Warum bekommen Spechte keine Gehirnerschütterungen? Man denkt, es hat einen Stoßdämpfer, aber es ist eigentlich ein Hammer

Spechte picken mit extrem hoher Geschwindigkeit und Frequenz. Warum erleiden sie dann keine Gehirnerschütterungen? Das scheinbar normale Verhalten dieses Tieres ist für Menschen nicht so leicht zu erklären. Vor etwa 50 Jahren entdeckten Wissenschaftler im Gehirn des Spechts eine „stoßabsorbierende Struktur“, von der man zunächst annahm, dass sie der Grund dafür sei, dass der Specht nicht zu Gehirnerschütterungen neigt. Wenn Sie jedoch genauer graben, werden Sie feststellen, dass dies nicht der Fall ist.

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Specht

Wie wir alle wissen, werden Spechte „Spechte“ genannt, weil sie oft auf Holz picken (der Schlüssel zum Problem liegt darin, das Schlüsselproblem zu finden).

Als wir jung waren, erzählten uns unsere Eltern oder Lehrer zwei Dinge über Spechte: Erstens können Spechte Bäume durch Picken schützen, sie sind also die „guten Ärzte“ der Bäume und gute Freunde der Menschen; Zweitens liegt der Grund, warum Spechte so gerne picken können, darin, dass sie in ihrem Kopf eine stoßdämpfende Struktur haben. Aus wissenschaftlicher Sicht sind diese beiden „Wissenspunkte“ jedoch problematisch.

Zunächst einmal hacken Spechte weder ins Holz, um Bäume zu schützen, noch um sich um Menschen zu kümmern, sondern um Nahrung zu finden, Nester zu bauen, ihr Revier abzustecken und Partner anzulocken. Mit anderen Worten: Spechte verhalten sich, um zu überleben. Es ist nur so, dass Spechte Insekten fressen, die Bäumen schaden, also spielen sie eine indirekte Schutzfunktion für Bäume; Allerdings bohren sie gelegentlich zu große Löcher (einige Spechtarten betrachten Bäume als Kornspeicher), was definitiv ein „medizinischer Unfall“ ist.

Spechte verursachen irreversible Schäden an Bäumen. Bildquelle: Internet

Der Mensch muss weiterhin die Naturgesetze respektieren und darf das Verhalten der Spechte nicht vermenschlichen.

Der zweite Wissenspunkt hat mehr wissenschaftliche Tiefe. Spechte hacken so schnell und so häufig auf Bäume ein, dass Menschen, die mit bloßem Auge beobachten, oft nur Nachbilder sehen können – der Schnabel des Spechts kann mit einer Geschwindigkeit von bis zu 20 km/h und bis zu 30 Mal pro Sekunde auf Bäume treffen, mit einer Verzögerung von bis zu erstaunlichen 400 g (g ist die Erdbeschleunigung).

Als Professor Philip May von der University of California in Los Angeles in den 1970er Jahren wissenschaftliche Forschungen an Spechten durchführte, versuchte er, das Pickverhalten der Spechte mit einer gewöhnlichen Kamera mit einer Bildrate von 24 Bildern pro Sekunde zu verfolgen. Da die Geschwindigkeit jedoch zu hoch war, konnten die spezifischen Details nicht erfasst werden, sodass er schließlich auf eine Hochgeschwindigkeitskamera mit einer Bildrate von 40 Bildern pro Sekunde umsteigen musste.

Für die meisten Tiere ist das Gehirn ein wichtiges Objekt, das geschützt werden muss. Warum also führen derart häufige Kollisionen mit hoher Geschwindigkeit bei Spechten nicht zu Gehirnerschütterungen? Liegt es daran, dass Spechte stoßdämpfende Strukturen im Gehirn haben?

Spechte haben keine Migräne

Im Jahr 1976 veröffentlichten Professor Philip May und seine Kollegen einen Artikel in The Lancet: Sie nutzten anatomische Methoden, um herauszufinden, dass die Verbindung zwischen dem Schnabel und dem Schädel des Spechts ein schwammartiger, poröser Knochen ist. Sie spekulierten daraus, dass dieser schwammartige, poröse Knochen eine stoßdämpfende Funktion hat.

Am Ende des Artikels schlugen sie vor, der harten Außenschale des Helms einige dünne, flexible und gut geformte Materialien hinzuzufügen, um dem Träger besseren Schutz zu bieten. Viele moderne Helmdesigns basieren auf den Vorschlägen von Professor May und schützen so die Köpfe Tausender Menschen, die in Verkehrsunfälle verwickelt sind.

Spechtschädel. Der grüne Teil ist der schwammartige Knochen. Bildquelle: Referenz [2]

Im Jahr 2002 verwendete Professor Ivan R. Schwab von der University of California in Davis die CT-Scan-Technologie, um die anatomischen Befunde von Professor May zu bestätigen: Das CT-Bild zeigte deutlich einen Abschnitt porösen, schwammartigen Knochens zwischen dem intrakraniellen Skleralring und dem Schnabel des Spechts (wie im grünen Teil des obigen Bildes zu sehen).

Darüber hinaus stellte Schwabs Forschungsteam mithilfe von Hochgeschwindigkeitskameras fest, dass sich eine Millisekunde, bevor der Vogelschnabel auf den Baumstamm pickte, die transparente Nickhaut (Augenlid) im Auge des Spechts rechtzeitig schloss und den Augapfel fest umschloss, um zu verhindern, dass dieser aus der Augenhöhle sprang. Die Augenlider des Spechts fungierten als „Sicherheitsgurt“.

Der Ig-Nobelpreis 2006 wurde den beiden Wissenschaftlern Ivan R. Schwab und Philip May für ihre Beiträge zur Erforschung der Frage verliehen, warum Spechte keine Kopfschmerzen bekommen. Während der Preisverleihung kam es zu einem kleinen Zwischenfall. Als Professor Schwab die Benachrichtigung über die Auszeichnung vom Organisationskomitee erhielt, erklärte er bescheiden, dass er keine substanzielle Arbeit geleistet habe, sondern lediglich „die Arbeit von Professor May von vor über 20 Jahren wieder ins öffentliche Bewusstsein gerückt“ habe. Schließlich einigte sich das Auswahlkomitee mit Professor Schwab darauf, dass der Ig-Nobelpreis sowohl an Professor Ivan R. Schwab als auch an den 1986 verstorbenen Professor Philip May verliehen werden sollte.

Dieses Problem scheint gut gelöst zu sein, aber ich habe immer das Gefühl, dass etwas fehlt. Tatsächlich werden Ihnen die fehlenden Punkte in der logischen Argumentation klar, wenn Sie es nur kurz durchgehen.

Sowohl die anatomischen Ergebnisse als auch die CT-Ergebnisse können lediglich beweisen, dass sich im Kopf des Spechts tatsächlich eine Struktur befindet. Sie können jedoch nicht beweisen, dass zwischen dieser Struktur und dem Ausbleiben einer Gehirnerschütterung aufgrund der enormen Verzögerung ein zwangsläufiger kausaler Zusammenhang besteht. Mit anderen Worten: Bislang konnten wir nicht direkt beweisen, dass die schwammartigen Knochen im Schädel des Spechts für die Stoßdämpfung sorgen, die es dem Specht ermöglicht, hohe Geschwindigkeiten und häufige Stöße zu überstehen.

Es scheint, dass die beiden Professoren nicht tief genug gegraben haben.

Professor Ivan Schwab nimmt an der Zeremonie zur Verleihung des Ig-Nobelpreises 2006 teil und trägt einen Hut in Form eines Spechtschnabels. Bildquelle: Internet

Die Wahrheit über Stoßdämpfung

Tatsächlich steht Professor May der Idee des „Stoßdämpfers“ selbst skeptisch gegenüber – das Absorbieren von Stößen würde die Fähigkeit des Spechts, Nahrung zu finden oder ein Nest zu graben, verschlechtern (weniger picken bedeutet mehr Anstrengung); es ist, als ob Sie beim Einschlagen ein Kissen in die Mitte eines Nagels legen. Aus evolutionärer Sicht hätte sich dieses Merkmal nicht entwickelt.

Im Jahr 2022 las Professor Sam Van Wassenbergh von der Universität Antwerpen in Belgien den Standpunkt von Professor May und erkannte plötzlich das oben erwähnte Problem: Obwohl zahlreiche frühere Studien die Existenz stoßdämpfender Strukturen im Schädel des Spechts gezeigt hatten, gab es keine direkte Studie, die zeigte, dass die stoßdämpfende Struktur tatsächlich eine Stoßdämpfung bewirken kann.

Um herauszufinden, ob der schwammartige Knochen eine Stoßdämpfung leisten kann, ist es überhaupt nicht kompliziert. Sie müssen lediglich den Verzögerungswert des vorderen Teils des schwammigen Knochens in der Nähe der Schnabelspitze und den Verzögerungswert des Teils in der Nähe des Gehirns messen und die beiden Werte vergleichen.

Allerdings ist für die Durchführung genauer Messungen immer noch ein gewisser Grad an Spitzentechnologie erforderlich.

Bei Airbagtests in Autos zeichnen die Ingenieure den Aufprallvorgang normalerweise mit Hochgeschwindigkeitskameras auf und führen anschließend eine detaillierte Analyse in Zeitlupe durch, um schließlich den Sicherheitsfaktor des Autos zu bewerten. Um präzise Messungen der Verzögerung zu erreichen, verwendeten die Wissenschaftler dieselbe Technik, die Schwabs Team zur Untersuchung der Augenschutzmechanismen von Spechten verwendet hatte.

Ein internationales Team unter der Leitung von Professor Wassenbergh verwendete Hochgeschwindigkeitskameras, um den gesamten Spechtvorgang dreier Spechtarten aufzuzeichnen – des Schwarzspechts (Dryocopus martius), des Buntspechts (Dryocopus major) und des nordamerikanischen Schwarzspechts (Dryocopus pilatus). Um individuelle Unterschiede zu vermeiden, wurden von jeder Spechtart zwei Exemplare ausgewählt. Um sie zu fotografieren, besuchte das Team vier Zoos in Europa und ein Labor in Kanada.

Fotografieren eines Spechts, der auf Holz pickt. Bildquelle: Erica J. Ortlieb/University of British Columbia

Die Forscher wählten drei Tracking-Punkte entlang des Schädels aus, zwei am Schnabel und einen am Auge. Beim nordamerikanischen Schwarzspecht wurde als vierter Trackingpunkt ein Punkt hinzugefügt, der die Schädelhaut bedeckt (siehe Abbildung unten). Sie analysierten die Bewegungsbahnen dieser Markierungen und berechneten die spezifischen Verzögerungswerte.

Markieren Sie die Position des Punktes auf dem Körper des Spechts.丨Bildquelle: Referenz [1]Abb. 2(a)

Um Schwankungen einzelner Daten zu vermeiden, berechneten die Wissenschaftler die Verzögerung der Spechte an diesen markierten Punkten 100 Mal und ermittelten den Durchschnittswert.

Graphik der Verzögerungswerte an markierten Punkten. Bildquelle: Referenz [1]

Wenn die Stoßdämpfungstheorie stimmt, dann sollten die Verzögerungswerte näher am Schnabel (gelb) größer und näher am Gehirn (grün) kleiner sein. Die Ergebnisse zeigten deutlich, dass an den Markierungen näher am Schädel keine signifikante Verringerung der Verzögerung im Vergleich zu den Markierungen am Schnabel festgestellt werden konnte.

Die Wissenschaftler analysierten außerdem sorgfältig den Korrelationskoeffizienten zwischen der Verzögerung der Augen und der Verzögerung in der Schnabelmitte, siehe Abbildung unten. Je näher der Korrelationskoeffizient zwischen den beiden bei 0 liegt, desto besser ist die Stoßdämpfungswirkung. je näher er bei 1 liegt, desto geringer ist die Stoßdämpfungswirkung. Der Neigungswinkel von knapp 45° im Bild zeigt, dass die Schwammknochen des Spechts vorne und hinten über keinerlei Stoßdämpfer verfügen. Der Kopf des Spechts verhält sich nicht wie ein Stoßdämpfer, sondern wie ein fester, starrer Körper. Für Laien ausgedrückt: Es ist ein Hammer.

Korrelationsanalyse zwischen der Verzögerung des Spechtauges und der Verzögerung des Schnabels während der Verzögerung | Bildquelle: Referenz [2]

Das Geheimnis der Unverwundbarkeit

Da der Kopf des Spechts selbst keine Stoßdämpfungsfunktion besitzt, stellt sich die Frage, wie er sein Gehirn vor Schäden schützt. Daten zeigen, dass die Gehirnverzögerung beim Picken eines Spechts leicht erstaunliche 400 g erreichen kann und eine Verzögerung von mehr als 135 g eine Gehirnerschütterung im menschlichen Gehirn verursachen kann (wenn die Verzögerung 400 g erreicht, wird die Gehirnmasse wahrscheinlich gleichmäßig geschüttelt).

Im Jahr 2006 wies Professor Lorna Gibson vom Massachusetts Institute of Technology darauf hin, dass der Unterschied zwischen Menschen und Vögeln hauptsächlich auf die unterschiedliche Qualität des Gehirns des Spechts und des Menschen zurückzuführen sei. Lorna Gibson führt die Fähigkeit der Vögel, solch große Verzögerungen zu tolerieren, auf drei Gründe zurück:

1. Vögel haben kleine Gehirne, wodurch die Kraft, die unter den gleichen Verzögerungsbedingungen auf das Gehirn einwirkt, reduziert wird. Die Kraft ist nicht nur zur Verzögerung, sondern auch zur Größe des Gehirns proportional.

2. Die Wirkung hält nur sehr kurz an, was die Toleranz der Vögel erhöht; (Es ist, als ob Sie Ihre Hand sofort zurückziehen, wenn Sie mit kochendem Wasser verbrüht werden. Für Menschen mag das erträglich sein, aber wenn Sie einige Minuten lang mit kochendem Wasser übergossen werden, werden Sie ins Krankenhaus gebracht.)

3. Die Länge des Gehirns in Kraftrichtung im Schädel. Die Länge des Vogelgehirns in Kraftrichtung beträgt nur etwa ein Siebtel der Länge des menschlichen Gehirns. Allein aus dieser Perspektive beträgt die Verzögerungsschwelle, der ein Vogel standhalten kann, 7 × 135 g oder etwa 1000 g.

Dieser Wert ist viel größer als die maximale Verzögerung des Spechts beim Picken. Die Evolutionstheorie hat der Spechtart ausreichende Sicherheitsvorkehrungen gegeben – wenn ein Specht versehentlich auf etwas viel Härteres als Holz pickt, beispielsweise auf eine Stahlplatte (einige Spechte tun dies), kann seine physiologische Struktur seine Sicherheit gewährleisten und verhindern, dass er sofort in Ohnmacht fällt.

Das Gesetz, dass die auf das Gehirn ausgeübte Kraft proportional zur Länge der Kraftrichtung ist, erklärt, warum es derzeit keinen Riesenspecht gibt, der tiefere Löcher hacken kann als existierende Spechtarten. Wir können mit der Methode des Widerspruchs argumentieren: Wenn sich ein Riesenspecht entwickeln würde, der tiefere Löcher hacken könnte, müsste der Specht bei gleicher Beschleunigung mit zunehmender Distanz in Kraftrichtung einen höheren intrakraniellen Druck aushalten. Wenn der Druck einen bestimmten Wert erreicht, stirbt der Specht an einer Gehirnerschütterung.

Aus einer anderen Perspektive betrachtet, hat der Mensch natürlich ein Gehirn mit solch einer großen Kapazität entwickelt und ist zum „weisen Mann“ dieses Planeten geworden, doch gleichzeitig hat sich dadurch auch die Verzögerungsschwelle, der der Mensch standhalten kann, stark verringert, was ihn anfälliger für Gehirnerschütterungen und „zerbrechlicher“ macht. Auch hierin liegt die Feinheit der Natur: Wenn ein Organismus eine bestimmte vorteilhafte Eigenschaft besitzt, geht diese oft mit einigen schwer zu überwindenden Mängeln einher.

Abschluss

Wenn wir mit dem Artikel von Professor May in The Lancet aus dem Jahr 1976 beginnen, erstreckt sich die menschliche Forschung und Erforschung des Mysteriums, warum der Specht keine Kopfschmerzen hat, über fast ein halbes Jahrhundert. Nach den kontinuierlichen Bemühungen mehrerer Wissenschaftlergenerationen gelang es den Menschen schließlich, die Regel der „Stoßdämpfungstheorie“ aufzuheben und ein wissenschaftlicheres und dreidimensionaleres Verständnis der „Geheimnisse“ der Spechte zu entwickeln. Aber die Designer von Schutzhelmen brauchen möglicherweise neue Inspiration. Schließlich handelt es sich bei der Kopfstruktur des Spechts nicht um ein stoßfesteres Modell.

Warum sollten Menschen ihre Zeit mit einem scheinbar so kleinen Problem verschwenden? Vielleicht ist es genau so, wie Professor Schwab sagte: „Wir können nicht alle Nobelpreise gewinnen, aber wir können die Welt um uns herum betrachten und Fragen stellen.“

Hauptreferenzen

[1] Sam Van Wassenbergh und Maja Mielke, Warum Spechte keine Gehirnerschütterungen bekommen, Physics Today 77 (1), 54–55 (2024).

[2] Sam. Van Wassenbergh et al., Spechte minimieren die kraniale Stoßdämpfung, Curr. Biol. 32, 3189 (2022).

[3] Ivan R Schwab Heilmittel gegen Kopfschmerzen Br. J. Ophthalmol. 86, 843; 2002.

[4] PR May et al. Spechte und Kopfverletzungen, Lancet (7957), 454–455.

[5] LJ Gibson, Woodpecker pecking: Wie Spechte Hirnverletzungen vermeiden J. Zool. 270, 462 (2006).

Dieser Artikel wird vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützt

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.

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