与广为流传的看法相反，啄木鸟头部并没有天生的减震器。
图1 一只黑啄木鸟及其头骨左侧部分的X射线计算机断层扫描重建图像。圆圈内放大部分显示的是位于喙和颅骨交界处的海绵状骨骼，这块骨骼被认为起到了减震作用
当啄木鸟啄落硬质树皮寻找食物，在树干上挖洞筑巢，制造鼓声吸引配偶或宣告领地时，它们通常会以每小时20公里的速度用喙撞击树木，制造鼓声时的频率甚至可以达到每秒30次。这样的突然减速，至少对于人类的大脑来说，会超过造成震荡的阈值。然而，从许多流传甚广的故事、博客、动物园展示栏信息和电视教育节目中，我们了解到啄木鸟的头骨具有减震结构，这使得它们的大脑在高速撞击时仍能完好无损。
鸟类爱好者可能会为此感到欣慰，因为从撞击的喙部向后传播的冲击波在到达大脑之前会得到缓冲。在过去十年里，随着计算机断层扫描重建技术的出现，我们发现啄木鸟大脑前部有一块海绵状骨骼（见图1）。这一发现进一步证实了冲击波在到达啄木鸟大脑前会受到缓冲的假设。
这个多孔区域由相互连接的骨棒和骨板构成，这些结构在理论上能够在受到撞击时被压缩，从而减轻对大脑的冲击。然而，尽管这一假设为新型减震材料和头盔的设计提供了灵感，但此前这一假设并未得到验证。此外，一些科学家甚至在更早之前就对这一假设提出了强烈质疑。20世纪70年代，精神病学家菲利普 · 梅（Philip May）及其同事看到了从啄木鸟的解剖适应性中学习以承受反复冲击的潜力。眼科医生伊万 · 施瓦布（Ivan Schwab）与梅共同获得了2006年搞笑诺贝尔奖，以表彰他们在这一领域的工作。然而，他们于1976年发表在《柳叶刀》（Lancet）的论文中，对这种颅部吸收冲击是不是这些适应性的一部分提出了质疑。作者写道：“如果喙吸收了大部分的冲击，那么这只不幸的鸟可能不得不加大啄击的力度。”
如果一只鸟首先通过头部加速向前来积累足够的动能，以便对树木进行强烈的啄击，但随后却将部分能量损失在“内置”头骨的喙减震器中，这种机制在进化过程中可能是不利的。
证据
两年前，我们作为一个国际研究团队的成员，观察了三种啄木鸟，以验证鸟喙与大脑之间是否确实存在减震现象。在观察过程中，我们记录了这些鸟类高速啄食的视频。这些视频拍摄于欧洲的四个动物园鸟舍，拍摄对象包括黑啄木鸟和大斑啄木鸟。而在加拿大，我们则记录了实验室饲养的两只北美黑啄木鸟的啄食情况。利用连续的视频帧追踪鸟类头部标记的运动轨迹，进而计算它们撞击时的峰值减速度，这种方法与汽车碰撞测试中的视频应用方式非常相似。
图2 冲击分析。(a) 北美黑啄木鸟喙部和脑壳附近的四个追踪标记点。(b) 这个典型的例子显示了这些标记点的减速情况
这些标记包括喙上的两个点和眼睛上的一个点，我们假定这些点与脑壳前部同步移动。对于北美黑啄木鸟，我们还在覆盖脑壳的皮肤上额外涂抹了一个小白点作为标记，如图2a所示。随后，我们对比了超过100次啄食事件中，喙上标记点与脑壳标记点之间的平均减速曲线。
我们自始至终发现，与喙相比，脑壳的减速并没有减少（如图2b所示）。因此，在这些部位之间并没有通过压缩海绵状骨骼或其他任何方式来实现缓冲。啄木鸟的头部更像是一个坚硬的锤子，而非减震器。此外，我们的生物力学模型计算也证实，在给定头部冲击速度的情况下，颅骨内部潜在的减震能力实际上会降低喙对木材的穿透深度。
尽管这种“内置”减震器能稍微减缓大脑的加速度，但这仍然会浪费能量：在同样减少大脑加速度的情况下，如果鸟儿更轻地撞击树木，就可以在木头上完成同样的工作。因此，基于这些数据，我们很容易得出结论：在进化出啄木生活方式的鸟类中，观察到的颅内减震最小化是一种合乎逻辑且具有适应性的结果。
避免受伤
然而，如果不存在头骨中的减震机制的话，啄木鸟是如何保护它们的大脑免受损伤的呢？我们的数据显示，啄木鸟的大脑要承受高达400g的减速（g表示重力加速度）。这一数值远超人类脑震荡估计阈值135g。2006年，麻省理工学院洛娜 · 吉布森（Lornagibson）指出，原因在于啄木鸟和人类大脑之间的质量差异。她发现，啄木鸟之所以能够抵御高减速，关键在于它们体型较小，这种体型在特定减速下能有效减轻对大脑的压力。同时，撞击的持续时间短暂，这进一步增强了它们对撞击的耐受度。此外，大脑在颅骨中的精确位置也是其能够抵御高减速的重要因素。啄木鸟大脑在自身减速时承受的压力与其减速速度、脑组织的质量密度以及大脑长度（或体积/面积）成正比。
这里提到的“大脑长度”是指大脑在撞击方向上的长度。啄木鸟大脑的长度大约是人类大脑的1/7。因此，啄木鸟发生与人类相同程度脑震荡所需的减速阈值是人类阈值的7倍，即约1000g。这意味着，即使是我们数据集中记录的最大冲击——大约400g——实际上也没有看起来那么暴力。这些鸟类维持着相当的安全裕度，因此即使它们意外撞到了比木头更坚硬的物质，也不会造成大脑损伤。另一方面，大脑压力与大脑长度的关系也能够解释，为什么不存在能钻出比现存物种更深的树洞的巨型啄木鸟。
即便没有科学证据的支持，科学假设也会得到广泛传播，并成为广为接受的观点，啄木鸟的减震机制就是一个绝佳的范例。这种演变背后，大众媒体的广泛报道和人们对头部撞击时脑部保护适应性的关注，可能起到了误导作用。这两个因素可能共同促成了啄木鸟如何避免受伤这一神话的流传。我们期待通过提供生物力学证据帮助人们改变这种看法。
资料来源Physics Today
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本文作者山姆·范·沃森伯格（Sam Van Wassenbergh）是动物力学教授；玛雅·米尔克（Maja Mielke）是比利时安特卫普大学功能形态学实验室博士候选人
