貓頭鷹的頭為什麼能輕鬆扭到背後?人家根骨清奇

2021-01-18 果殼

好了,既然點進來了就默認大家都看過這組圖了:


(……如果有沒看過的,現在也看過了。)作者:Ander Navarro

漫畫所言不虛。貓頭鷹的腦袋稱得上是自然界的一個傑作——它們可270度自由轉動,卻不會損傷貓頭鷹的頸部和頭部的血管,也不會阻斷大腦的供血!這當然不是為了應付上圖中那種情況,不過,它到底怎麼做到的呢?


大範圍的頭部扭動使得貓頭鷹能夠在站立不動的情況下獲得較大的視野來發現獵物和天敵。圖為一隻扭頭的林鴞。這不是鏡像哦。來源:貓頭鷹生物學


霍普金斯大學的一個研究組解釋了為什麼貓頭鷹可以如此之傑出。通過血管造影術、CT掃描和醫學成像技術,研究者發現了4種防止頭部轉動時受傷的適應性進化結構,貓頭鷹的骨骼為了支撐過重的頭部而發生了相應的變化。這一發現獲得了2012年美國國家科學基金會評選的國際科學與工程視覺挑戰大賽信息繪圖組的冠軍,並被刊登在《科學》上。

「像我這樣做大腦成像的人,整天都在研究人類由於外傷而導致頭頸動脈受損,我們一直很疑惑為什麼貓頭鷹能夠迅速轉動頭部,卻不會由於頸部損傷死在森林裡。」霍普金斯大學的介入神經放射性研究專家、醫學博士菲利普·蓋洛德(Philippe Gailloud)說。

「包括人類和貓頭鷹在內的許多動物,脖子上的頸動脈和脊椎動脈都是十分脆弱的,內層非常容易撕裂。」人類頭頸部的突然扭動將會拉扯撕裂血管內層,因此產生的血塊可能引發致命的栓塞或者中風,衝撞性的車禍、過於刺激的過山車以及手法錯誤的脊椎按摩都可能造成這種傷害。


按摩有風險,spa需謹慎。圖片:《泰囧》截圖

為了解開這個謎題,霍普金斯研究組研究了自然死亡的雪鴞、大林鴞和大角鴞這三種貓頭鷹屍體的頭頸部骨骼結構和複雜的脈管系統。他們用一種注射顯影劑來加強貓頭鷹血管的X光成像,然後進行了剖析和掃描成像。

研究者向貓頭鷹的動脈注射顯影劑來模擬血液的流動,然後手動扭轉貓頭鷹的腦袋,他們有了驚人的發現——隨著更多顯影劑的流入,頭部頜骨底部的血管變得越來越粗以積蓄液體。而人類的動脈通常只會越來越細,絕不會在偏離原位的時候變粗。

研究者稱這些可以張弛的血管作為緩存血庫,能使貓頭鷹能夠在轉動頭部時,儲存它們大腦和眼睛所需要的血液。這些適應性的血管網絡結構,可以儘量避免血液流通的中斷。

獲獎海報:貓頭鷹頸椎和頸部動脈的解剖圖。貓頭鷹頸部一根負責給大腦供血的主動脈穿過頸椎骨中央的空穴,而空穴的直徑約為穿過它的血管直徑的十倍。研究者稱橫截面上多餘空間為動脈血管提供了緩衝氣墊,這給動脈在頭部扭轉時提供了充足的移動空間。在貓頭鷹的14節頸椎骨中,有12節發生了這種適應性變化。來源:hopkinsmedicine

「對人類而言,頸椎的動脈就緊緊貼著頸椎骨的空穴。但是貓頭鷹完全不是這樣,它們有著允許動脈進行更靈活的活動的結構。」參與這項研究的霍普金斯大學醫學成像師梅爾卡多(Fabian de Kok-Mercado)說。

研究組發現,貓頭鷹的椎動脈在接近頭部的第12頸椎處進入脖子,而不是像一般鳥類在第14頸椎處,這意味著動脈有了更多的空間,並且更加鬆弛。

研究組還在貓頭鷹身上發現了頸動脈和脊動脈之間的微血管結構,而成年人類並沒有這種結構。這種結構使得這兩根血管之間可以發生血液交換。研究者說,這些所謂的微血管結構,還包括一個專門的三叉血管,使得即使在極端的頸部扭轉堵塞了其中一條血液通路的情況下,流向大腦的血液仍然不會中斷。

研究者稱下一步計劃是檢查鷹的動脈,以此研究其他鳥類是否也有著為了轉動腦袋的相同的適應性結構。

參與研究的醫學成像師梅爾卡多(Fabian de Kok-Mercado)和實驗中用到的貓頭鷹。圖片來源:hopkinsmedicine






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