Uderzenie dziobem o pień drzewa mogłoby się wydawać czynnością, która powodowałaby bóle głowy, szczęki i poważne urazy szyi i mózgu. Jednak dzięcioły mogą to robić 20 razy na sekundę i nie odczuwają żadnych złych skutków.

Dzięcioły znajdują się w zalesionych obszarach na całym świecie, z wyjątkiem Australii. Ptaki te mają niezwykłą zdolność do korzystania z ich dziobów do młotka do pni drzew, aby otwory do ekstrakcji owadów i soku. Jeszcze bardziej imponujące, że robią to bez ranienia siebie.

Jesteśmy materiałoznawcami, którzy badają substancje biologiczne, takie jak kości, skóry, pióra i muszle znalezione w przyrodzie. Jesteśmy zainteresowani strukturą czaszki i kości języka dzięciołów, ponieważ uważamy, że ich niezwykła anatomia może przynieść spostrzeżenia, które mogłyby pomóc naukowcom w opracowaniu lepszych ochronnych narzędzi głowy dla ludzi.

Uderzenia u ludzi

Dzięcioły znoszą wiele uderzeń w głowę, gdy dziobią.

Mają silne pióra ogonowe i pazury, które pomagają im utrzymać równowagę, gdy ich głowa porusza się w kierunku pnia drzewa z prędkością 7 metrów (23 stóp) na sekundę. Następnie, gdy ich dziób uderza, ich głowy zwolnić w dół na około 1200 razy siły grawitacji (g).

Wszystko to dzieje się bez dzięcioła podtrzymywania wstrząsy lub uszkodzenia mózgu.

Wstrząs mózgu jest formą urazu mózgu spowodowane przez wielokrotne uderzenia w głowę. Jest to powszechne zjawisko i zdarza się często podczas uprawiania sportów kontaktowych, takich jak piłka nożna lub hokej.

Powtarzające się urazy mózgu powodują w końcu postępujące zaburzenie mózgu, przewlekłą encefalopatię urazową (CTE), która jest nieodwracalna i powoduje objawy takie jak utrata pamięci, depresja, impulsywność, agresywność i zachowania samobójcze.

Narodowa Liga Futbolowa twierdzi, że wstrząśnienia mózgu u piłkarzy występują przy 80 g. Jak więc dzięcioły mogą przetrwać powtarzające się uderzenia o masie 1200 g bez uszkodzenia mózgu?

Poszukiwaliśmy kluczowych sekretów zdolności dzięcioła do znoszenia dużych uderzeń podczas uderzania młotkiem. Zbadaliśmy mikrostruktury kości, a następnie przeprowadziliśmy analizę biomechaniczną na głowie.

Niezwykłe struktury kości czaszki i kości języka

Poprzez porównanie czaszek dzięciołów i kurczaków odkryliśmy, że dzięcioły mają adaptacje absorbujące uderzenia, których nie mają inne ptaki. Obejmuje to wyspecjalizowane kości czaszki, mięśnie szyi, dzioby i kości tongue.

Kości czaszki mają inny skład chemiczny i gęstość. Na przykład, jedna adaptacja strukturalna jest osiągnięty poprzez zwiększenie akumulacji minerałów w kości, aby uczynić je sztywniejsze i silniejsze w porównaniu do innych birds.

Surprisely, kość czaszki jest bardzo cienka i jest mniej płynu, który oddziela mózg od kości czaszki niż w innych ptaków i zwierząt. To sugerowałoby, że czaszka jest przystosowana do bycia twardszą i wytrzymalszą w tym samym czasie.

Typowo w świecie rzeczywistym nauki o materiałach, istnieje ogólny kompromis pomiędzy twardością i wytrzymałością. Jednak posiadanie zarówno twardych i wytrzymałych materiałów na głowie zmniejsza ilość uderzenia przenoszonego do brain.

Druga różnica polega na tym, że dzięcioły mają mniej płynu wewnętrznego otaczającego mózg niż inne duże zwierzęta. To pomaga ograniczyć ruch mózgu podczas dziobania. Zmniejszona ilość płynu ma efekt, który jest analogiczny do żółtka ugotowanego na twardo jajka, które nie zostanie uszkodzone przez potrząsanie, w porównaniu do żółtka surowego, niegotowanego jajka.

Dzięcioły mają również kość osadzoną w ich języku, który pomaga wydobyć owady z drzew. Niezwykły język owija się wokół tyłu czaszki i kotwice z przodu między oczami. Taka konfiguracja pozwala językowi i jego kości działać jak sprężyna, tłumiąc siłę fizyczną i związane z nią wibracje.

Różne rodzaje kości

Sztywność i wytrzymałość typowej kości szkieletowej wynika z gęstej powłoki kości zbitej, która otacza porowatą, gąbczastą kość. Ale kość językowa dzięcioła ma odwrotną strukturę: elastyczna otoczka i twardsza kość rdzeniowa. Ta konfiguracja inside-out zapewnia lepszą elastyczność i może absorbować większe uderzenia i wibracje.

Nasza praca sugeruje, że niezwykłe kości czaszki i języka dzięcioła są przykładem struktur odpornych na uderzenia, niezbędnych do ochrony mózgu dzięcioła podczas dziobania.

Obecnie biolodzy i neurobiolodzy aktywnie pracują nad badaniem mózgu dzięcioła, aby sprawdzić, czy istnieją jakiekolwiek patologiczne dowody urazów mózgu – takich jak CTE u ludzi.

Mamy nadzieję, że te badania ujawnią, czy istnieją inne mechanizmy ochronne lub lecznicze w grze na poziomie tkanek lub komórek w mózgach dzięciołów, które, mamy nadzieję, ujawnią, jak chronić i leczyć ludzkie urazy mózgu.

Profesor Joanna McKittrick, pionierski inżynier na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego i uznany ekspert w dziedzinie materiałoznawstwa, odeszła 15 listopada 2019 r., Wkrótce po ukończeniu tego utworu. Miała 65 lat. Była namiętnym orędownikiem kobiet i niedoreprezentowanych studentów w STEM i przemyślanym mentorem.

Joanna McKittrick, profesor inżynierii mechanicznej i lotniczej, University of California San Diego i Jae-Young Jung, Postdoctoral Scholar of Orthopedic Surgery, University of California, San Francisco.

Ten artykuł został ponownie opublikowany z The Conversation na licencji Creative Commons. Przeczytaj oryginalny artykuł.