(Video tiešsaistē 20/YouTube) Knābja sišana pret koka stumbru šķistu kā darbība, kas izraisītu galvassāpes, žokļa sāpes un nopietnas kakla un smadzeņu traumas. Tomēr dzeņi var to darīt 20 reizes sekundē un necieš nekādas negatīvas sekas.
Dzeni ir sastopami mežainās vietās visā pasaulē, izņemot Austrāliju. Šiem putniem ir neparasta spēja ar knābi iesist koku stumbros, lai izveidotu caurumus kukaiņu un sulas izsūkšanai. Vēl iespaidīgāk viņi to dara, nenodarot sev pāri.
Mēs esam materiālu zinātnieki kas pēta dabā sastopamas bioloģiskas vielas, piemēram, kaulus, ādas, spalvas un čaumalas. Mūs interesē dzeņu galvaskausa un mēles kaulu struktūra, jo mēs domājam, ka to neparastā anatomija varētu sniegt ieskatu, kas varētu palīdzēt pētniekiem izstrādāt labākus aizsargājošus galvassegas cilvēkiem.
Smadzeņu satricinājumi cilvēkiem
Knābāšanas laikā dzeņi pārcieš daudz spēcīgu triecienu galvu.
Viņiem ir spēcīgas astes spalvas un nagi, kas palīdz viņiem saglabāt līdzsvaru, kad viņu galva virzās uz koka stumbru ar ātrumu 7 metri (23 pēdas) sekundē. Pēc tam, kad viņu knābis sitas, viņu galvas palēninās ar aptuveni 1200 reižu lielāku gravitācijas spēku (g).
Tas viss notiek, dzenis negūstot satricinājumus vai smadzeņu bojājumus.
Smadzeņu satricinājums ir traumatiska smadzeņu trauma forma, ko izraisa atkārtoti sitieni pa galvu. Tā ir izplatīta parādība un bieži notiek kontaktsporta, piemēram, futbola vai hokeja, laikā.
Atkārtota traumatiska smadzeņu trauma galu galā izraisa progresējošus smadzeņu darbības traucējumus, hroniska traumatiska encefalopātija (CTE) , kas ir neatgriezeniska un izraisa tādus simptomus kā atmiņas zudums, depresija , impulsivitāte, agresivitāte un pašnāvnieciska uzvedība.
Nacionālā futbola līga ziņo, ka futbolistiem smadzeņu satricinājumi rodas pie 80 g. Tātad, kā dzeņi izdzīvo atkārtotus 1200 g triecienus, nekaitējot smadzenēm?
Mēs esam meklējuši galvenos noslēpumus dzeņa spējai izturēt lielo triecienu vesēšanas laikā. Mēs pētījām kaulu mikrostruktūras un pēc tam veicām galvas biomehānisko analīzi.
Neparastas galvaskausa kaula un mēles kaulu struktūras
Salīdzinot dzeņu un cāļu galvaskausus, mēs to atklājām dzeņiem ir triecienu absorbējoši pielāgojumi ka citiem putniem nav. Tas ietver specializētus galvaskausa kaulus, kakla muskuļus, knābjus un mēles kaulus.
Galvaskausa kauliem ir atšķirīgs ķīmiskais sastāvs un blīvums. Piemēram, viens strukturāls pielāgojums tiek panākts, palielinot minerālvielu uzkrāšanos kaulos, lai padarītu tos stingrākus un stiprākus salīdzinājumā ar citiem putniem.
Pārsteidzoši, ka galvaskausa kauls ir ļoti plāns un tajā ir mazāk šķidruma, kas atdala smadzenes no galvaskausa kaula nekā citiem putniem un dzīvniekiem. Tas liek domāt, ka galvaskauss ir pielāgots vienlaikus cietākam un stingrākam.
Parasti reālās pasaules materiālu zinātnē pastāv vispārējs kompromiss starp cietību un stingrību. tomēr ja uz galvas ir gan cieti, gan izturīgi materiāli, tas samazina trieciena apjomu, kas tiek pārnests uz smadzenēm .
Otra atšķirība ir tā, ka dzeņiem ir mazāk iekšējā šķidruma ap smadzenēm nekā citiem lieliem dzīvniekiem. Tas palīdz ierobežot smadzeņu kustību knābāšanas laikā. Samazinātam šķidruma daudzumam ir analogs cieti vārītas olas dzeltenuma efekts, kas nesabojās kratīšanas, salīdzinot ar jēlas, nevārītas olas dzeltenumu.
Arī dzeņiem mēlē ir iestrādāts kauls, kas palīdz no kokiem izvilkt kukaiņus. Neparastā mēle apvij galvaskausa aizmuguri un noenkurojas priekšā starp acīm. Šī konfigurācija ļauj mēlei un tās kaulam darboties kā atsperei, mazinot fizisko spēku un ar to saistītās vibrācijas.
Dažādi kaulu veidi
Tipiska skeleta kaula stīvums un stiprums ir saistīts ar blīvu kompakta kaula apvalku, kas iekapsulēja porainu, porainu kaulu. Bet dzeņa mēles kaulam ir pretēja struktūra: elastīgs apvalks un cietāks serdes kauls. Šī iekšpuses konfigurācija nodrošina labāku elastību un spēj absorbēt lielāku triecienu un vibrāciju.
Mūsu darbs liecina, ka dzeņa neparastie galvaskausa un mēles kauli ir triecienizturīgu konstrukciju piemērs, kas ir būtiskas dzeņa smadzeņu aizsardzībai knābāšanas laikā .
Pašlaik biologi un neirozinātnieki aktīvi strādā pie pētot dzeņa smadzenes lai noskaidrotu, vai ir kādi patoloģiski smadzeņu traumu pierādījumi, piemēram, CTE cilvēkiem.
Mēs ceram, ka šis pētījums atklāj, vai dzeņa smadzenēs audu vai šūnu līmenī darbojas citi aizsardzības vai dziedināšanas mehānismi, kas, mēs ceram, atklās, kā aizsargāt un izārstēt cilvēka smadzeņu traumas.
Profesore Džoanna Makkitrika 2019. gada 15. novembrī, neilgi pēc šī darba pabeigšanas, nomira 2019. gada 15. novembrī, novatoriskais inženieris Kalifornijas Sandjego universitātē un slavens materiālu zinātnes eksperts. Viņai bija 65 gadi. Viņa bija kaislīga sieviešu un nepietiekami pārstāvēto studentu aizstāve STEM un pārdomāta mentore. 
Džoanna Makkitrika , mehānikas un kosmosa inženierijas profesors, Kalifornijas Universitāte, Sandjego un Jae-Young Jung , ortopēdiskās ķirurģijas pēcdoktorantūra, Kalifornijas Universitāte, Sanfrancisko .
Šis raksts ir pārpublicēts no Saruna saskaņā ar Creative Commons licenci. Lasīt oriģināls raksts .