キツツキはなぜ脳震盪を起こさないのでしょうか?ショックアブソーバーが付いていると思うかもしれませんが、実際はハンマーです

キツツキは非常に高速かつ頻繁につつきますが、なぜ脳震盪を起こさないのでしょうか?この動物の一見普通の行動は、人間にとって説明するのがそれほど簡単ではありません。約50年前、科学者たちはキツツキの脳内に「衝撃を吸収する構造」を発見した。かつてはこれがキツツキが脳震盪を起こさない理由だと考えられていた。しかし、本当に深く掘り下げてみると、そうではないことがわかります。

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キツツキ

ご存知のとおり、キツツキは木をついばむことが多いため、「キツツキ」と呼ばれています (問題の解決の鍵は、鍵となる問題を見つけることです)。

私たちが幼い頃、両親や先生はキツツキについて二つの知識を教えてくれました。第一に、キツツキはつついて木を守ることができるので、木の「良き医者」であり、人間の良き友達であるということです。第二に、キツツキが喜んでつつくことができる理由は、キツツキの頭の中に衝撃を吸収する構造があるからです。しかし、科学的な観点から見ると、これらの「知識ポイント」は両方とも問題があります。

まず第一に、キツツキが木をついばむのは、木を守るためでも人間の世話をするためでもなく、食べ物を見つけたり、巣を作ったり、縄張りを主張したり、配偶者を引き寄せたりするためです。つまり、キツツキは生き残るために行動するのです。ただ、キツツキは木に害を与える昆虫を食べるので、間接的に木を保護する役割を果たしているのです。しかし、キツツキは時々大きすぎる穴をあけることがあります（キツツキのいくつかの種は木を穀倉として扱います）。これは明らかに「医療事故」です。

キツツキは木々に回復不可能な損傷を与えている。丨画像提供：インターネット

人間は依然として自然の法則を尊重し、キツツキの行動を擬人化すべきではない。

2 番目の知識ポイントには、より科学的な深みがあります。キツツキは、非常に速く頻繁に木をついばむため、肉眼で観察する人間には残像しか見えないことがよくあります。キツツキのくちばしは、時速 20 キロメートルの速度で、1 秒間に最大 30 回木にぶつかり、減速はなんと 400 g (g は重力加速度) にもなります。

1970年代、カリフォルニア大学ロサンゼルス校のフィリップ・メイ教授がキツツキに関する科学的研究を行っていたとき、彼は1秒あたり24フレームのフレームレートを持つ一般的なカメラを使用してキツツキのつつく行動を追跡しようとしました。しかし、スピードが速すぎて細かいところまで撮影できなかったため、最終的には1秒あたり40フレームの高速度カメラに切り替えざるを得なかったという。

ほとんどの動物にとって、脳は保護されるべき重要な対象です。では、なぜこれほど頻繁かつ高速での衝突がキツツキに脳震盪を起こさないのでしょうか?それはキツツキの脳に衝撃を吸収する構造があるからでしょうか?

キツツキには偏頭痛がない

1976 年、フィリップ・メイ教授とその同僚は、ランセット誌に次のような論文を発表しました。彼らは解剖学的手法を用いて、キツツキのくちばしと頭蓋骨の接合部がスポンジ状の多孔質骨であることを発見し、このスポンジ状の多孔質骨が衝撃吸収の役割を果たしていると推測しました。

記事の最後では、ヘルメットの硬い外殻に薄くて柔軟性があり、形の良い素材を追加して、着用者の保護を強化することを提案した。現代のヘルメットのデザインの多くはメイ教授の提案を採用しており、交通事故に巻き込まれた何千人もの人の頭部を保護しています。

キツツキの頭蓋骨。緑色の部分は海綿骨です。画像出典：参考文献[2]

2002年、カリフォルニア大学デービス校のイヴァン・R・シュワブ教授はCTスキャン技術を用いてメイ教授の解剖学的発見を確認した。CT画像にはキツツキの頭蓋内強膜輪とくちばしの間に多孔質の海綿骨の部分がはっきりと映っていた（上の写真の緑色の部分）。

さらに、シュワブ氏の研究チームは高速カメラを使用して、キツツキのくちばしが木の幹をついばむ1ミリ秒前に、キツツキの目の透明な瞬膜（まぶた）が閉じて眼球をしっかりと包み、眼窩から飛び出さないようにしていることを発見した。キツツキのまぶたは「シートベルト」の役割を果たした。

2006年のイグ・ノーベル賞は、キツツキが頭痛を起こさない理由の解明に貢献したイヴァン・R・シュワブ氏とフィリップ・メイ氏の2人の学者に授与されました。授賞式中にちょっとした事件が起こりました。シュワブ教授は、組織委員会から受賞通知を受け取ったとき、自分は何か実質的な成果を上げたわけではなく、単に「20年以上前のメイ教授の研究を世間の注目に戻した」だけだと謙虚に述べた。最終的に、選考委員会はシュワブ教授と合意に達し、イグ・ノーベル賞はアイヴァン・R・シュワブ教授と1986年に亡くなったフィリップ・メイ教授の両名に授与されることになりました。

この問題はうまく解決されたようですが、何かが欠けているような気がします。実際、簡単に見直すだけでも、論理的な議論に欠けている点がわかります。

解剖学的結果とCT検査の結果は、キツツキの頭部に確かに構造物があることを証明することしかできず、この構造物と、大きな減速による脳震盪が起こらなかったこととの間に必然的な因果関係があることを証明することはできません。つまり、これまで、キツツキの頭蓋骨にある海綿状の骨が衝撃吸収性を発揮し、キツツキが高速かつ頻繁な衝撃に耐えられることを直接証明できていなかったのです。

二人の教授は十分に深く掘り下げなかったようです。

イヴァン・シュワブ教授は、キツツキのくちばしのような形の帽子をかぶって、2006年のイグ・ノーベル賞授賞式に出席した。丨画像提供：インターネット

衝撃吸収の真実

実際、メイ教授は「ショックアブソーバー」というアイデア自体に懐疑的です。衝撃を吸収すると、キツツキが餌を見つけたり巣を掘ったりするのが難しくなるからです（つつく回数が減ると、労力が増えます）。それは、釘を打つときに釘の真ん中に枕を置くようなものです。進化の観点から見ると、この機能は進化しなかったでしょう。

2022年、ベルギーのアントワープ大学のサム・ヴァン・ワッセンベルグ教授はメイ教授の見解を読んで、突然上記の問題に気づきました。これまでの多数の研究でキツツキの頭蓋骨に衝撃吸収構造が存在することが示されていますが、その衝撃吸収構造が本当に衝撃吸収を実現できることを示す直接的な研究はありませんでした。

海綿骨が衝撃吸収を実現できるかどうかを調べるのは、まったく複雑ではありません。くちばしの先端に近い海綿骨の前部の減速値と、脳に近い部分の減速値を計測し、2つの値を比較するだけです。

そうは言っても、正確な測定を行うには、まだ高度な技術が必要です。

自動車のエアバッグのテストでは、エンジニアは通常、高速カメラを使用して自動車の衝突プロセスを記録し、その後スローモーション再生を使用して詳細な分析を行い、最終的に自動車の安全係数を評価します。減速の正確な測定を実現するために、科学者たちはシュワブ氏のチームがキツツキの目の保護機構を研究するために使用したのと同じ技術を使用した。

ワッセンベルグ教授率いる国際チームは、高速カメラを使用して、クマゲラ（Dryocopus martius）、アカゲラ（Dendrocopos major）、北米クマゲラ（Dryocopus pilatus）の3種のキツツキの鳴き声の全過程を記録しました。個体差を避けるため、キツツキの種類ごとに2羽ずつ選択しました。彼らの写真を撮るために、研究チームはヨーロッパの動物園4か所とカナダの研究所を訪れた。

木をついばんでいるキツツキを撮影。画像出典: Erica J. Ortlieb/ブリティッシュコロンビア大学

研究者らは頭蓋骨に沿って3つの追跡ポイントを選択し、くちばしに2つ、目に1つ配置した。北米のクマゲラの場合、頭蓋骨の皮膚を覆う点が 4 番目の追跡ポイントとして追加されました (下の図を参照)。彼らはこれらのマーカーの移動軌跡を分析し、減速の具体的な値を計算しました。

キツツキの体に点の位置をマークします。丨画像出典：参考文献[1]図2(a)

もちろん、単一データの変動を避けるため、科学者たちはこれらのマークされたポイントでキツツキの減速を100回計算し、平均値を取った。

マークされたポイントでの減速値のグラフ。画像出典：参考文献[1]

衝撃吸収理論が正しいとすれば、減速値はくちばし（黄色）に近いほど大きくなり、脳（緑）に近いほど小さくなるはずです。結果は、くちばしのマーカーと比較して、頭蓋骨に近いマーカーでは減速の大幅な減少が見られなかったことを明確に示しました。

科学者たちはまた、眼球減速とくちばし中央部の減速の間の相関係数を注意深く分析しました。下の図を参照してください。両者の相関係数が 0 に近いほど、衝撃吸収効果は高くなります。 1に近いほど衝撃吸収効果は少なくなります。写真の約 45 度の傾斜角度は、キツツキの海綿状の骨の前後に衝撃吸収装置がないことを示しています。キツツキの頭はショックアブソーバーのようには機能せず、硬い剛体のように機能します。平たく言えば、それはハンマーです。

キツツキの目の減速とくちばしの中間減速の相関分析 |画像出典：参考文献[2]

無敵の謎

キツツキの頭自体には衝撃を吸収する機能がないので、どうやって脳を損傷から守るのでしょうか？データによると、キツツキがつつくとき、脳の減速は驚異的な400gに簡単に達し、135gを超える減速は人間の脳に脳震盪を引き起こす可能性があります（減速が400gに達すると、脳の物質は均等に揺さぶられる可能性があります）。

2006年、マサチューセッツ工科大学のローナ・ギブソン教授は、人間と鳥の違いは主にキツツキの脳と人間の脳の質の違いから生じていると指摘した。ローナ・ギブソンは、鳥がこのような大きな減速に耐えられるのは、次の 3 つの理由によると考えています。

1. 鳥類は脳が小さいため、同じ減速条件下では脳にかかる力が小さくなります。力は減速だけでなく、脳の大きさにも比例します。

2. 衝撃は非常に短時間で持続するため、鳥の耐性が高まります。（熱湯を浴びて火傷をしたときに、すぐに手を引っ込めるようなものです。人間であれば耐えられるかもしれませんが、熱湯を数分間浴び続ければ、病院に運ばれることになります。）

3. 頭蓋骨内の力の方向における脳の長さ。鳥の脳の力の方向の長さは、人間の脳のわずか7分の1程度です。この観点からのみ見ると、鳥が耐えられる減速閾値は 7×135g、つまり約 1000g に相当します。

この値は、キツツキがつつくときのピーク減速よりもはるかに大きいです。進化論はキツツキという種に十分な安全性のバウンドを与えている。キツツキが誤って木材よりもはるかに硬いもの、例えば鋼板などをついばんだとしても（一部のキツツキはそうする）、その生理学的構造によって安全性が確保され、すぐに失神するのを防ぐことができるのだ。

脳に加わる力は力の方向の長さに比例するという法則は、現存するキツツキ類よりも深い穴を突くことができるオオキツツキが現在存在しない理由を説明しています。背理法を使って次のように論じることができます。もしオオゲラがより深い穴を突けるように進化したとしたら、力の方向の距離が増加するにつれて、キツツキは同じ加速度でより大きな頭蓋内圧に耐える必要があるでしょう。圧力が一定レベルに達すると、キツツキは脳震盪で死んでしまいます。

もちろん、別の視点から見ると、人間はこれほど大容量の脳を進化させ、この惑星の「賢者」となったが、同時に、人間が耐えられる減速閾値も大幅に低下させ、脳震盪を起こしやすくし、人間をより「脆弱」にしたとも言える。これは自然の微妙な点でもあります。生物が特定の有利な特性を持っている場合、克服するのが難しい欠点が伴うことがよくあります。

結論

1976年にメイ教授がランセット誌に発表した論文から数え始めると、キツツキの「頭痛がない」理由についての人類の研究と探究はほぼ半世紀に及んでいる。数世代にわたる科学者のたゆまぬ努力の結果、人々はついに「衝撃吸収理論」の原則から脱却し、キツツキの「秘密」に対するより科学的で立体的な理解を確立しました。しかし、安全ヘルメットの設計者にとっては、新たなインスピレーションが必要かもしれません。結局のところ、キツツキの頭部構造は、より耐衝撃性のあるモデルではありません。

なぜ人間はこのような一見小さな問題に時間を浪費する必要があるのでしょうか?おそらくそれは、シュワブ教授が言った「私たち全員がノーベル賞を受賞できるわけではないが、周囲の世界を見て疑問を持つことはできる」ということなのでしょう。

主な参考文献

[1] サム・ヴァン・ワッセンバーグとマヤ・ミールケ、「なぜキツツキは脳震盪を起こさないのか」、Physics Today 77 (1)、54-55 (2024)。

[2] サムVan Wassenbergh ら、キツツキは頭蓋による衝撃の吸収を最小限に抑える、Curr.生物学。 32、3189（2022）。

[3] イヴァン・R・シュワブ『頭痛の治療法』 J. 眼科. 86,843; 2002年。

[4] PRメイらキツツキと頭部外傷、Lancet(7957)、454-455。

[5] LJギブソン、「キツツキのつつき方：キツツキが脳損傷を避ける方法」J.Zool。 270、462（2006）。

この記事は科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けています

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司

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