啄木鳥為啥不得腦震盪？你以為它有減震裝置，其實它是個錘子！_風聞
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啄木鳥以極高的速度和頻率啄木，為什麼它不會得腦震盪？這個動物看似平常的行為，要讓人類解釋起來並沒有那麼容易。大約50年前，科學家發現了啄木鳥大腦中的“減震結構”，一度被認為是它不得腦震盪之謎的原因。但真要刨根問底，人們發現事實並非如此。
撰文 | 一根弦
啄木的啄木鳥
眾所周知，啄木鳥之所以被稱為“啄木鳥”是因為它們經常啄木（問題的關鍵就是找到關鍵的問題）。
小時候，家長或老師會告訴我們兩個關於啄木鳥的知識：一、啄木鳥啄木能保護樹木，是樹木的“好醫生”，更是人類的好朋友；二、啄木鳥之所以能夠樂此不疲地啄，是因為它的腦袋裏面有減震結構。但從科學的角度講，這兩個“知識點”都有問題。
首先，啄木鳥啄木既不是為了保護樹木，更不是為了呵護人類，而是為了覓食、築巢、宣佈領地和吸引配偶。換句話説，啄木行為是為了自己的生存。只不過啄木鳥吃的是危害樹木的蟲子，的確對樹木起到間接的保護作用；但是它們偶爾也會把洞鑿得太大（有些種類的啄木鳥會把樹當成糧倉），妥妥屬於“醫療事故”。
人類還是得尊重自然規律，不要擬人化去理解啄木鳥的行為。
第二個知識點則更有科學深度。啄木鳥啄木的速度之快、頻率之高讓肉眼觀測的人類往往只能看到殘影——啄木鳥喙子在撞擊樹木時速度可達20km/h，頻次可達每秒30次，減速度可以達到驚人的400g（g為重力加速度）。
上世紀70年代，加州大學洛杉磯分校的Philip May教授對啄木鳥進行科學研究時，試圖使用每秒24幀的普通攝像機追蹤啄木鳥的啄木行為，但因其速度太快而拍不到具體細節，最後不得不換上每秒40幀的高速攝像機。
對於一般動物來説，大腦都是重要的保護對象，那為什麼如此頻繁和高速的撞擊不會讓啄木鳥得腦震盪呢？是因為啄木鳥的大腦內有減震結構嗎？
啄木鳥沒有“偏頭痛”
1976年，Philip May教授和他的同事在《柳葉刀》上發表了一篇文章：他們利用解剖學的方式發現了啄木鳥的喙和顱骨連接處是一片海綿狀的多孔骨骼，由此他們推測正是這段海綿狀的多孔骨骼起到減震作用。
在文章結尾，他們提議應該在有着外殼堅硬的頭盔中增加一些輕薄、塑形性好的鬆軟材料用來防震，以此對佩戴者起到更好的保護作用。許多現代頭盔的設計便採用了May教授的提議，保護了千千萬萬遭遇交通事故的人的腦袋。
2002年，加州大學戴維斯分校的Ivan R. Schwab教授使用CT掃描技術證實了May教授的解剖學成果：CT圖像清晰地顯示在啄木鳥顱內鞏膜環與喙之間有一段多孔的海綿狀骨骼（如上圖綠色部分）。
除此以外，Schwab的研究團隊使用高速攝像機拍攝發現：在鳥喙啄中樹幹前1毫秒，啄木鳥眼睛內的透明瞬膜（眼瞼）會及時閉上，將眼球包裹得緊緊的，防止它們蹦出眼窩，啄木鳥的眼瞼充當了“安全帶”的作用。
2006年的搞笑諾貝爾獎授予Ivan.R.Schwab與Philip May兩位學者，以表彰他們在探索為什麼啄木鳥不會頭痛上做出的貢獻。授獎過程中還出現了一段小插曲。當Schwab教授接到組委會的獲獎通知後，他謙虛地表示自己並沒有取得實質性的工作，只是“把May教授20多年前的工作重新帶回了公眾視野”。最終評選委員會與Schwab教授達成一致，同意本次的搞笑諾貝爾獎同時授予Ivan R.Schwab教授和已於1986年去世的Philip May教授。
這個問題看起來似乎已經被很好地解決了，但是總感覺這裏面缺了點什麼。其實，只要稍微覆盤一下，就知道邏輯論證的缺失點。
無論是解剖結果，還是CT結果，都只能證明啄木鳥的頭部的確存在一個結構，但無法論證這一結構與因巨大減速度而未得腦震盪之間存在必然的因果關係。換句話説，到目前為止，我們還無法直接證明啄木鳥顱骨中海綿狀骨骼完成了減震，從而導致啄木鳥可以忍受高速且頻繁的撞擊。
看來，兩位教授的刨根問底不夠深。
減震的真相
事實上，May教授對“減震器”的説法本身抱有懷疑態度——吸收衝擊會使啄木鳥在尋找食物或挖掘巢穴方面表現更差（啄得少則更費力）；這就像你在用錘子釘釘子時，中間加了一個枕頭。從進化的角度來看，這一功能是不會演化出來的。
2022年，比利時安特衞普大學Sam Van Wassenbergh教授讀到了May教授的這個觀點，他幡然醒悟，意識到了前面提到的問題：儘管前人大量的研究都表明啄木鳥顱內減震結構的存在，但沒有一項直接的研究説明減震結構真的做到減震了。
要想知道海綿狀骨骼能不能完成減震，這事兒一點兒都不復雜，只要能測出這段海綿狀骨骼前靠近喙尖部分的減速度值，以及靠近大腦部分的減速度數，比較一下兩個數值就可以了。
話雖如此，可要完成精確的測量，還是要上一些高科技。
在汽車安全氣囊試驗中，工程師通常使用高速攝像機拍攝出汽車碰撞過程，然後通過慢動作回放詳細解析，最終評估出汽車的安全係數。為了完成對減速度的精確測量，科學家採用了同樣的技術（Schwab教授團隊在研究啄木鳥的眼睛保護機制時也用到了高速攝像）。
Wassenbergh教授領導的一個國際團隊利用高速攝像機記錄了三種啄木鳥——黑啄木鳥（Dryocopus martius）、大斑啄木鳥（Dendrocopos major）和北美黑啄木鳥（Dryocopus pilatus）啄木全過程。為了避免個體差異，每種啄木鳥選了兩隻。為了拍下它們，團隊走訪了歐洲四家動物園和加拿大的一個實驗室。
研究人員沿着頭骨方向選取了三個追蹤點，兩個在喙上，一個在眼睛上；對北美黑啄木鳥的測量上，增加了一個覆蓋頭骨皮膚的點作為第四個追蹤點（見下圖），他們分析了這些標記點的運動軌跡並計算了減速度的具體數值。
當然為了避免單一數據的波動，科學家計算了這些標記點100次啄木的減速度並取了平均值。
如果減震的説法成立，那麼越靠近喙的位置（黃色）減速度數值越大，越靠近大腦位置（綠色）的減速度數值就會越小。研究結果清晰地表明：對比喙上的標記點，靠近顱骨的標記點沒有發現明顯的減速度的減少。
科學家還仔細分析了眼部減速度和喙中部減速度的相關係數，見下圖。兩者的相關係數越接近於0，説明減震效果越好；越接近1，則説明幾乎沒有減震效果。圖中近乎45°傾斜角表明，啄木鳥海綿狀骨骼的前後並沒有減震，啄木鳥的腦袋的表現不是個減震器，而像一個堅固的剛體。通俗地説，就是個錘子。
不受損傷之謎
既然啄木鳥本身頭顱不具有減震的作用，那麼它們是怎麼保護自己的大腦不受損傷的呢？數據表明，在啄木時，啄木鳥的大腦減速度可以輕鬆達到驚人的400g，而只要超過135g的減速度，就能引發人類大腦的腦震盪了（要是到400g的減速度，腦漿估計都被搖勻了）。
2006年，麻省理工學院的Lorna Gibson教授就指出，人和鳥這種差異主要來源於啄木鳥的大腦和人腦的質量差別。Lorna Gibson把鳥類可以耐受如此大的減速度的原因歸結為三條：
1、鳥類大腦很小，這降低了在相同減速度條件下大腦的受力，受力不僅正比於減速度，也正比於大腦的尺寸；
2、衝擊力時間極短，這增加了鳥類的耐受程度；（這就好比你被開水燙了一下立馬縮回了手，對人而言這或許是可忍受的，但如果用開水澆灌個幾分鐘，那就要被拉進醫院了。）
3、頭顱中大腦受力方向的長度。鳥類的大腦受力方向的長度大概僅有人類的七分之一，僅從這個角度考慮，鳥類可以經受的減速度閾值等於7×135g，大約是1000g。
這個數值遠遠大於啄木鳥在啄木時減速度峯值。進化論給了啄木鳥這個物種充足的安全buff——萬一啄木鳥不小心啄到鋼板這種比木頭堅硬很多的東西（有些啄木鳥確實會這麼做），它的這種生理結構也能保證其安全，不至於讓它立馬暈過去。
大腦受力和受力方向的長度成正比這一規律恰恰説明了，為啥目前不存在比現有啄木鳥物種啄出更深的洞的巨型啄木鳥的存在。我們可以使用反證法進行論證：假如進化出了這麼一隻可以啄出更深洞的巨型啄木鳥，隨着受力方向距離的增長，同等加速度下這隻啄木鳥需要承擔更大的顱內壓力，當壓力達到一定程度時，這隻啄木鳥就會因腦震盪而死亡。
當然從另一角度講，人類進化出了容量如此大的大腦，成為了這個星球的“智慧擔當”，但同時也讓人類可以承受的減速度閾值大大下降，更容易遭受腦震盪的苦惱，讓人類變得更加“脆皮”。這也是自然界的精妙之處所在——當一種生物具備某種優勢的性狀時，往往附帶一些難以克服的缺憾。
結語
如果從1976年May教授那篇《柳葉刀》文章開始算起，人類對啄木鳥的“不頭疼”之謎的研究和探索跨越了將近半個世紀。經過幾代科學家的不斷努力，人們終於擺脱了“減震説”的統治，對啄木鳥的“秘密”建立起了更加科學和立體的認知。但對於安全頭盔的設計者來説，他們或許需要一些新的靈感，畢竟啄木鳥的頭部構造不是更防震的模型。
為啥人類要浪費時間在這樣一個看似很小的問題上呢？或許就像Schwab教授所説的，“We can’t all win Nobel prizes, but we can look at the world around us and ask questions. (我們不可能人人都研究重大的問題獲得諾貝爾獎，但我們可以觀察周圍的世界並提出問題。)”
主要參考文獻
[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).
本文受科普中國·星空計劃項目扶持
出品：中國科協科普部
監製：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司
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