zowel harde als taaie materialen op het hoofd vermindert echter de hoeveelheid impact die op de hersenen wordt overgebracht.

Een tweede verschil is dat spechten minder interne vloeistof rond de hersenen hebben dan andere grote dieren. Dit helpt om de beweging van de hersenen tijdens het pikken te beperken. De verminderde hoeveelheid vloeistof heeft een effect dat vergelijkbaar is met de dooier van een hardgekookt ei, die niet beschadigd raakt door schudden, vergeleken met de dooier van een rauw, ongekookt ei.

Spechten hebben ook een in hun tong ingebed botje dat helpt om insecten uit de bomen te halen. De ongewone tong wikkelt zich rond de achterkant van de schedel en verankert zich aan de voorkant tussen de ogen. Deze configuratie laat de tong en het bijbehorende bot als een veer werken, waardoor de fysieke kracht en de bijbehorende trillingen worden gedempt.

Verschillende soorten bot

De stijfheid en sterkte van een typisch skeletbot is te danken aan een dichte mantel van compact bot dat een poreus, sponsachtig bot omhult. Maar het tongbeen van de specht heeft de omgekeerde structuur: een flexibel omhulsel en een harder kernbeen. Deze binnenstebuiten-configuratie biedt een betere flexibiliteit en kan grotere schokken en trillingen absorberen.

Uw werk suggereert dat de ongewone schedel- en tongbeenderen van de specht een voorbeeld zijn van schokbestendige structuren die essentieel zijn voor het beschermen van de hersenen van de specht tijdens het pikgedrag.

Op dit moment zijn biologen en neurowetenschappers actief bezig met het bestuderen van de hersenen van de specht om te zien of er pathologisch bewijs is van hersenletsel – zoals CTE bij mensen.

We hopen dat dit onderzoek onthult of er andere beschermende of genezende mechanismen spelen op het niveau van weefsels of cellen in spechthersenen die, hopen we, zullen onthullen hoe menselijke hersenletsels kunnen worden beschermd en genezen.

Professor Joanna McKittrick, een baanbrekende ingenieur aan de Universiteit van Californië San Diego en een gerenommeerd expert in materiaalkunde, overleed 15 nov. 2019, kort na het voltooien van dit stuk. Ze werd 65 jaar. Ze was een gepassioneerd pleitbezorger voor vrouwen en ondervertegenwoordigde studenten in STEM en een bedachtzame mentor.

Joanna McKittrick, hoogleraar werktuigbouwkunde en lucht- en ruimtevaarttechniek, Universiteit van Californië San Diego en Jae-Young Jung, postdoctoraal student orthopedische chirurgie, Universiteit van Californië, San Francisco.

Dit artikel is heruitgegeven uit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.