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啄木鸟为什么可以高速撞击树干而不受损伤呢?

动物世界2018-11-11 13:20:52

林中,我们经常会听到“哒哒哒,哒哒哒……”的声音,是啄木鸟用嘴敲击树干发出的声音,通过敲击听声音它能准确寻找到害虫躲藏的位置。



摄影 /亦诺


如果发现树干的某处有虫,啄木鸟就紧紧地攀在树上,头和嘴与树干几乎垂直。一般的鸟类都足生四趾,三趾朝前,一趾向后;而啄木鸟的四趾,两个向前,两个向后,也有比较少见的三趾啄木鸟是两在前,一趾在后,尖上都有锐利的钩爪,它的尾呈楔形,羽轴硬而富有弹性,攀爬时成了支撑身子的柱。


摄影 /张相茹


这样,啄木鸟就可以有力地抓住树干不至于滑下来,还能够在树干上跳动,沿着树干快速移动,向上跳跃,向下反跳,或者向两侧转圈爬行。


摄影 /张相茹


啄木鸟的嘴强直而尖,不仅能啄开树皮,还能啄开坚硬的木质部分,很像木工用的凿子。而其舌头很长,可将害虫用舌头钩出来吃掉,将虫卵也用粘液粘出。


它们一般要把整株树的小囊虫彻底消灭才转移到另一棵树上,碰到虫害严重的树,就会在这棵树上连续工作上几天,直到全部清除害虫为止。啄木鸟真是除虫害的好鸟,森林卫士,该好好保护它们。


就在最近网上热传,高速摄影机拍到的啄木鸟工作的动态图,揪得千万网友的心生疼......“单单看一眼都觉得头疼,真的太拼了!”有网友留言,“真担心鸟会得脑震荡”!!有的女生看得哭了!网友这么“感同身受”啄木鸟造吗?难道啄木鸟是用脑壳用生命在捉虫?



不忍看哪!


不是的!好心的网友尽可放心。在这貌似极端自虐的过程中,啄木鸟可以“毫发无损”,既不会得脑震荡,也不会头痛。


先看一下来自科技杂志PLoS ONE的数据。


啄木鸟啄击过程中头部有效压力分布

啄木鸟一天敲击树木500--600次,每次速度达到13875px/秒,而头部摇动的速度更快,达14500px/秒,在0.5毫秒中承受1500倍重力加速度。在啄木时其瞬间加速度可高达10002000g,每次撞击频率18-22赫兹。其每次啄食树木相当于人类头部每次以25公里/小时的速度撞击墙壁。


啄木鸟为什么可以高速撞击树干而不受损伤呢?


原因


摄影/ 武刚

这是由啄木鸟特殊的头部构造决定的。


先说其头骨。其头骨的内部有一层坚韧的外脑膜,在外脑膜和大脑之间有一条狭窄的空隙,里面含有液体,减低了震波的流体传动,对外力能起缓冲和消震作用。而这个外脑膜,其上下尺寸长于前后的尺寸,使作用在头骨上的力量被更好的分散了。


摄影 /张相茹


其头骨由骨密质和骨松质组成,为一层绵状骨骼,这种骨骼结构缓冲了冲击力,保护脑部。这是不同于其它鸟类的海绵状的结构,可使头骨更有“弹性”。


摄影/ 张相茹


此外,环绕整个头骨还有舌骨结构,在冲击中起到安全带的作用。舌骨从鸟嘴下面开始一直延续到鼻孔,分布于头骨的下面和四周,越过头骨顶部最终在前额处汇合。人类只有喉结上方存在这种骨骼。


由于突然旋转的运动比直线的水平运动更容易造成脑损伤,在它头的两侧都生有发达而强有力的肌肉,可以起到防震、消震的作用。此外,把喙尖和头部始终保持在一条直线上,使其在啄木时头部严格地进行直线运动。


摄影 /张相茹

其鸟喙上下两半不对称,下喙承载部分比上喙长,且更坚硬。撞击时,应力集中于下颚,避免撞击力传导到脑部造成脑损伤。


在这种保护结构下,即使有少量碰撞能量进入大脑区域,也最终以热量形式消散,使大脑快速升温。这是为什么啄木鸟必须间歇性啄木,进行短暂休息的原因。以上因素共同发挥的作用,保证了啄木鸟的啄食动作对头部不会产生任何伤害,缺一不可。


人类从啄木鸟学到了什么


摄影 / 亦诺


对于啄木鸟头部抗冲击的生物力学机制的深入研究将有助于交通事故、航空救生等领域对人体头部冲击性损伤机制的认识及对防护措施、设备的改进。


例如,现代的防护帽都具有一个坚硬的外壳,里面有一个松软的套具,它们之间留有一定的空隙,帽中再加上一个防护领圈,以防止在突然碰撞时造成旋转运动,这是从啄木鸟研究中得到的启示。


摄影 /张相茹


根据啄木鸟舌骨构造设计的汽车座椅,通过改变发生碰撞时交通设施的受力点,避免冲击力被传导到驾驶室等人员所在的位置,以此达到保护乘客颈部和头部的作用,避免在发生碰撞时颈椎受伤;啄木鸟颅骨特殊的密度结构,可应用于材料的设计制作上,使交通设施的材质更便于吸收冲击力。


本文内容转自:自然野趣




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