Dezlipirea ciocului de trunchiul unui copac ar părea o activitate care ar provoca dureri de cap, dureri de maxilar și leziuni grave la nivelul gâtului și creierului. Cu toate acestea, ciocănitoarele pot face acest lucru de 20 de ori pe secundă și nu suferă niciun fel de efecte negative.

Ciocănitoarele se găsesc în zonele împădurite din întreaga lume, cu excepția Australiei. Aceste păsări au abilitatea neobișnuită de a-și folosi ciocul pentru a ciocăni în trunchiurile copacilor pentru a face găuri pentru a extrage insecte și sevă. Și mai impresionant este că fac acest lucru fără să se rănească.

Suntem cercetători în domeniul materialelor care studiază substanțe biologice precum oase, piei, pene și cochilii găsite în natură. Suntem interesați de structura osoasă a craniului și a oaselor limbii ciocănitorilor, deoarece credem că anatomia lor neobișnuită ar putea oferi informații care ar putea ajuta cercetătorii să dezvolte un echipament de protecție mai bun pentru cap pentru oameni.

Contuzii la oameni

Ciocănitorii de lemn suportă multe șocuri de impact puternic la nivelul capului în timp ce ciugulesc.

Acestea au pene puternice la coadă și gheare care le ajută să își păstreze echilibrul în timp ce capul lor se deplasează spre trunchiul copacului cu 7 metri (23 picioare) pe secundă. Apoi, când ciocul lor lovește, capul lor încetinește cu o viteză de aproximativ 1.200 de ori mai mare decât forța gravitațională (g).

Toate acestea se întâmplă fără ca ciocănitoarea să sufere contuzii sau leziuni cerebrale.

O contuzie este o formă de leziune cerebrală traumatică cauzată de lovituri repetate la cap. Este un eveniment comun și se întâmplă frecvent în timpul sporturilor de contact, cum ar fi fotbalul sau hocheiul.

Leziunile cerebrale traumatice repetate cauzează în cele din urmă o tulburare cerebrală progresivă, encefalopatia traumatică cronică (CTE), care este ireversibilă și are ca rezultat simptome precum pierderea memoriei, depresia, impulsivitatea, agresivitatea și comportamentul suicidar.

Liga Națională de Fotbal spune că contuziile la jucătorii de fotbal se produc la 80 g. Așadar, cum supraviețuiesc ciocănitoarele la impacturi repetate de 1.200 g fără a-și afecta creierul?

Am căutat secretele cheie ale capacității ciocănitoarei de a tolera impactul ridicat în timpul ciocănitului. Am studiat microstructurile oaselor și apoi am făcut o analiză biomecanică a capului.

Structuri neobișnuite ale oaselor craniului și ale osului limbii

Comparând craniile ciocănitorilor și ale găinilor, am descoperit că ciocănitorii au adaptări de absorbție a impactului pe care alte păsări nu le au. Acestea includ oasele craniului, mușchii gâtului, ciocurile și oasele limbii specializate.

Oasele craniului au o compoziție chimică și o densitate diferite. De exemplu, o adaptare structurală se realizează prin creșterea acumulării de minerale în oase pentru a le face mai rigide și mai puternice în comparație cu alte păsări.

Surprinzător, osul craniului este foarte subțire și există mai puțin lichid care separă creierul de osul craniului decât la alte păsări și animale. Acest lucru ar sugera că craniul este adaptat pentru a fi mai dur și mai rezistent în același timp.

În mod obișnuit, în știința materialelor din lumea reală, există un compromis general între duritate și rezistență. Cu toate acestea, a avea atât materiale dure cât și rezistente pe cap diminuează cantitatea de impact transferată la creier.

O a doua diferență este că ciocănitoarele au mai puțin lichid intern în jurul creierului decât alte animale mari. Acest lucru ajută la limitarea mișcării creierului în timpul ciocănitului. Cantitatea redusă de lichid are un efect analog cu cel al gălbenușului unui ou fiert tare, care nu se va deteriora prin scuturare, în comparație cu gălbenușul unui ou crud, negătit.

Păcătorii de lemn au, de asemenea, un os încorporat în limba lor care ajută la extragerea insectelor din copaci. Limba neobișnuită se înfășoară în jurul părții din spate a craniului și se ancorează în partea din față, între ochi. Această configurație permite limbii și osului său să acționeze ca un resort, amortizând forța fizică și vibrațiile aferente.

Diferite tipuri de oase

Rigiditatea și rezistența unui os scheletic tipic se datorează unui înveliș dens de os compact care a încapsulat un os poros, spongios. Dar osul limbii ciocănitoarei are o structură opusă: o teacă flexibilă și un os central mai dur. Această configurație inversă oferă o mai bună flexibilitate și poate absorbi impacturi și vibrații mai mari.

Lucrarea noastră sugerează că osul cranian și osul limbii neobișnuite ale ciocănitoarei sunt un exemplu de structuri rezistente la impact, esențiale pentru protejarea creierului ciocănitoarei în timpul comportamentului de ciugulire.

În prezent, biologii și neuroștiințele lucrează activ la studierea creierului ciocănitoarei pentru a vedea dacă există vreo dovadă patologică a leziunilor cerebrale – precum CTE la om.

Sperăm ca această cercetare să dezvăluie dacă există alte mecanisme de protecție sau de vindecare în joc la nivelul țesuturilor sau al celulelor din creierul ciocănitoarei, care, sperăm, vor dezvălui cum să protejeze și să vindece leziunile cerebrale umane.

Profesoara Joanna McKittrick, un inginer de pionierat de la Universitatea California San Diego și un expert renumit în știința materialelor, a decedat la 15 noiembrie 2019, la scurt timp după ce a finalizat acest articol. Ea avea 65 de ani. A fost o susținătoare pasionată a femeilor și a studenților subreprezentați în STEM și un mentor grijuliu.

Joanna McKittrick, profesor de inginerie mecanică și aerospațială, Universitatea din California San Diego și Jae-Young Jung, bursier postdoctoral de chirurgie ortopedică, Universitatea din California, San Francisco.

Acest articol este republicat din The Conversation sub o licență Creative Commons. Citiți articolul original.