キツツキが木にぶつかっても、なぜ大丈夫なのでしょうか?どうやら私たちは長年騙されていたようです…

偶然、このキツツキの古典的な写真に出会い、この古くからの疑問が頭に浮かびました。キツツキはなぜ脳震盪を起こさないのでしょうか?

まずはキツツキの戦闘力を直感的に感じてみましょう。

つついたことで残像が残るのでしょうか？ |画像は[14]より

結局のところ、木はそれほど硬くなく、それほど深刻なことではない、石をつついてみればわかる、と言う人もいるかもしれません。ああ、そうだ、壁をつついている人がいるよ。

鳥の形をした建物シェーカー

連続してノックする音を聞いて、隣人が騒いでいると思い込んで口論になったというケースもあった。結局、犯人はキツツキだったことが判明した。

キツツキが頑固になると:

頑固なキツツキ

キツツキのパフォーマンスを見ると、誰もがその頭を心配するだろう。この周波数と力はあなたの脳を揺さぶるはずですよね？

画像の表示容量には制限があります。 1979年にはすでに、学者たちはキツツキが木をついばむ速度について定量的な観察を行い、最大で6～7m/sに達する可能性があることを発見しました。くちばしが木にぶつかった瞬間、 1000gの加速度に耐えなければなりません（gは重力加速度で、約9.8m/s²）。

さらに恐ろしいのは、キツツキはこのようなつつき動作を1秒間に20回、つまり1日平均約12,000回も行うことができるということです。このような高強度の繰り返し衝撃は、眼球、網膜、脳神経、血管などに大きな圧力をかける可能性があります。

現時点では6〜7m/sの速度については何も分からないかもしれません。もっと簡単な例を挙げると、体力テストで 2 分 30 秒のペースで 1 km 走っているときに、突然木にぶつかるような感じです。あるいはデータによれば、1.8mのベッドから落ちるのと同等（高校や大学の寮の二段ベッドの高さはまさにこの高さ）

目に見える痛み |画像は[15]より

一言で言えば、痛い！恐ろしいことに、キツツキはこれを 1 日に 12,000 回行うため、人々は非常に興味をそそられます。また、キツツキの研究が、より優れたヘルメットや防振装置の開発に役立つことも期待されています。さらに、この問題に関する研究は人間の脳震盪の治療にも役立つ可能性があります。サッカー、ラグビー、ボクシングなどの多くのスポーツでも、深刻な頭部外傷につながる可能性があります。

この問題に関しては、力学、生物学、医学など多くの分野にわたる科学的研究が数多く行われています。関連研究は2006年のイグノーベル賞も受賞した。この問題に対する人々の理解も興味深い変化を遂げてきました。しかし、この質問にはまだ完全に答えることはできません。

最も単純に考えてみると、問題の焦点はおそらくキツツキの頭の構造、つつく技術、そしてもちろん、人間と比較した鳥の小ささの影響にあると考えられます。

奇妙な頭の構造

キツツキの頭の筋骨格構造を詳しく調べたところ、衝撃に耐えるのに役立つ可能性のあるいくつかの特徴がすぐに発見されました。最も興味深い部分は、くちばしと頭蓋骨の間にある海綿状の骨です。

キツツキの骨格の模式図。緑色の部分は海綿骨です。画像は[3]より

骨は多孔質構造をしており、つつく過程でスポンジのような働きをして、衝撃を大幅に吸収したと考えられます。誰もがこの発見に非常に興奮し、材料科学の分野でもこの見解が支持され、衝撃吸収複合材料の製造におけるこの構造の役割を評価し始めました。

クッションのアイデアは非常に自然なものだったので、長い間誰もそれを疑うことはありませんでした。初期の圧倒的な大衆科学では、そのような見解はいたるところに見られ、インターネットで簡単に検索するだけで、そのような見解をたくさん見つけることができます。

しかし、よく考えてみると、問題が見つかるかもしれません。確かに、緩衝対策は脳の損傷を効果的に軽減できますが、この海綿骨が実際に「衝撃」の一部を吸収するのであれば、くちばしを通して木に伝わる衝撃は軽減されるのではないでしょうか。ハンマーが2つに分かれて、真ん中でバネでつながっているようなものです。鉄ブロックの打撃点から遠い部分のエネルギーは打撃点に速やかに伝達されず、ハンマーによって加えられる力が大幅に減少します。

ついに2022年に、キツツキがつつく過程で衝撃を吸収する対策があるかどうかを誰かが注意深く研究しました。

高速カメラを使用して、くちばしと頭のさまざまなポイントの位置と速度を追跡します |画像は[3]より

この研究では、高速カメラを使用して、さまざまな種類のキツツキのつつきのビデオを100本以上撮影し、分析して特定のポイントを追跡しました。結果は驚くべきものでした。これらのポイントの加速と減速は完全に同期していました。つまり、真ん中に緩衝帯がなく、頭全体がしっかりとした一体を形成しているのです！

研究チームはまた、緩衝材の存在がつつく効率に与える影響についても注意深く調査した。

頭部運動量が固定されている場合のバネ剛性係数、木材侵入深さ、衝撃吸収効率の関係 |図は[3]より

計算によると、バッファ自体がペッキング効率を低下させることがわかりました。この事実は予想外ですが、当然のことです。キツツキは、つつく性能を向上させるために、頭部をよりコンパクトな「剛体」にし、緩衝部分を取り除くことを選択します。 「バッファ」の見解はさまざまな理由で広く普及しており、ずっと以前まで疑問視されることはありませんでした。これは科学の発展と普及においても非常に興味深い現象です。

では、キツツキには脳への影響を軽減するための他の構造はないのでしょうか?もちろん、広く認識されている次のような意見もまだたくさんあります。

1

脳頭蓋骨の緊密性理論

キツツキの脳は頭蓋骨とより密接に一体化しており、脳脊髄液の量も少ないため、頭蓋骨に対して脳が動く可能性が低く、その結果、損傷が軽減されます。

他にも多くの視点があります。しかし、上記の教訓から、一見合理的と思われる見解もいくつかあるが、それでも、次のような定量的な分析と正確な観察によって裏付ける必要があることがわかります。

2

筋肉伝達理論

くちばしは木にぶつかった瞬間に収縮し、衝撃が脳を飛び越えて頭蓋骨の下部と後部に伝わります。この発言は定性的すぎる。キツツキは頭と首の筋肉があまり発達していないという反対意見もあります。

3

舌骨絡み合い理論

しっかりと巻かれた舌は「シートベルト」の役割を果たすという見方もある。

キツツキの舌はとても特徴的です！経路に関して言えば、口から直接舌を突き出すほとんどの生物とは異なり、キツツキの舌は上顎から始まり、右の鼻孔を通り、分岐し、頭蓋骨の後ろを回り、首の両側から戻って1つに合体し、口から突き出ています。 （下図参照）

キツツキの舌の構造の模式図 |出典 [11]

4

垂直衝撃理論

キツツキはつつくたびにくちばしを表面に対してほぼ垂直に保ち、脳が接線方向の力を受けないようにします。この見解にはある程度異論があり、3次元解析によって、実際にはある程度の回転があることを発見した人もいます。

これら 3 つのポイントはいずれも直感的に理解しやすいものですが、それが真実であるかどうか、またその割合はどの程度であるかを判断するには、厳密な定量分析が必要であり、厳密な計算や実験による裏付けは見つかっていません。

サイズ効果

構造から簡潔な答えは得られないようです。簡単に思いつくもう一つの要因、つまりサイズ効果をじっくり分析したくて待ちきれない学生はいませんか？

私たちも日常生活で、小さなことのほうが強いことが多いという経験をしています。携帯電話を落とすこととコンピュータを落とすことは、決して同じことではありません。生物界でも同じことが言えます。人間が落ちても何も起こらない可能性が高いですが、象が落ちた場合は骨折する危険があります。

同様に、キツツキの脳は結局のところ人間の脳よりもはるかに小さいことは容易に想像できます。小さくなれば、比表面積が大きくなり、圧力を分散することができます。文献からの導出に従って、簡単な計算を行うことができます。

脳はほぼ球形であると仮定し、打撃を受けたときに圧力を受ける主な面積（冠状面）と全表面積の比が同じであると仮定し、それがar²であると仮定し、脳損傷の上限臨界圧力は人間とキツツキで同じで、両方ともPcであると仮定し、それぞれ人間とキツツキを示す下付き文字としてhとwを使用すると、

中型のキツツキの脳の質量と半径はそれぞれ 2 g と 7 mm ですが、人間の脳の質量と半径はそれぞれ 1400 g と 60 mm です。つまり、キツツキが耐えられる加速度の臨界値は、人間の10倍ということになります！

もちろん、時間を考慮せずに加速度だけを論じて被害を推定することは不可能です。自動車の衝突試験では、損傷の程度を推定するために次の経験式 (Gadd Severity Index) が得られています。

キツツキの脳損傷耐性は人間の脳の何倍もあると結論付けられます。実際は、それ以上のものがあります。キツツキの脳の形状は人間の脳とはかなり異なり、より大きな表面積が衝撃に耐えることができます。

人間の脳と鳥が加速を受けたときの圧力分布の模式図 |画像は[3]より

もちろん、上記の導出は比較的大まかなものです。現在では、有限要素解析などの精密なモデリング手法により、機械プロセスにおける力の分布を解析できます。

衝撃後にくちばしと頭蓋骨が感じるストレスの変化 |画像は[12]より

つまり、キツツキは脳損傷に対する耐性が非常に高いため、通常のつつきではこの閾値に達することができないのです。サイズ効果は、キツツキの頭部の超耐衝撃性に強固な基盤を提供します。また、関連する機械計算によってヘッド構造の影響を分析し、この質問に対するより完全な答えが得られることを期待しています。

キツツキの「10億」もの小さな詳細

地震に耐える脳に加えて、キツツキには他にどんな驚くべき能力があるのでしょうか?

キツツキの舌はくちばしの長さの3倍以上伸び、先端には返しがあり、穴の中の昆虫を効率的に食べることができます。

効率的な昆虫食。

カシワキツツキはドングリを保管するために木に穴を掘るのが好きです。

カシワゲラがドングリを貯蔵しています。

キツツキは、飛び散る木の破片から目を守るために、つつく瞬間に目を閉じます。

キツツキのくちばしは木に引っかかって抜けなくなるのではないか、という疑問について考えたことがありますか？ハハハ！この現象を注意深く観察した研究者たちは、キツツキが頭を数度わずかに回転させて隙間を作り、くちばしをスムーズに引っ込めることを発見しました。

キツツキは虫を誘引するために健康な木に切り込みを入れることもあります。さらに、アメリカドクトカゲラは子供の脳を吸います（以前、このような強力なくちばしを攻撃に使用したらどうなるかと考えたことがありましたが、それでも衝撃を受けました）。かなり怖いので写真は載せません。

フォレストドクターの「鳥の設定」が崩れてしまったと感じますか？もちろん、種によって習慣は異なるため、一般化することはできません。主観的な観点から鳥が有害か有益かを判断することはできません。結局、自然は残酷です。

参考文献

[1] May PRA、Fuster JM、Haber J、他。キツツキの穴掘り行動：衝撃による脳損傷の回転理論の支持[J]。神経学アーカイブ、1979年、36(6):370-373。

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[3] Van Wassenbergh S、Ortlieb EJ、Mielke M、他。キツツキは頭蓋による衝撃の吸収を最小限に抑えます[J]。カレントバイオロジー、2022年、32(14):3189-3194。 e4.

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[5] 2006年イグノーベル賞受賞者リスト（https://improbable.com/ig/winners/#ig2006）

[6] Wang L、Niu X、Ni Y 他。キツツキの頭蓋骨のさまざまな部分の海綿骨の微細構造が衝撃損傷に対する抵抗力に与える影響[J]。ナノマテリアルジャーナル、2013年、2013年：17-17。

[7] 劉宜仁、江忠平。キツツキが脳震盪を起こさない理由[J]建設労働者、2011、32（09）：50。

[8] 楊華キツツキが脳震盪を起こさない理由[J]科学の友、2006年、(05):50。

[9]キツツキはなぜ脳震盪を起こさないのか？ （建設アニメーションあり）（https://www.guokr.com/article/449305/）

[10] 周P、孔XQ、呉CW、他キツツキの舌の新しい機械的性質[J]。バイオニックエンジニアリングジャーナル、2009年、6(3):214-218。

[11] キツツキの舌はとても奇妙ですが、何の役に立つのでしょうか？ - 知乎（zhihu.com）

[12] Lizhen Wang、他キツツキはなぜ頭部衝撃損傷に耐えるのか：生体力学的調査、PLoS ONE 6(10): e26490。 doi:10.1371/journal.pone.0026490, 2011

[13] 于同喜。キツツキはなぜ脳損傷を回避できるのでしょうか? [J]。メカニクスと実践、2012、34（03）：86-87。

[14] やったー！キツツキが木を削る有名なシーンのクローズアップ (https://www.bilibili.com/video/BV1ZU4y1f7Pj/?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=20b27633457fdd53f9cb8bc0199f7c07)

[15] ドアを叩く犬 (https://www.bilibili.com/video/BV1Fs4y1n7TE/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=20b27633457fdd53f9cb8bc0199f7c07)

企画・制作

出典：中国科学院物理研究所

著者: シャオファン

編集者：イヌオ