Der Specht schlägt gegen den Baum, warum ist das in Ordnung? Es stellt sich heraus, dass wir viele Jahre lang getäuscht wurden …

Ich bin zufällig auf dieses klassische Foto eines Spechts gestoßen und mir kam diese uralte Frage in den Sinn. Warum bekommen Spechte keine Gehirnerschütterungen?

Lassen Sie uns zunächst intuitiv die Kampfkraft des Spechts spüren:

Bleibt durch das Picken ein Nachbild zurück? | Bild aus [14]

Manche Leute sagen vielleicht, Bäume seien schließlich nicht sehr hart, so schlimm sei es nicht, versuchen Sie doch mal, auf einen Stein einzuhacken! Oh, wissen Sie was, da sind ein paar Leute, die an der Wand picken:

Vogelförmiger Bauschüttler

Es gab sogar einen Fall, in dem ein Bewohner ständig Klopfgeräusche hörte und fälschlicherweise dachte, seine Nachbarn würden Lärm machen, woraufhin sie anfingen zu streiten. Es stellte sich heraus, dass die Tat ein Specht war.

Wenn der Specht stur wird:

Hartkopfspecht

Angesichts der Darbietung des Spechts würde sich wahrscheinlich jeder Sorgen um seinen Kopf machen. Diese Frequenz und Kraft muss Ihr Gehirn erschüttern, nicht wahr?

Die Anzeigekapazität des Bildes ist begrenzt. Bereits 1979 führten Wissenschaftler quantitative Untersuchungen zur Geschwindigkeit von Spechten durch, die auf Bäume picken, und fanden heraus, dass die maximale Hackgeschwindigkeit 6 bis 7 m/s erreichen kann. In dem Moment, in dem der Schnabel auf den Baum trifft, muss er einer Beschleunigung von 1000 g standhalten (g ist die Erdbeschleunigung, etwa 9,8 m/s²).

Noch erschreckender ist, dass Spechte solche Pickstöße mit einer Frequenz von 20 Mal pro Sekunde ausführen können, also durchschnittlich etwa 12.000 Mal am Tag. Diese Art von wiederholten Stößen mit hoher Intensität kann großen Druck auf den Augapfel, die Netzhaut, die Gehirnnerven, die Blutgefäße usw. ausüben.

Möglicherweise haben Sie im Moment keine Ahnung von der Geschwindigkeit von 6–7 m/s. Um einige weniger strenge Beispiele zu nennen: Es ist , als würden wir für einen körperlichen Test 1 km mit einer Geschwindigkeit von 2 Minuten und 30 Sekunden laufen und plötzlich gegen einen Baum stoßen. Oder den Daten zufolge entspricht es einem Sturz von einem 1,8 m hohen Bett (die Höhe der Etagenbetten in den Wohnheimen von Gymnasien und Universitäten beträgt genau diese Höhe).

Sichtbarer Schmerz | Bild aus [15]

Ein Wort: Schmerz! Das Erschreckende daran ist, dass der Specht dies 12.000 Mal am Tag tut, was die Leute sehr neugierig macht! Man geht außerdem davon aus, dass die Forschung an Spechten zur Entwicklung besserer Helme und besserer Antivibrationsvorrichtungen beitragen kann. Darüber hinaus könnte die Forschung zu diesem Thema auch für die Behandlung menschlicher Gehirnerschütterungen hilfreich sein. Auch viele Sportarten wie Fußball, Rugby und Boxen können zu schweren Kopfverletzungen führen.

Zu diesem Thema gibt es zahlreiche wissenschaftliche Studien aus vielen Bereichen, beispielsweise der Mechanik, Biologie und Medizin. Die damit verbundene Arbeit wurde 2006 auch mit dem Ig-Nobelpreis ausgezeichnet. Auch das Verständnis der Menschen für dieses Thema hat interessante Veränderungen erfahren. Allerdings lässt sich diese Frage derzeit noch nicht abschließend beantworten!

Wenn wir es ganz einfach betrachten, liegt der Schwerpunkt des Problems wahrscheinlich auf der Kopfstruktur des Spechts, seiner Hacktechnik und natürlich auf dem möglichen Größeneffekt der Vögel im Vergleich zum Menschen.

Seltsame Kopfstruktur

Bei genauerer Betrachtung des Bewegungsapparats im Kopf des Spechts wurden rasch mehrere Merkmale entdeckt, die ihm möglicherweise dabei helfen, Stößen standzuhalten. Der interessanteste Teil ist der schwammartige Knochen zwischen Schnabel und Schädel .

Schematische Darstellung des Spechtskeletts. Der grüne Teil ist der schwammartige Knochen. Bild aus [3]

Der Knochen hat eine poröse Struktur und es ist sehr wahrscheinlich, dass er während des Pickvorgangs wie ein Schwamm gewirkt hat und den Aufprall größtenteils absorbiert hat ! Alle waren von dieser Entdeckung sehr begeistert und sogar die Materialwissenschaften begannen, diese Ansicht zu unterstützen und die Rolle dieser Struktur bei der Herstellung stoßdämpfender Verbundwerkstoffe zu bewerten.

Die Idee der Dämpfung war so selbstverständlich, dass lange Zeit niemand daran zweifelte . In der überwiegend populärwissenschaftlichen Forschung der Anfangsjahre waren derartige Ansichten allgegenwärtig, und mit einer einfachen Suche im Internet lassen sich viele davon finden.

Wenn Sie jedoch sorgfältig darüber nachdenken, werden Sie möglicherweise auf das Problem stoßen: Zwar können Dämpfungsmaßnahmen Hirnschäden wirksam verringern, aber wenn der schwammartige Knochen hier tatsächlich einen Teil des „Aufpralls“ absorbiert, würde dann nicht der Aufprall, der über den Schnabel auf den Baum übertragen wird, verringert werden? Es ist, als wäre ein Hammer in zwei Hälften geteilt und in der Mitte durch eine Feder verbunden. Die Energie des vom Hammerpunkt entfernten Teils des Eisenblocks kann nicht schnell zum Hammerpunkt übertragen werden, wodurch die vom Hammer ausgeübte Kraft erheblich reduziert wird.

Schließlich wurde im Jahr 2022 sorgfältig untersucht, ob es beim Pickvorgang des Spechts stoßdämpfende Maßnahmen gibt.

Verwendung einer Hochgeschwindigkeitskamera zur Verfolgung der Position und Geschwindigkeit verschiedener Punkte am Schnabel und Kopf | Bild aus [3]

Im Rahmen der Studie wurden mit Hochgeschwindigkeitskameras über 100 Videos vom Picken verschiedener Spechtarten aufgenommen, analysiert und bestimmte Punkte verfolgt. Die Ergebnisse waren überraschend: Die Beschleunigung und Verzögerung dieser Punkte waren vollständig synchronisiert ! Mit anderen Worten: Es gibt keine Pufferzone in der Mitte und der gesamte Kopf bildet ein festes Ganzes!

Das Team untersuchte außerdem sorgfältig die Auswirkungen des Vorhandenseins eines Puffers auf die Effizienz beim Picken:

Beziehung zwischen Federsteifigkeitskoeffizient, Holzeindringtiefe und Stoßabsorptionseffizienz bei festgelegtem Kopfimpuls | Abbildung aus [3]

Berechnungen zeigen, dass der Puffer selbst die Effizienz beim Picken verringert ! Diese Tatsache ist so unerwartet, aber dennoch vernünftig. Um seine Pickleistung zu verbessern, beschließt der Specht, seinen Kopf zu einem kompakteren „starren Körper“ zu formen und den Pufferteil zu entfernen. Die „Puffer“-Ansicht war aus verschiedenen Gründen weit verbreitet und wurde bis vor langer Zeit nicht in Frage gestellt. Dies ist auch ein sehr interessantes Phänomen in der Entwicklung und Verbreitung der Wissenschaft.

Verfügt der Specht also nicht über andere Strukturen, um die Auswirkungen auf das Gehirn zu verringern? Natürlich gibt es noch viele andere Meinungen, wie zum Beispiel die allgemein anerkannte:

1

Theorie der Gehirn-Schädel-Enge

Das Gehirn des Spechts ist fester mit dem Schädel verbunden und enthält weniger Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit. Dadurch ist es weniger wahrscheinlich, dass sich das Gehirn im Verhältnis zum Schädel bewegt, was zu geringeren Schäden führt.

Es gibt viele andere Standpunkte. Aus den obigen Lektionen können wir jedoch ersehen, dass manche Ansichten auf den ersten Blick vernünftig erscheinen, aber dennoch durch quantitative Analysen und genaue Beobachtungen untermauert werden müssen, wie beispielsweise die folgenden.

2

Muskelübertragungstheorie

Der Schnabel zieht sich in dem Moment zusammen, in dem er gegen einen Baum prallt, und überträgt den Stoß auf den unteren und hinteren Teil des Schädels, wobei das Gehirn übersprungen wird. Diese Aussage ist zu qualitativ. Es gibt auch gegenteilige Ansichten darüber, dass Spechte keine sehr ausgeprägte Kopf- und Nackenmuskulatur hätten.

3

Theorie der Zungenbeinverschränkung

Es gibt auch die Ansicht, dass die eng umschlossene Zunge als „Sicherheitsgurt“ fungieren kann.

Die Zunge des Spechts ist äußerst charakteristisch! Was den Verlauf betrifft, so beginnt die Zunge des Spechts im Gegensatz zu den meisten Lebewesen, die ihre Zunge direkt aus dem Maul strecken, am Oberkiefer, verläuft dann durch das rechte Nasenloch, gabelt sich, umrundet die Rückseite des Schädels, kommt dann auf beiden Seiten des Halses zurück, verschmilzt zu einer einzigen Zunge und streckt sie schließlich aus dem Maul! (Wie unten gezeigt)

Schematische Darstellung des Zungenaufbaus eines Spechts | Quelle [11]

4

Vertikale Aufpralltheorie

Bei jedem Pickstoß wird der Schnabel des Spechts nahezu perfekt senkrecht zur Oberfläche gehalten, wodurch sichergestellt wird, dass das Gehirn keinen tangentialen Kräften ausgesetzt ist. Diese Ansicht wurde teilweise in Frage gestellt, da einige Leute durch dreidimensionale Analysen herausfanden, dass tatsächlich ein gewisser Grad an Rotation vorliegt.

Diese drei Punkte klingen alle recht intuitiv, doch ob sie zutreffen oder welchen Anteil sie ausmachen, bedarf noch immer einer strengen quantitativen Analyse, und es wurden bisher keine strengen Berechnungen oder experimentellen Belege dafür gefunden.

Größeneffekt

Es scheint, dass wir aus der Struktur keine präzise Antwort erhalten. Gibt es Studenten, die es kaum erwarten können, einen weiteren Faktor, der leicht zu erraten ist, sorgfältig zu analysieren: den Größeneffekt!

Auch wir machen im Alltag die Erfahrung: Kleine Dinge sind oft stärker! Das Fallenlassen eines Mobiltelefons und das Fallenlassen eines Computers sind definitiv nicht dasselbe. Dasselbe gilt in der biologischen Welt. Bei einem Sturz passiert einem Menschen höchstwahrscheinlich nichts, bei einem Sturz eines Elefanten besteht jedoch die Gefahr von Knochenbrüchen.

Ebenso kann man sich leicht vorstellen, dass das Gehirn eines Spechts doch viel kleiner ist als das eines Menschen! Wenn es kleiner ist, kann es eine größere spezifische Oberfläche haben, um den Druck zu verteilen. Nach der Herleitung aus der Literatur kann ich einige einfache Berechnungen durchführen.

Nehmen wir an, dass das Gehirn annähernd kugelförmig ist, und nehmen wir an, dass das Verhältnis der Hauptfläche (Koronal), die dem Druck ausgesetzt ist, zur Gesamtoberfläche beim Aufprall gleich ist, und nehmen wir an, dass es ar² ist, und nehmen wir an, dass der obere kritische Druck für eine Hirnschädigung bei Menschen und Spechten gleich ist, beide Pc, und verwenden wir h und w als Indizes, um Menschen bzw. Spechte zu kennzeichnen, dann

Die Masse und der Radius des Gehirns eines mittelgroßen Spechts betragen 2 g bzw. 7 mm, während die Masse und der Radius eines menschlichen Gehirns 1400 g bzw. 60 mm betragen. Mit anderen Worten: Der kritische Beschleunigungswert, dem ein Specht standhalten kann, ist zehnmal so hoch wie der des Menschen!

Natürlich ist es unmöglich, den Schaden abzuschätzen, indem man nur über die Beschleunigung spricht, ohne die Zeit zu berücksichtigen. Bei Autokollisionstests hat man zur Abschätzung des Schadensausmaßes folgende empirische Formel (Gadd Severity Index) ermittelt:

Man kann den Schluss ziehen, dass die Toleranz des Spechts gegenüber Hirnschäden um ein Vielfaches höher ist als die des menschlichen Gehirns! Tatsächlich gibt es noch mehr. Die Form des Gehirns des Spechts unterscheidet sich deutlich von der des Menschen und ein größerer Anteil der Oberfläche ist stoßfest.

Schematische Darstellung der Druckverteilung bei Beschleunigung des menschlichen Gehirns und des Vogels | Bild aus [3]

Natürlich ist die obige Herleitung relativ grob. Heutzutage können präzise Modellierungsmethoden wie die Finite-Elemente-Analyse die Kraftverteilung in mechanischen Prozessen analysieren.

Veränderungen der Belastung von Schnabel und Schädel nach einem Aufprall | Bild aus [12]

Kurz gesagt: Da Spechte eine extrem hohe Toleranz gegenüber Hirnschäden haben, kann ihr normales Picken diesen Schwellenwert einfach nicht erreichen! Der Größeneffekt bildet eine solide Grundlage für die enorme Schlagfestigkeit des Spechtkopfes. Wir hoffen außerdem, dass relevante mechanische Berechnungen die Auswirkungen der Kopfstruktur analysieren und eine umfassendere Antwort auf diese Frage liefern können!

Die "Milliarden" kleinen Details des Spechts

Welche anderen erstaunlichen Fähigkeiten besitzen Spechte neben ihrem erdbebensicheren Gehirn?

Die Zunge des Spechts kann mehr als dreimal so lang sein wie sein Schnabel und hat an der Vorderseite Widerhaken, die es ihm ermöglichen, Insekten in Löchern effizient zu fressen.

Effizientes Insektenfressen.

Der Eichenspecht gräbt gerne Löcher in Bäume, um Eicheln zu lagern.

Eichenspechte legen Eicheln als Vorrat an.

Der Specht schließt im Moment des Pickens die Augen, um seine Augen vor den umherfliegenden Holzsplittern zu schützen.

Haben Sie schon einmal über diese Frage nachgedacht: Bleibt der Schnabel des Spechts im Baum stecken und kann nicht mehr herausgezogen werden? Hahaha! Es gibt Forscher, die dieses Phänomen sorgfältig beobachtet haben und herausgefunden haben, dass Spechte ihren Kopf leicht um einige Grad drehen, um eine Lücke zu schaffen, aus der sie ihren Schnabel sanft herausziehen können.

Spechte schneiden auch in gesunde Bäume, um Insekten anzulocken. Darüber hinaus saugt der Gila-Specht das Gehirn seiner Jungen aus (ich hatte mir vorher schon Gedanken darüber gemacht, was passieren würde, wenn ein so kräftiger Schnabel zum Angriff eingesetzt würde, aber ich war trotzdem schockiert). Es ist ziemlich gruselig, deshalb werde ich das Bild nicht posten.

Haben Sie das Gefühl, dass das „Vogel-Setting“ von Forest Doctor zusammengebrochen ist? Natürlich haben unterschiedliche Arten unterschiedliche Gewohnheiten, daher können wir keine Verallgemeinerungen treffen. Ob Vögel schädlich oder nützlich sind, können wir aus subjektiver Sicht nicht beurteilen. Schließlich ist die Natur grausam.

Verweise

[1] May PRA, Fuster JM, Haber J, et al. Bohrverhalten von Spechten: eine Bestätigung der Rotationstheorie der Aufprall-Hirnverletzung[J]. Archives of Neurology, 1979, 36(6): 370-373.

[2] Gibson L J. Woodpecker pecking: wie Spechte Hirnverletzungen vermeiden[J]. Journal of Zoology, 2006, 270(3): 462-465.

[3] Van Wassenbergh S., Ortlieb EJ, Mielke M. et al. Spechte minimieren die kraniale Stoßdämpfung[J]. Current Biology, 2022, 32(14): 3189-3194. e4.

[4] May PRA, Newman P, Fuster JM, et al. Spechte und Kopfverletzungen[J]. The Lancet, 1976, 307(7957): 454-455.

[5] Liste der Gewinner des Ig-Nobelpreises 2006 (https://improbable.com/ig/winners/#ig2006)

[6] Wang L, Niu X, Ni Y, et al. Einfluss der Mikrostruktur des schwammartigen Knochens in verschiedenen Teilen des Spechtschädels auf die Widerstandsfähigkeit gegen Aufprallverletzungen [J]. Journal of Nanomaterials, 2013, 2013: 17-17.

[7] Liu Yiren, Jiang Zhongping. Warum Spechte keine Gehirnerschütterungen erleiden[J]. Bauarbeiter, 2011, 32(09):50.

[8] Yang Hua. Warum Spechte keine Gehirnerschütterungen bekommen[J]. Freunde der Wissenschaft, 2006, (05): 50.

[9]Warum bekommen Spechte keine Gehirnerschütterungen? (Enthält eine Bauanimation) (https://www.guokr.com/article/449305/)

[10] Zhou P, Kong XQ, Wu CW, et al. Die neuartige mechanische Eigenschaft der Zunge eines Spechts [J]. Journal of Bionic Engineering, 2009, 6(3): 214-218.

[11] Die Zunge des Spechts ist so seltsam, was hat sie für einen Zweck? - Zhihu (zhihu.com)

[12] Lizhen Wang, et al. Warum Spechte Kopfverletzungen durch Aufpralle widerstehen: Eine biomechanische Untersuchung, PLoS ONE 6(10): e26490. doi:10.1371/journal.pone.0026490, 2011

[13] Yu Tongxi. Warum können Spechte Hirnschäden vermeiden? [J]. Mechanik und Praxis, 2012, 34(03): 86-87.

[14] Tada! Eine Nahaufnahme der berühmten Szene, in der ein Specht einen Baum meißelt (https://www.bilibili.com/video/BV1ZU4y1f7Pj/?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=20b27633457fdd53f9cb8bc0199f7c07)

[15] Hund schlägt gegen die Tür (https://www.bilibili.com/video/BV1Fs4y1n7TE/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=20b27633457fdd53f9cb8bc0199f7c07)

Planung und Produktion

Quelle: Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Autor: Xiao Fan

Herausgeber: Yinuo