啄木鸟天天工作为什么不头疼？

Question

啄木鸟是生物巧妙地适应了其环境的典型例子。

Answer 1

啄木鸟是生物巧妙地适应了其环境的典型例子。达尔文在《物种起源》的引言中，便是以啄木鸟为例，说明只有自然选择才能解释生物的适应性：“譬如说，啄木鸟的脚、尾、喙和舌是如此令人赞叹地适应了从树皮之下捕捉虫子，将这样的构造也仅仅归于外部条件，则是十分荒谬的。”但是即便是达尔文，也没有想到啄木鸟的头部和眼睛构造同样是令人赞叹地适应了从树皮之下捕捉虫子。

啄木鸟好比一个锤子不停地快速敲打坚硬的树木，不仅通过啄木觅食，而且靠它在树干中挖洞建巢，还要靠它相互通讯和示威。啄木是啄木鸟最主要的活动之一，它啄木的次数一天可达1.2万次，频率达到每秒20次,每次撞击的减速力达到重力的1200倍，这相当于以每小时25公里的速度撞墙。如果人类像啄木鸟那么干的话，毫无疑问将会导致脑震荡、脑损伤、视网膜出血和视网膜脱落等一系列致命后果，啄木鸟是如何避免这些的呢？

Answer 2

啄木鸟天天啄木头是在觅食，在给树木治病。天天这样工作为何不头疼。事实上，它的头骨很硬，头骨周围有一层骨头。如果我们从内部看它，它看起来就像一个液体，所以当用木头打碎时，它会产生很大的影响，但是液体材料会有很强的缓冲力，而这两种力量会抵消其他，所以它会削弱外界撞击对它脑袋产生的攻击力。啄木鸟的下颚底部有一个软骨，这将有助于它发挥双重缓冲作用。它的眼睛也以粘多糖物质为特征。这种物质并不罕见。它可以保护眼睛，防止一些木屑进入眼睛，造成眼睛受损。更重要的是，每当啄木鸟在用嘴去啄木头表面树木材中时，它的尖端和头部总是在同一条线上，这将避免由于摇晃引起的脑膜撕裂和脑震荡。

Answer 3

首先，啄木鸟的大脑比较小，体积小的物体的表面积相对就比较大，施加在上面的压力就容易分散掉，再加上啄木鸟在啄木时，敲打方向十分地垂直，避免了因为晃动而出现扭力导致脑膜撕裂和脑震荡。

其次，啄木鸟的头骨很厚实，但是骨头中有很多小空隙，有点像海绵，可以减弱震动。另外，啄木鸟头部还进化出了一系列特殊的构造防止震动的损伤，它大脑表面有一层软脑膜，在它的外面还有一层蛛网膜，两层膜之间有一个腔隙叫蛛网膜下腔。人的蛛网膜下腔充满了脑脊液。但是啄木鸟的蛛网膜下腔很窄小，几乎没有脑脊液，这样就减弱了震波的液体传动。

Answer 4

1979年，May等人使用高速摄影机观察一种啄木鸟(Melanerpes formicivorus)啄木的过程。[1]定量分析视频后，他们发现啄木鸟的头是直线运动（最大速率6~7.5 m/s)，并在碰到木头后0.5~1.0 ms内停止。也就是说，加速度达到600~1500 g。啄木鸟可10-20次连啄，每个来回用时50ms。啄木鸟平均每天啄木次数可达12000次，却不会导致脑震荡。
（百度知道的那个回答，加速度的大小合理，但是说头部摆动速度2092 km/h就是扯淡了。来路不明的数据果然不能信啊。）

===为何啄木鸟可以承受这么大的加速度？===
2006年，L. J. Gibson研究认为原因归结于三点[2]：
(1) 脑较小，可减少高加速度带来的冲击力；
(2) 冲击的时间短；
(3) 脑与头骨的接触面大。

下面是简要的解释：
1. 脑的质量越小，加速度引起的作用力越小。
作者假设人脑与鸟脑相似，以人脑的加速度耐受阈值推断啄木鸟发生脑震荡所需要的加速度阈值（具体公式看论文），计算结果请看图：

图1 人与啄木鸟对头部冲击的耐受曲线。下面那条曲线是人发生脑震荡的加速度阈值[3]；上面那条曲线是理论上啄木鸟（Melanerpes formicivorus）发生脑震荡的加速度阈值。[2]

啄木鸟理论上可承受的加速度阈值达到4600~6000g，大于实测值（600~1500 g）。啄木鸟说，小爷只用了两层功力！

2. 冲击时间短
从图1可见，冲击时间约短，大脑可承受的加速度越大。所以啄木鸟啄这么快也是有道理的。

再看人类的加速度耐受值，似乎超过了46.2G的世界纪录（人能够忍受的极限加速度是多少？）。图1中的数据都小于20毫秒，基本属于运动或者车祸照成的冲击。而那个世界纪录是长时间的加速度耐受数据，二者并不矛盾。

3. 脑的结构

Answer 5

啄木鸟一直啄树为什么不头疼？

啄木是啄木鸟最主要的活动之一，它啄木的次数一天可达1万2千次，频率达到每秒20次，每次撞击的减速力达到重力的1200倍，这相当于以每小时25公里的速度撞墙。如果我们人类像啄木鸟那么干的话，毫无疑问将会导致脑震荡、脑损伤、视网膜出血和视网膜脱落等一系列致命后果，啄木鸟又是如何避免的呢?
啄木鸟的大脑比较小，体积小的物体的表面积相对就比较大，施加在上面的压力就容易分散掉，因此它不像人的大脑那样容易得脑震荡。啄木鸟在啄木时，敲打方向十分地垂直，可避免因为晃动出现的扭力导致脑膜撕裂和脑震荡。
啄木鸟还进化出了一系列的保护大脑和眼球免受撞击的装置。它的头骨很厚实，但是骨头中有很多小空隙，有点像海绵，可以减弱震动。大脑表面有一层膜叫软脑膜，啄木鸟头部进化出了一系列特殊的构造防止震动的损伤。在它的外面还有一层膜叫蛛网膜，两层膜之间有一个腔隙叫蛛网膜下腔。人的蛛网膜下腔充满了脑脊液。但是啄木鸟的蛛网膜下腔很窄小，几乎没有脑脊液，这样就减弱了震波的液体传动。
最奇妙的是啄木鸟的舌头。它的舌头极长，从上颚后部生出，穿过右鼻孔，分叉成两条，然后绕到头骨的上部和后部，经过颈部的两侧、下颚，在口腔中又合成一条舌头。这样的舌头就像一条橡皮筋，能够射出喙外达10厘米。显然，这条长舌头的主要用途是为了把虫子从洞中钩出来，但是在每次啄木之前舌头收缩的话，就能吸收撞击力，也是一个很好的缓冲装置。
啄木鸟的身体构造乃是在自然选择作用下长期进化的结果，研究它是如何巧妙地避免撞击带来的身体损伤，对于改进防止人类大脑损伤的保护设备，不无启发。