啄木鳥為什么不會遭受腦震蕩？

與廣為流傳的看法相反，啄木鳥頭部并沒有天生的減震器。

當啄木鳥啄落硬質樹皮尋找食物，在樹干上挖洞筑巢，制造鼓聲吸引配偶或宣告領地時，它們通常會以每小時20公里的速度用喙撞擊樹木，制造鼓聲時的頻率甚至可以達到每秒30次。這樣的突然減速，至少對于人類的大腦來說，會超過造成震蕩的閾值。然而，從許多流傳甚廣的故事、博客、動物園展示欄信息和電視教育節目中，我們了解到啄木鳥的頭骨具有減震結構，這使得它們的大腦在高速撞擊時仍能完好無損。

鳥類愛好者可能會為此感到欣慰，因為從撞擊的喙部向后傳播的沖擊波在到達大腦之前會得到緩沖。在過去十年里，隨著計算機斷層掃描重建技術的出現，我們發現啄木鳥大腦前部有一塊海綿狀骨骼（見圖1）。這一發現進一步證實了沖擊波在到達啄木鳥大腦前會受到緩沖的假設。

這個多孔區域由相互連接的骨棒和骨板構成，這些結構在理論上能夠在受到撞擊時被壓縮，從而減輕對大腦的沖擊。然而，盡管這一假設為新型減震材料和頭盔的設計提供了靈感，但此前這一假設并未得到驗證。此外，一些科學家甚至在更早之前就對這一假設提出了強烈質疑。20世紀70年代，精神病學家菲利普 · 梅（Philip May）及其同事54a55f104b3ed00dea25c2109660c7d0ef9c19dc2a54ef072aae1e62f6be875c看到了從啄木鳥的解剖適應性中學習以承受反復沖擊的潛力。眼科醫生伊萬 · 施瓦布（Ivan Schwab）與梅共同獲得了2006年搞笑諾貝爾獎，以表彰他們在這一領域的工作。然而，他們于1976年發表在《柳葉刀》（Lancet）的論文中，對這種顱部吸收沖擊是不是這些適應性的一部分提出了質疑。作者寫道：“如果喙吸收了大部分的沖擊，那么這只不幸的鳥可能不得不加大啄擊的力度。”

如果一只鳥首先通過頭部加速向前來積累足夠的動能，以便對樹木進行強烈的啄擊，但隨后卻將部分能量損失在“內置”頭骨的喙減震器中，這種機制在進化過程中可能是不利的。

證據

兩年前，我們作為一個國際研究團隊的成員，觀察了三種啄木鳥，以驗證鳥喙與大腦之間是否確實存在減震現象。在觀察過程中，我們記錄了這些鳥類高速啄食的視頻。這些視頻拍攝于歐洲的四個動物園鳥舍，拍攝對象包括黑啄木鳥和大斑啄木鳥。而在加拿大，我們則記錄了實驗室飼養的兩只北美黑啄木鳥的啄食情況。利用連續的視頻幀追蹤鳥類頭部標記的運動軌跡，進而計算它們撞擊時的峰值減速度，這種方法與汽車碰撞測試中的視頻應用方式非常相似。

這些標記包括喙上的兩個點和眼睛上的一個點，我們假定這些點與腦殼前部同步移動。對于北美黑啄木鳥，我們還在覆蓋腦殼的皮膚上額外涂抹了一個小白點作為標記，如圖2a所示。隨后，我們對比了超過100次啄食事件中，喙上標記點與腦殼標記點之間的平均減速曲線。

我們自始至終發現，與喙相比，腦殼的減速并沒有減少（如圖2b所示）。因此，在這些部位之間并沒有通過壓縮海綿狀骨骼或其他任何方式來實現緩沖。啄木鳥的頭部更像是一個堅硬的錘子，而非減震器。此外，我們的生物力學模型計算也證實，在給定頭部沖擊速度的情況下，顱骨內部潛在的減震能力實際上會降低喙對木材的穿透深度。

盡管這種“內置”減震器能稍微減緩大腦的加速度，但這仍然會浪費能量：在同樣減少大腦加速度的情況下，如果鳥兒更輕地撞擊樹木，就可以在木頭上完成同樣的工作。因此，基于這些數據，我們很容易得出結論：在進化出啄木生活方式的鳥類中，觀察到的顱內減震最小化是一種合乎邏輯且具有適應性的結果。

避免受傷

然而，如果不存在頭骨中的減震機制的話，啄木鳥是如何保護它們的大腦免受損傷的呢？我們的數據顯示，啄木鳥的大腦要承受高達400 g的減速（g表示重力加速度）。這一數值遠超人類腦震蕩估計閾值135 g。2006年，麻省理工學院洛娜 · 吉布森（Lornagibson）指出，原因在于啄木鳥和人類大腦之間的質量差異。她發現，啄木鳥之所以能夠抵御高減速，關鍵在于它們體型較小，這種體型在特定減速下能有效減輕對大腦的壓力。同時，撞擊的持續時間短暫，這進一步增強了它們對撞擊的耐受度。此外，大腦在顱骨中的精確位置也是其能夠抵御高減速的重要因素。啄木鳥大腦在自身減速時承受的壓力與其減速速度、腦組織的質量密度以及大腦長度（或體積/面積）成正比。

這里提到的“大腦長度”是指大腦在撞擊方向上的長度。啄木鳥大腦的長度大約是人類大腦的1/7。因此，啄木鳥發生與人類相同程度腦震蕩所需的減速閾值是人類閾值的7倍，即約1000 g。這意味著，即使是我們數據集中記錄的最大沖擊——大約400 g——實際上也沒有看起來那么暴力。這些鳥類維持著相當的安全裕度，因此即使它們意外撞到了比木頭更堅硬的物質，也不會造成大腦損傷。另一方面，大腦壓力與大腦長度的關系也能夠解釋，為什么不存在能鉆出比現存物種更深的樹洞的巨型啄木鳥。

即便沒有科學證據的支持，科學假設也會得到廣泛傳播，并成為廣為接受的觀點，啄木鳥的減震機制就是一個絕佳的范例。這種演變背后，大眾媒體的廣泛報道和人們對頭部撞擊時腦部保護適應性的關注，可能起到了誤導作用。這兩個因素可能共同促成了啄木鳥如何避免受傷這一神話的流傳。我們期待通過提供生物力學證據幫助人們改變這種看法。

資料來源 Physics Today

本文作者山姆 · 范 · 沃森伯格（Sam Van Wassenbergh）是動物力學教授；瑪雅 · 米爾克（Maja Mielke）是比利時安特衛普大學功能形態學實驗室博士候選人