啄木鳥整天都在樹幹上敲擊頭部，用喙啄洞，並將昆蟲從洞中挖出來作為食物。鳥類獨特的鼓聲和鑽孔聲使研究人員假設，啄木鳥喙和腦殼之間的骨骼必須吸收震動，以保護它們的大腦免受腦震盪。但一項新的研究表明，它們的頭部和喙就像一個堅硬的錘子，以實現最佳的啄食效能，而不是一個緩衝大腦的減震系統。
“這種鳥整天要做的事情就是在木頭裡鑽洞。非常重要的是，這項工作必須非常高效，”薩姆·範·瓦森伯格解釋說，他是比利時安特衛普大學的進化生物力學家，也是這項新研究的負責人。如果啄木鳥吸收了它 направляет 向樹木傳遞的部分能量，那麼傳遞給樹幹的能量就會減少，它必須更加用力地啄食才能鑽出洞。“因此，你越思考這個問題，就越覺得減震是不合理的，”範·瓦森伯格說。“但這必須經過測試。”
為了調查這個問題，歐洲和加拿大的研究人員使用了高速影片，拍攝了三種啄木鳥的活動。他們跟蹤了啄木鳥頭部不同部位的運動，因為這些鳥在敲擊樹木，並假設如果存在任何緩衝作用，則可以透過檢測腦殼與喙在撞擊木材時相比減速較慢來證實。但這並不是該團隊的發現。相反，頭部像一個堅硬的錘子一樣運作，幾乎沒有或根本沒有振動阻尼。研究結果於 7 月 14 日發表在《當代生物學》雜誌上。
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1970 年代之前的研究從理論角度考察了這個問題，但這項研究是第一個捕捉高速影片以確定有多少力被載入到啄木鳥的喙上，並分別載入到它們的大腦上，神經生物學家丹尼爾·託比安斯基說，他在馬里蘭州聖瑪麗學院研究啄木鳥，但沒有參與這項研究。
那麼啄木鳥是如何避免腦震盪的呢？研究人員使用模擬來計算撞擊對鳥類大腦的影響，並將其與人類腦震盪引發力的閾值進行比較。對於人類來說，大約 135 g 的衝擊力會產生腦震盪。但啄木鳥要小得多。它們大腦的長度約為人類的七分之一，這意味著它們可以承受高出七倍的力，範·瓦森伯格解釋說。根據模型，啄木鳥大腦承受的力低於危險閾值的兩倍。“因此，它們可以以更高的速度撞擊樹木，仍然不會遭受腦震盪，”他說。“關鍵是啄木鳥的頭部比人類的頭部小得多。”
但託比安斯基指出，在橄欖球運動員中，慢性創傷性腦病 (CTE) 腦損傷最常見於那些接受反覆、亞腦震盪衝擊的進攻線鋒。因此，即使是亞腦震盪事件也可能對大腦產生不利影響，啄木鳥可能具有一些尚未確定的生理機制來保護它們的大腦免受這些反覆的亞腦震盪損傷。託比安斯基及其同事的研究表明，類固醇激素（如雄激素和雌激素）可能對鳥類的大腦具有保護作用。
大腦保護的生理學尚未得到充分理解。然而，似乎很明顯的是，鑑於這些未知因素，啄木鳥的腦殼並不是啟發人類頭盔設計的良好模型。也許令人驚訝的是，甲殼綱動物，一類專門從事硬化外殼的動物，可能會為如何進行下去提供更好的見解。
大螯鼓蝦（Alpheus heterochaelis）最顯著的特徵是它的大螯——一種領地性動物經常用來與入侵者戰鬥並保衛家園的武器，它是一種生活在熱帶和亞熱帶水域的小型沿海海洋甲殼綱動物。這種螯由柱塞和一個孔組成，透過閂鎖機制操作，以驚人的速度將柱塞射穿孔。這會導致一股水射出，形成一個低壓區域，射流在該區域沸騰成氣泡。所謂的空化氣泡會破裂，產生噼啪聲和短暫的閃光。但鼓蝦螯的主要產物是高振幅壓力波，會對軟組織（如大腦組織）造成損害。
當兩隻鼓蝦發生戰鬥時，每隻蝦都會在離對手一釐米的範圍內進行噼啪聲，試圖在液壓膽小鬼遊戲中嚇唬對方。來自噼啪聲的壓力波會造成腦損傷。
南卡羅來納大學和塔爾薩大學的一個研究小組現在揭示了這些鼓蝦應對持續衝擊的秘密。它們配備了一種透明的、類似護目鏡的結構，稱為“眼眶罩”，覆蓋著它們的眼睛，並保護它們的大腦免受壓力波的衝擊。研究人員於 7 月 5 日在《當代生物學》雜誌上報告了他們的發現。
“關於武器的進化已經有很多研究，而關於‘你如何防禦它們？’的研究相對較少，”梅麗莎·休斯說，她在南卡羅來納州查爾斯頓學院研究鼓蝦，但沒有參與這項研究。在這種情況下，這個問題特別有趣，因為這種武器會發出噼啪聲，這可能對鼓蝦自身及其對手有害。“因此，你需要雙重保護——既要保護自己免受他人的攻擊，也要保護自己免受自身武器的使用，”她解釋說。
為了瞭解鼓蝦如何應對頻繁暴露於來自競爭對手（以及它們自己的螯）的衝擊波，研究人員手術切除了部分動物的眼眶罩。該團隊將沒有眼眶罩的鼓蝦暴露於來自其他鼓蝦的衝擊波，發現它們變得迷失方向，並失去了對肢體的運動控制，有時是永久性的，這是腦損傷的跡象。相比之下，暴露於衝擊波的完整動物沒有這些問題，並表現出正常的行為。
接下來，研究人員使用微型感測器來測量鼓蝦暴露於噼啪聲時眼眶罩內外壓力。他們發現，平均而言，眼眶罩將衝擊波的幅度降低了一半。“當我們有一隻戴著頭盔的動物時，它在減弱這些衝擊波方面非常有效，因此我們到達頭盔下大腦的能量更少，”塔爾薩大學的生物學家，該研究的主要作者亞歷山德拉·金斯頓解釋說。但是，當眼眶罩被移除時，衝擊波會以全強度到達大腦，這意味著“沒有眼眶罩就意味著沒有保護”。
這些護目鏡究竟是如何有效地保護動物的大腦的？金斯頓及其同事假設，衝擊波迫使水從眼眶罩中排出，從而將其能量轉移到向下和遠離動物排出的水中，而不是穿過其組織傳播。
為了驗證這個想法，他們將一些鼓蝦的護目鏡粘合起來，阻止水從眼眶罩中排出。研究小組發現，當這些鼓蝦暴露於衝擊波時，衝擊波會穿過密封的護目鏡並擊中大腦，就好像眼眶罩真的不存在一樣。這表明，將水從眼眶罩底部排出的能力對於保護大腦至關重要。
研究人員說，瞭解這些微型頭盔的工作原理可能會啟發人們設計裝置，以保護人類免受創傷性腦損傷。爆炸產生的衝擊波會對旁觀者造成毀滅性的腦損傷。輕度創傷性腦損傷是軍事人員最常見的損傷型別之一。即使是裝甲車也不能抵禦衝擊波。“它們會直接穿過它們，”南卡羅來納大學的視覺生態學家，該研究的資深作者丹·斯派塞解釋說。
斯派塞說，啄木鳥和鼓蝦是“似乎整天、每天都冒著腦損傷風險的兩種動物”。但幸運的是，它們保護大腦的生理和生物力學技巧可能會啟發新的醫療或工程解決方案，以預防士兵和運動員的腦損傷。
本文的一個版本，標題為“硬碰硬”，已改編收錄在 2022 年 10 月號的《大眾科學》雜誌中。