(Video Online 20/YouTube) Einen Schnabel gegen den Stamm eines Baumes zu schlagen, scheint eine Aktivität zu sein, die Kopf- und Kieferschmerzen sowie schwere Nacken- und Gehirnverletzungen verursachen würde. Doch Spechte können dies 20 Mal pro Sekunde tun und erleiden keine negativen Auswirkungen.
Spechte kommen weltweit in Waldgebieten vor, außer in Australien. Diese Vögel haben die ungewöhnliche Fähigkeit, mit ihren Schnäbeln in Baumstämme zu hämmern, um Löcher zu bohren, um Insekten und Saft zu extrahieren. Noch beeindruckender ist, dass sie dies tun, ohne sich selbst zu verletzen.
Wir sind Materialwissenschaftler die biologische Substanzen wie Knochen, Häute, Federn und Muscheln untersuchen, die in der Natur vorkommen. Wir interessieren uns für die Schädel- und Zungenknochenstruktur von Spechten, weil wir glauben, dass ihre ungewöhnliche Anatomie Erkenntnisse liefern könnte, die Forschern dabei helfen könnten, bessere Kopfschutzbedeckungen für Menschen zu entwickeln.
Gehirnerschütterungen bei Menschen
Spechte erleiden beim Picken viele heftige Schläge auf ihren Kopf.
Sie haben starke Schwanzfedern und Krallen, die ihnen helfen, das Gleichgewicht zu halten, während sich ihr Kopf mit einer Geschwindigkeit von 7 Metern (23 Fuß) pro Sekunde auf den Baumstamm zubewegt. Wenn dann ihr Schnabel aufschlägt, verlangsamen sich ihre Köpfe mit der etwa 1.200-fachen Schwerkraft (g).
Dies alles geschieht, ohne dass der Specht eine Gehirnerschütterung oder einen Hirnschaden erleidet.
Eine Gehirnerschütterung ist eine Form einer traumatischen Hirnverletzung, die durch wiederholte Schläge auf den Kopf verursacht wird. Es kommt häufig vor und tritt häufig bei Kontaktsportarten wie Fußball oder Hockey auf.
Wiederholte traumatische Hirnverletzungen führen schließlich zu einer fortschreitenden Hirnstörung, Chronisch traumatische Enzephalopathie (CTE) , die irreversibel ist und zu Symptomen wie Gedächtnisverlust führt, Depression , Impulsivität, Aggressivität und suizidales Verhalten.
Nach Angaben der National Football League treten Gehirnerschütterungen bei Fußballspielern bei 80 g auf. Wie überleben Spechte wiederholte Stöße von 1.200 g, ohne ihr Gehirn zu schädigen?
Wir haben nach den Schlüsselgeheimnissen der Fähigkeit des Spechts gesucht, den hohen Stoß beim Hämmern zu ertragen. Wir haben die Mikrostrukturen der Knochen untersucht und anschließend eine biomechanische Analyse am Kopf durchgeführt.
Ungewöhnliche Schädelknochen- und Zungenknochenstrukturen
Das haben wir durch den Vergleich der Schädel von Spechten und Hühnern herausgefunden Spechte verfügen über stoßabsorbierende Anpassungen das andere Vögel nicht haben. Dazu gehören spezielle Schädelknochen, Nackenmuskeln, Schnäbel und Zungenknochen.
Die Schädelknochen haben eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung und Dichte. Beispielsweise wird eine strukturelle Anpassung dadurch erreicht, dass die Ansammlung von Mineralien in den Knochen erhöht wird, um diese im Vergleich zu anderen Vögeln steifer und stärker zu machen.
Überraschenderweise ist der Schädelknochen sehr dünn und es gibt weniger Flüssigkeit, die das Gehirn vom Schädelknochen trennt als bei anderen Vögeln und Tieren. Das würde darauf hindeuten, dass der Schädel so angepasst ist, dass er gleichzeitig härter und zäher ist.
Typischerweise gibt es in der realen Materialwissenschaft einen allgemeinen Kompromiss zwischen Härte und Zähigkeit. Jedoch, Wenn sowohl harte als auch zähe Materialien am Kopf vorhanden sind, wird die auf das Gehirn übertragene Kraft verringert .
Ein zweiter Unterschied besteht darin, dass Spechte weniger innere Flüssigkeit um das Gehirn haben als andere große Tiere. Dies hilft, die Bewegung des Gehirns während des Pickens einzuschränken. Die reduzierte Flüssigkeitsmenge hat eine ähnliche Wirkung wie das Eigelb eines hartgekochten Eies, das durch Schütteln nicht beschädigt wird, im Vergleich zum Eigelb eines rohen, ungekochten Eies.
Spechte haben auch einen Knochen in ihrer Zunge, der dabei hilft, Insekten aus den Bäumen zu extrahieren. Die ungewöhnliche Zunge umschließt die Rückseite des Schädels und verankert sich vorne zwischen den Augen. Durch diese Konfiguration wirken die Zunge und ihr Knochen als Feder und dämpfen die physikalische Kraft und die damit verbundenen Vibrationen.
Verschiedene Knochenarten
Die Steifheit und Festigkeit eines typischen Skelettknochens beruht auf einer dichten Hülle aus kompaktem Knochen, die einen porösen, schwammigen Knochen umhüllt. Doch der Zungenknochen des Spechts hat die entgegengesetzte Struktur: eine flexible Hülle und einen härteren Kernknochen. Diese Inside-Out-Konfiguration Bietet eine bessere Flexibilität und kann höhere Stöße und Vibrationen absorbieren.
Unsere Arbeit legt nahe, dass der Schädel und die Zungenknochen des Spechts ungewöhnlich sind ein Beispiel für stoßfeste Strukturen, die für den Schutz des Gehirns des Spechtes beim Pickverhalten unerlässlich sind .
Derzeit arbeiten Biologen und Neurowissenschaftler aktiv daran Untersuchung des Gehirns des Spechts um zu sehen, ob es pathologische Hinweise auf Hirnverletzungen gibt – wie CTE beim Menschen.
Wir hoffen, dass diese Forschung Aufschluss darüber gibt, ob auf der Ebene von Geweben oder Zellen im Spechtgehirn andere Schutz- oder Heilungsmechanismen im Spiel sind, die hoffentlich Aufschluss darüber geben, wie menschliche Hirnverletzungen geschützt und geheilt werden können.
Professor Joanna McKittrick , ein bahnbrechender Ingenieur an der University of California San Diego und renommierter Experte für Materialwissenschaften, verstarb am 15. November 2019, kurz nach Fertigstellung dieses Artikels. Sie war 65 Jahre alt. Sie war eine leidenschaftliche Verfechterin von Frauen und unterrepräsentierten Studierenden im MINT-Bereich und eine rücksichtsvolle Mentorin. 
Joanna McKittrick , Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, Universität von Kalifornien San Diego Und Jae-Young Jung , Postdoktorand für Orthopädische Chirurgie, Universität von Kalifornien, San Francisco .
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