啄木鸟以极高的速度和频率啄木，为什么它不会得脑震荡？这个动物看似平常的行为，要让人类解释起来并没有那么容易。大约50年前，科学家发现了啄木鸟大脑中的“减震结构”，一度被认为是它不得脑震荡之谜的原因。但真要刨根问底，人们发现事实并非如此。
撰文 | 一根弦
啄木的啄木鸟
众所周知，啄木鸟之所以被称为“啄木鸟”是因为它们经常啄木（问题的关键就是找到关键的问题）。
小时候，家长或老师会告诉我们两个关于啄木鸟的知识：一、啄木鸟啄木能保护树木，是树木的“好医生”，更是人类的好朋友；二、啄木鸟之所以能够乐此不疲地啄，是因为它的脑袋里面有减震结构。但从科学的角度讲，这两个“知识点”都有问题。
首先，啄木鸟啄木既不是为了保护树木，更不是为了呵护人类，而是为了觅食、筑巢、宣布领地和吸引配偶。换句话说，啄木行为是为了自己的生存。只不过啄木鸟吃的是危害树木的虫子，的确对树木起到间接的保护作用；但是它们偶尔也会把洞凿得太大（有些种类的啄木鸟会把树当成粮仓），妥妥属于“医疗事故”。
正在把树木啄出不可逆损伤的啄木鸟。丨图片来源：网络
人类还是得尊重自然规律，不要拟人化去理解啄木鸟的行为。
第二个知识点则更有科学深度。啄木鸟啄木的速度之快、频率之高让肉眼观测的人类往往只能看到残影——啄木鸟喙子在撞击树木时速度可达20km/h，频次可达每秒30次，减速度可以达到惊人的400g（g为重力加速度）。
上世纪70年代，加州大学洛杉矶分校的Philip May教授对啄木鸟进行科学研究时，试图使用每秒24帧的普通摄像机追踪啄木鸟的啄木行为，但因其速度太快而拍不到具体细节，最后不得不换上每秒40帧的高速摄像机。
对于一般动物来说，大脑都是重要的保护对象，那为什么如此频繁和高速的撞击不会让啄木鸟得脑震荡呢？是因为啄木鸟的大脑内有减震结构吗？
啄木鸟没有“偏头痛”
1976年，Philip May教授和他的同事在《柳叶刀》上发表了一篇文章：他们利用解剖学的方式发现了啄木鸟的喙和颅骨连接处是一片海绵状的多孔骨骼，由此他们推测正是这段海绵状的多孔骨骼起到减震作用。
在文章结尾，他们提议应该在有着外壳坚硬的头盔中增加一些轻薄、塑形性好的松软材料用来防震，以此对佩戴者起到更好的保护作用。许多现代头盔的设计便采用了May教授的提议，保护了千千万万遭遇交通事故的人的脑袋。
啄木鸟颅骨图，图中绿色部分为海绵状骨骼丨图片来源：参考文献[2]
2002年，加州大学戴维斯分校的Ivan R. Schwab教授使用CT扫描技术证实了May教授的解剖学成果：CT图像清晰地显示在啄木鸟颅内巩膜环与喙之间有一段多孔的海绵状骨骼（如上图绿色部分）。
除此以外，Schwab的研究团队使用高速摄像机拍摄发现：在鸟喙啄中树干前1毫秒，啄木鸟眼睛内的透明瞬膜（眼睑）会及时闭上，将眼球包裹得紧紧的，防止它们蹦出眼窝，啄木鸟的眼睑充当了“安全带”的作用。
2006年的搞笑诺贝尔奖授予Ivan.R.Schwab与Philip May两位学者，以表彰他们在探索为什么啄木鸟不会头痛上做出的贡献。授奖过程中还出现了一段小插曲。当Schwab教授接到组委会的获奖通知后，他谦虚地表示自己并没有取得实质性的工作，只是“把May教授20多年前的工作重新带回了公众视野”。最终评选委员会与Schwab教授达成一致，同意本次的搞笑诺贝尔奖同时授予Ivan R.Schwab教授和已于1986年去世的Philip May教授。
这个问题看起来似乎已经被很好地解决了，但是总感觉这里面缺了点什么。其实，只要稍微复盘一下，就知道逻辑论证的缺失点。
无论是解剖结果，还是CT结果，都只能证明啄木鸟的头部的确存在一个结构，但无法论证这一结构与因巨大减速度而未得脑震荡之间存在必然的因果关系。换句话说，到目前为止，我们还无法直接证明啄木鸟颅骨中海绵状骨骼完成了减震，从而导致啄木鸟可以忍受高速且频繁的撞击。
看来，两位教授的刨根问底不够深。
Ivan Schwab教授戴着啄木鸟嘴形状的帽子参加2006年搞笑诺贝尔奖颁奖典礼。丨图片来源：网络
减震的真相
事实上，May教授对“减震器”的说法本身抱有怀疑态度——吸收冲击会使啄木鸟在寻找食物或挖掘巢穴方面表现更差（啄得少则更费力）；这就像你在用锤子钉钉子时，中间加了一个枕头。从进化的角度来看，这一功能是不会演化出来的。
2022年，比利时安特卫普大学Sam Van Wassenbergh教授读到了May教授的这个观点，他幡然醒悟，意识到了前面提到的问题：尽管前人大量的研究都表明啄木鸟颅内减震结构的存在，但没有一项直接的研究说明减震结构真的做到减震了。
要想知道海绵状骨骼能不能完成减震，这事儿一点儿都不复杂，只要能测出这段海绵状骨骼前靠近喙尖部分的减速度值，以及靠近大脑部分的减速度数，比较一下两个数值就可以了。
话虽如此，可要完成精确的测量，还是要上一些高科技。
在汽车安全气囊试验中，工程师通常使用高速摄像机拍摄出汽车碰撞过程，然后通过慢动作回放详细解析，最终评估出汽车的安全系数。为了完成对减速度的精确测量，科学家采用了同样的技术（Schwab教授团队在研究啄木鸟的眼睛保护机制时也用到了高速摄像）。
Wassenbergh教授领导的一个国际团队利用高速摄像机记录了三种啄木鸟——黑啄木鸟（Dryocopus martius）、大斑啄木鸟（Dendrocopos major）和北美黑啄木鸟（Dryocopus pilatus）啄木全过程。为了避免个体差异，每种啄木鸟选了两只。为了拍下它们，团队走访了欧洲四家动物园和加拿大的一个实验室。
拍摄啄木鸟啄木行为。丨图片来源：Erica J. Ortlieb/University of British Columbia
研究人员沿着头骨方向选取了三个追踪点，两个在喙上，一个在眼睛上；对北美黑啄木鸟的测量上，增加了一个覆盖头骨皮肤的点作为第四个追踪点（见下图），他们分析了这些标记点的运动轨迹并计算了减速度的具体数值。
标记点在啄木鸟身体上的位置。丨图片来源：参考文献[1]Fig2(a)
当然为了避免单一数据的波动，科学家计算了这些标记点100次啄木的减速度并取了平均值。
标记点减速度数值图。丨图片来源：参考文献[1]
如果减震的说法成立，那么越靠近喙的位置（黄色）减速度数值越大，越靠近大脑位置（绿色）的减速度数值就会越小。研究结果清晰地表明：对比喙上的标记点，靠近颅骨的标记点没有发现明显的减速度的减少。
科学家还仔细分析了眼部减速度和喙中部减速度的相关系数，见下图。两者的相关系数越接近于0，说明减震效果越好；越接近1，则说明几乎没有减震效果。图中近乎45°倾斜角表明，啄木鸟海绵状骨骼的前后并没有减震，啄木鸟的脑袋的表现不是个减震器，而像一个坚固的刚体。通俗地说，就是个锤子。
啄木鸟眼部减速度和喙中部减速度的相关性分析丨图片来源：参考文献[2]
不受损伤之谜
既然啄木鸟本身头颅不具有减震的作用，那么它们是怎么保护自己的大脑不受损伤的呢？数据表明，在啄木时，啄木鸟的大脑减速度可以轻松达到惊人的400g，而只要超过135g的减速度，就能引发人类大脑的脑震荡了（要是到400g的减速度，脑浆估计都被摇匀了）。
2006年，麻省理工学院的Lorna Gibson教授就指出，人和鸟这种差异主要来源于啄木鸟的大脑和人脑的质量差别。Lorna Gibson把鸟类可以耐受如此大的减速度的原因归结为三条：
1、鸟类大脑很小，这降低了在相同减速度条件下大脑的受力，受力不仅正比于减速度，也正比于大脑的尺寸；
2、冲击力时间极短，这增加了鸟类的耐受程度；（这就好比你被开水烫了一下立马缩回了手，对人而言这或许是可忍受的，但如果用开水浇灌个几分钟，那就要被拉进医院了。）
3、头颅中大脑受力方向的长度。鸟类的大脑受力方向的长度大概仅有人类的七分之一，仅从这个角度考虑，鸟类可以经受的减速度阈值等于7×135g，大约是1000g。
这个数值远远大于啄木鸟在啄木时减速度峰值。进化论给了啄木鸟这个物种充足的安全buff——万一啄木鸟不小心啄到钢板这种比木头坚硬很多的东西（有些啄木鸟确实会这么做），它的这种生理结构也能保证其安全，不至于让它立马晕过去。
大脑受力和受力方向的长度成正比这一规律恰恰说明了，为啥目前不存在比现有啄木鸟物种啄出更深的洞的巨型啄木鸟的存在。我们可以使用反证法进行论证：假如进化出了这么一只可以啄出更深洞的巨型啄木鸟，随着受力方向距离的增长，同等加速度下这只啄木鸟需要承担更大的颅内压力，当压力达到一定程度时，这只啄木鸟就会因脑震荡而死亡。
当然从另一角度讲，人类进化出了容量如此大的大脑，成为了这个星球的“智慧担当”，但同时也让人类可以承受的减速度阈值大大下降，更容易遭受脑震荡的苦恼，让人类变得更加“脆皮”。这也是自然界的精妙之处所在——当一种生物具备某种优势的性状时，往往附带一些难以克服的缺憾。
结语
如果从1976年May教授那篇《柳叶刀》文章开始算起，人类对啄木鸟的“不头疼”之谜的研究和探索跨越了将近半个世纪。经过几代科学家的不断努力，人们终于摆脱了“减震说”的统治，对啄木鸟的“秘密”建立起了更加科学和立体的认知。但对于安全头盔的设计者来说，他们或许需要一些新的灵感，毕竟啄木鸟的头部构造不是更防震的模型。
为啥人类要浪费时间在这样一个看似很小的问题上呢？或许就像Schwab教授所说的，“We can’t all win Nobel prizes, but we can look at the world around us and ask questions. (我们不可能人人都研究重大的问题获得诺贝尔奖，但我们可以观察周围的世界并提出问题。)”
主要参考文献
[1] Sam Van Wassenbergh and Maja Mielke, Why woodpeckers don’t get concussions, Physics Today 77 (1), 54–55 (2024).
[2] Sam. Van Wassenbergh et al., Woodpeckers minimize cranial absorption of shocks, Curr. Biol. 32, 3189 (2022).
[3] Ivan R Schwab Cure for a headache Br. J. Ophthalmol. 86, 843; 2002.
[4] P.R. May et al. Woodpeckers and head injury, Lancet(7957), 454–455.
[5] L. J. Gibson, Woodpecker pecking: How woodpeckers avoid brain injury J. Zool. 270, 462 (2006).
本文受科普中国·星空计划项目扶持
出品：中国科协科普部
监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司
特 别 提 示
1. 进入『返朴』微信公众号底部菜单“精品专栏“，可查阅不同主题系列科普文章。
2. 『返朴』提供按月检索文章功能。关注公众号，回复四位数组成的年份+月份，如“1903”，可获取2019年3月的文章索引，以此类推。
版权说明：欢迎个人转发，任何形式的媒体或机构未经授权，不得转载和摘编。转载授权请在「返朴」微信公众号内联系后台。
2024-04-01
扫码下载APP
科普中国APP
科普中国
科普中国
京公网安备11010202008423号