啄木鸟每天这样duangduang疯狂用头撞树，为啥不会脑震荡？

无意间刷到啄木鸟的这张经典照片，这个古老的问题浮上我的心头。为啥啄木鸟不会脑震荡呢？

先来直观感受下啄木鸟的战斗力：

啄出残影来有木有 | 图自[14]

有的同学可能要说了，树木毕竟是硬度不高，没那么严重吧，你啄个石头试试！哎，还别说，真有啄墙的：

鸟型震楼器 | 图自网络

甚至曾经发生过住户听见持续不断的敲击声，误以为是邻居在制造噪音，就吵起来了。结果发现是啄木鸟干的好事。

当啄木鸟头铁起来：

头铁的啄木鸟 | 图自网络

看了啄木鸟这般表现，任谁都可能要为啄木鸟的脑袋担心一番。这个频率和力道，可不得把脑子摇匀了？

图片的展示能力有限，早在1979年，就有学者对啄木鸟啄树的速度做了定量观测，发现啄击的最高速度可达6-7m/s，喙撞击在树上的那刻要承受1000g（g为重力加速度，约为9.8m/s²）的加速度[1]。

更恐怖的是，啄木鸟可以以一秒20次的频率完成这样的啄击，平均每天大概要啄12000次[2]。这种高强度的反复撞击，可能将给眼球，视网膜，大脑神经、血管等等地方带来极大的压力。

大家可能一时对这个6-7m/s速度没有什么概念，举一些不太严谨的例子，就好比我们以2min30s的配速跑1km体测时，突然撞到了一棵树上；或者是根据，相当于从1.8m的床上掉了下去（高中大学宿舍双层床的高度正好就是如此）

肉眼可见的疼 | 图自[15]

撞多了的狗子直接不敢出门 | 图源网络

一个字：疼！恐怖的是，啄木鸟每天还要这样撞12000次，这就让人非常好奇了！人们也期待对啄木鸟的研究可以帮助制造更好的头盔、更好的抗震动器件；此外，对这个问题的研究对于人类脑震荡的医疗也可能有帮助。很多运动如足球、橄榄球、拳击也可能存在严重的头部伤害。

针对这个问题的科学研究还真不少，涉及力学、生物学、医学等多个领域，相关工作还获得了2006年的搞笑诺贝尔奖（IgNobel Prizes）[4][5]。人们对这个问题的认识也经历了有趣的转变化。但是，至今也不能完整回答这个问题[3]！

如果最简单地想，问题的重点大概在啄木鸟的头部构造、啄击技术上，当然，还有鸟类相比人类可能的小尺寸效应上。

奇特的头部构造

当人们去仔细研究啄木鸟头部的肌肉骨骼构造后，很快发现了好几个可能有利于抵抗撞击的特质。其中最受人们关注的是喙和头骨之间的海绵状骨骼：

啄木鸟骨骼示意图，绿色部分为海绵状骨骼 | 图自[3]

该骨骼具有多孔结构，很有可能在啄击的过程中，充当了海绵的作用，很大程度上吸收了冲击！大家为这个发现感到非常高兴，甚至材料学领域也开始支持这一观点并开始评估这种结构在减震复合材料制造中的作用[6].

缓冲减震的观点是如此自然，以至于很长一段时间内都没有人怀疑这一点；在早些年铺天盖地的科普中，也到处都是这样的观点[7][8]，在网上随手一查即可查到很多。

但是仔细想想，可能就会发现问题：没错，缓冲措施是能够有效减少大脑的损伤，但是如果这里海绵状骨骼真的吸收了部分“冲击”，通过喙传导到树上的冲击不也就变少了嘛！就好像锤子被分成两半，中间用弹簧连起来，那么远离锤击点的那部分铁块的能量就不能很快传导到锤击点，这样将很大程度上减少锤子打出的力量。

终于到2022年，有工作[3]仔细地研究了啄木鸟啄击的过程中到底是否有减震措施的存在。

利用高速摄影机追踪喙和头部不同点的位置和速度 | 图自[3]

研究用高速摄影机拍摄不同品种啄木鸟的100多段啄击视频进行分析，并对特定点位进行追踪，结果令人惊讶：这些点位的加速与减速完全是同步的！也就是说，中间并不存在一个缓冲区，整个头部构成了一个坚实的整体！

该团队还仔细地研究了存在缓冲机制对啄击效率的影响：

固定头部动量时，弹簧的劲度系数与木头穿透深度和吸收冲击效率之间的关系 | 图自[3]

计算表明，缓冲本身将会降低啄击效率！这个事实是这样地出乎意料之外，又在情理之中。啄木鸟为了更好的啄击性能，选择将头部打造成更紧凑的“刚体”，去掉缓冲部分。而“缓冲”观点因为种种原因广泛传播，过了这么久才被质疑，也是科学发展和传播中非常有趣的现象。

那啄木鸟就没有其他减少大脑所受冲击的结构了吗？当然还是有不少观点说有的，比如被广泛承认的：

大脑颅骨紧密说

啄木鸟的大脑和颅骨的结合更加紧密，有更少的脑脊液，使得大脑更不容易与颅骨发生相对运动从而减小伤害[12]。

还有很多其他的观点。但是经过以上的教训可以看到，有些观点乍看似合理，但是还是要经过定量的分析和精密的观测来支撑。比如网上很容易找到很多以下观点：

肌肉传递说

在喙撞击树木的瞬间会收缩，将产生的冲击传导到头骨的下部和后方跳过大脑。这个说法过于定性，也有观点持相反意见，认为啄木鸟并没有非常发达的头部和颈部肌肉。

舌骨缠绕说

有观点认为舌头紧密的缠绕后可以充当“安全带的作用”[12]。

啄木鸟的舌头极其有特点[10][11]！路径方面，和一般生物的直接从嘴里伸出不同，啄木鸟的舌头从上颌骨出发，然后从右鼻孔穿出，分叉从颅骨后面绕过后，再从脖子两侧回来合二为一后从嘴里伸出去！（小编第一次知道的时候大为震撼）就是这样子的：

啄木鸟舌头结构示意图 | 图源[11]

垂直撞击说

啄木鸟每次啄击时，喙与表面几乎完美垂直，保证了大脑不受到切向力。这个观点受到一定挑战，有人经过三维分析发现，实际上有一定的旋转[12]。

这三条听起来都挺符合直觉的，但是是否成立、或者该因素占多大比重，还是要经过严谨的定量分析呀！查了好久的资料总是感觉这几条差点意思，并未找到严格计算或实验支撑。下次大家再见到这些观点，记得问一句，你的参考文献在哪里呢？

尺寸效应

从结构那里看起来我们并没有获得一个简洁的答案，是不是有同学迫不及待地想要仔细分析下另一个很容易想起来的因素了：那就是尺寸效应！

日常生活中我们也有这样的经验，小的东西，它往往更结实嘛！手机摔一下和电脑摔一下，肯定不是一个性质。生物界也是如此，人摔一下大概率没啥事儿，大象摔一下则有骨折的风险。

同样，很容易想到，啄木鸟的脑子比人小那么多的嘛毕竟！小了之后，就可以拥有更大的比表面积来分担压力。跟随文献[13]的推导，我可以做一点简单的计算。

将大脑近似看作球形，假设承受撞击时，承受压力的主要面积（为冠状）所占总表面积的比例是相同的，假设为，并假设大脑受损伤的上临界压强对于人和啄木鸟是相同的，同为，分别用和来作为下标来标记人和啄木鸟，则

中等体型的啄木鸟的大脑质量和半径分别为，人脑的质量和半径分别为，可以得到。也就是说，啄木鸟可以承受的加速度临界值为人类的10倍！当然了，只谈加速度不谈时间是无法估计损伤的。人们在汽车碰撞试验中得到如下经验公式（Gadd Severity Index）来估计损伤的程度：

则可以得到啄木鸟的脑损伤容限是人脑的倍！实际上不止如此，啄木鸟大脑的形状区别和人类有较大差别，有更大比例的表面积可以承受冲击。

人脑和鸟类承受加速度时压力分布示意图 | 图自[3]

当然啦，以上推导比较粗略，如今有限元分析法等精准的建模手段可以分析力学过程中的受力分布，有不少工作给出了在某些角度给出了分析[12][13]。

撞击后喙和颅骨感受到的应力变化 | 图自[12]

总而言之，因为啄木鸟极高的脑损伤容限，平时的啄击根本达不到这个阈值！尺寸效应给啄木鸟头部超强的抗冲击能力提供了坚实基础。也期待相关的力学计算可以分析头部结构的影响，给这个问题一个更完整的答案！

啄木鸟的亿点点小细节

除了抗震的大脑外，啄木鸟还有哪些神奇能力呢？

1

啄木鸟的舌头可以伸出超过喙长三倍的距离，舌头前端有倒刺，可以高效吃到洞里的虫子。

有一点点吓人 | 图自[11]

高效吃虫 | 图自网络

2

喜欢在树上边打洞储存橡果的是橡树啄木鸟。

橡树啄木鸟在存橡果 | 图自网络

3

啄木鸟在啄击的瞬间会闭上眼，保护眼睛不受溅射的木刺的伤害。

图自网络

4

有没有想过这个问题，啄木鸟嘴会不会卡树里拔不出来哈哈哈！真有研究者仔细观察过这个事情，发现啄木鸟会将头轻微旋转几度，进一步制造出空隙，来顺利抽出鸟喙。

5

啄木鸟也会给健康的树开个口子，用来吸引虫子；此外，吉拉啄木鸟还会吸食幼鸟脑髓（之前就想过这么强有力的喙用来攻击会咋样，没想到还是被震惊到了），比较惊悚，就不放图了。

是不是感觉森林医生鸟设崩塌哈哈哈！当然啦，种类不同习性不同，不能一概而论，我们也不能站在主观的视角去评判害鸟益鸟，毕竟大自然是残酷的~

写在最后

啄木鸟较小的头部和大脑尺寸，带来了远超过人类的抗冲击能力；加上特殊的头部构造，进一步协同加强了稳定能力，相应的定量分析蹲一蹲更多的研究；需要注意的是，之前人们预想并广为流传的缓冲机制被强有力的证据表明是有问题的，这与啄击效率是冲突的。

科学的发展是曲折的，那些定性符合直觉的论断终究要接受定量的检验，从而让我们更靠近真相。

啄木鸟为啥不会得脑震荡？如此看来，这个问题距离完全弄清楚还远，说不定哪一天某个因素又被推翻了。当然以上分析只针对单次啄击，别忘了，啄木鸟可能一天要这样啄击12000次，如此庞大的数量肯定会导致微小的损伤。目前的研究也倾向于支持脑损伤并不是完全没有，而是一定程度存在。啄木鸟是如何修复大脑相应的微小损伤的呢？又是如何防止喙变形的呢？期待对这些问题的更多研究能为医学、材料等领域带来更多启发~

参考文献：

[1] May P R A, Fuster J M, Haber J, et al. Woodpecker drilling behavior: an endorsement of the rotational theory of impact brain injury[J]. Archives of Neurology, 1979, 36(6): 370-373.

[2] Gibson L J. Woodpecker pecking: how woodpeckers avoid brain injury[J]. Journal of Zoology, 2006, 270(3): 462-465.

[3] Van Wassenbergh S, Ortlieb E J, Mielke M, et al. Woodpeckers minimize cranial absorption of shocks[J]. Current Biology, 2022, 32(14): 3189-3194. e4.

[4] May P R A, Newman P, Fuster J M, et al. Woodpeckers and head injury[J]. The Lancet, 1976, 307(7957): 454-455.

[5]搞笑诺贝尔奖2006年获奖名单（https://improbable.com/ig/winners/#ig2006）

[6] Wang L, Niu X, Ni Y, et al. Effect of microstructure of spongy bone in different parts of woodpecker's skull on resistance to impact injury[J]. Journal of Nanomaterials, 2013, 2013: 17-17.

[7] 刘谊人,蒋忠平.啄木鸟为何不会“脑震荡”[J].建筑工人,2011,32(09):50.

[8] 杨华.为什么啄木鸟不会得脑震荡[J].科学之友,2006,(05):50.

[9]为什么啄木鸟不会得脑震荡？（内含施工动图）(https://www.guokr.com/article/449305/)

[10] Zhou P, Kong X Q, Wu C W, et al. The novel mechanical property of tongue of a woodpecker[J]. Journal of Bionic Engineering, 2009, 6(3): 214-218.

[11] 啄木鸟的舌头那么奇葩，对它来说有什么好处? - 知乎 (http://zhihu.com)

[12] Lizhen Wang, et al. Why Do Woodpeckers resist head impact injury: A biomechanical investigation, PLoS ONE 6(10): e26490. doi:10.1371/journal.pone.0026490, 2011

[13] 余同希.啄木鸟为什么能避免脑损伤?[J].力学与实践,2012,34(03):86-87.

[14] 噔噔噔，近距离看啄木鸟凿树名场面(https://www.bilibili.com/video/BV1ZU4y1f7Pj/?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=20b27633457fdd53f9cb8bc0199f7c07)

[15] 狗子撞门(https://www.bilibili.com/video/BV1Fs4y1n7TE/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=20b27633457fdd53f9cb8bc0199f7c07)

编辑：小范

来源：知乎 www.zhihu.com
作者：中科院物理所

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