Schlangen können in einer geraden Linie kriechen.
Der Biologe Bruce Jayne von der Universität Cincinnati hat die Mechanik der Schlangenbewegung untersucht, um genau zu verstehen, wie sie sich wie ein Zug durch einen Tunnel vorwärts bewegen können.
„Das ist eine sehr gute Art, sich in engen Räumen zu bewegen“, sagte Jayne. „
Seine Studie mit dem Titel „Crawling without Wiggling“ (Krabbeln ohne zu wackeln) wurde im Dezember im Journal of Experimental Biology veröffentlicht.
Schlangen schwimmen, klettern oder kriechen in der Regel, indem sie ihre Wirbelsäule zu schlangenartigen Windungen biegen oder die Vorderkanten zum Abstoßen von Objekten benutzen. Ein extremes Beispiel ihrer Bewegungsvielfalt gibt der Sidewinder-Klapperschlange ihren Namen.
Jayne, Professor für biologische Wissenschaften am McMicken College of Arts & Sciences der UC, hat bereits die Mechanik von drei Arten der Schlangenfortbewegung entschlüsselt, die als Ziehharmonika, Serpentine und Sidewinding bezeichnet werden. Aber die geradlinige Bewegung von Schlangen, die so genannte „geradlinige Fortbewegung“, wurde bisher weniger beachtet.
Diese Koordination von Muskelaktivität und Hautbewegung wurde erstmals 1950 von dem Biologen H.W. Lissmann untersucht. Er stellte die Hypothese auf, dass die Muskeln der Schlange in Verbindung mit ihrer lockeren, flexiblen und matschigen Bauchhaut es ihr ermöglichten, sich vorwärts zu bewegen, ohne ihre Wirbelsäule zu beugen.
„Es hat fast 70 Jahre gedauert, bis diese Art der Fortbewegung gut verstanden wurde“, sagte Jayne.
Jayne und sein Doktorand und Co-Autor Steven Newman testeten Lissmanns Hypothese mit Geräten, die den Forschern in den 1950er Jahren nicht zur Verfügung standen. Jayne verwendete hochauflösende Digitalkameras, um Boa Constrictors zu filmen und dabei die von bestimmten Muskeln erzeugten elektrischen Impulse aufzuzeichnen. Auf diese Weise entstand ein Elektromyogramm (ähnlich einem EKG), das die Koordination zwischen den Muskeln, der Haut und dem Körper der Schlange zeigte.
Für die Studie verwendeten Newman und Jayne Boa Constrictors, große Schlangen, die dafür bekannt sind, sich in einer geraden Linie über den Waldboden zu bewegen. Sie nahmen ein hochauflösendes Video der Schlangen auf, die sich über eine horizontale Fläche bewegten, die mit Referenzmarken versehen war. Die Forscher fügten auch Referenzpunkte an den Seiten der Schlangen hinzu, um die subtilen Bewegungen ihrer schuppigen Haut zu verfolgen.
Wenn die Schlange sich vorwärts bewegt, biegt sich die Haut auf ihrem Bauch viel stärker als die Haut über ihrem Brustkorb und Rücken. Die Bauchschuppen wirken wie Reifenprofile und sorgen für Bodenhaftung, während die Muskeln das innere Skelett der Schlange in einem wellenförmigen Muster nach vorne ziehen, das bei schnellen Bewegungen fließend und nahtlos wird.
Die Muskeln der Schlange werden nacheinander vom Kopf zum Schwanz hin auf bemerkenswert fließende und nahtlose Weise aktiviert. Zwei der wichtigsten Muskeln, die dafür verantwortlich sind, reichen von den Rippen (costo) bis zur Haut (cutaneous), was ihnen den Namen costocutaneous gibt.
„Die Wirbelsäule bewegt sich mit einer konstanten Geschwindigkeit vorwärts“, so Newman. „Ein Satz von Muskeln zieht die Haut nach vorne und verankert sie dann an ihrem Platz. Und entgegengesetzte, antagonistische Muskeln ziehen an der Wirbelsäule.“
Der Vorteil dieser Art von Bewegung liegt für ein Raubtier, das Nagetiere und andere Tiere frisst, die ihre Zeit unter der Erde verbringen, auf der Hand.
„Schlangen haben sich aus grabenden Vorfahren entwickelt. Sie passen in viel engere Löcher oder Tunnel, wenn sie sich auf diese Weise bewegen, als wenn sie ihren Körper beugen und gegen etwas drücken müssten“, sagte Newman.
Die Studie wurde zum Teil durch einen Zuschuss der National Science Foundation unterstützt.
Jayne sagte, dass Lissmanns Beschreibung aus dem Jahr 1950 größtenteils korrekt war.
„Aber er ging davon aus, dass der Muskel, der die Haut verkürzt, der Mechanismus ist, der eine Schlange vorwärts treibt. Das hat er falsch verstanden“, sagte Jayne. „Aber in Anbetracht der Zeit, in der er die Studie durchgeführt hat, bewundere ich, wie er es geschafft hat. Ich bewundere seine Erkenntnisse sehr.“
Die Industrie hat versucht, die gliederlosen, schlängelnden Bewegungen von Schlangen in Robotern nachzuahmen, die Pipelines und andere Unterwassergeräte inspizieren können. Newman sagte, dass Roboter, die sich die geradlinige Bewegung einer Schlange zunutze machen können, tiefgreifende Anwendungen haben könnten.
„Diese Forschung könnte die Robotik beeinflussen. Es wäre ein großer Vorteil, sich in kleinen, begrenzten Räumen in geraden Linien bewegen zu können. Man könnte schlangenähnliche Roboter für die Suche und Rettung in Trümmern und eingestürzten Gebäuden einsetzen“, so Newman.
Die geradlinige Fortbewegung ist für Schlangen, die sonst eine erstaunliche Geschwindigkeit erreichen können, ein kleiner Gang. Sie nutzen sie nur, wenn sie entspannt sind. Die Forscher beobachteten, dass die Schlangen zu den traditionellen Ziehharmonika- und Schlangenbewegungen zurückkehrten, wenn sie aufgeschreckt oder zur Bewegung gedrängt wurden.
Als begeisterter Radfahrer hat Jayne in einem Labor in Rieveschl die Physiologie und Biomechanik des Radfahrens untersucht. Er führt laufend Studien über die kardiovaskuläre Fitness der Radfahrer durch. Er misst ihren Sauerstoffverbrauch in einer Minute pro Kilogramm Körpergewicht, um mehr darüber zu erfahren, wie Radfahrer die Fähigkeit ihrer Muskeln, Laktase zu verbrennen, steigern können.
Am meisten haben ihn aber schon immer Schlangen fasziniert. Seine Arbeit wurde in mehr als 70 Zeitschriftenartikeln veröffentlicht, von denen die meisten irgendeinen Aspekt des Verhaltens oder der Biologie von Schlangen untersuchen. In jüngster Zeit hat Jayne die Fortbewegung von Schlangen untersucht, insbesondere die erstaunliche Fähigkeit mancher Schlangen, auf Bäume zu klettern.
Jayne lehrt Wirbeltierzoologie und menschliche Physiologie und Biomechanik an der UC.
Jaynes lebenslanges Interesse an Schlangen hat der Wissenschaft einen tiefen Einblick in viele bisher nicht dokumentierte Verhaltensweisen ermöglicht. Er studierte krabbenfressende Schlangen in Malaysia und testet die Sehschärfe von Schlangen in seinem eigenen behelfsmäßigen optischen Labor an der UC.
Indem er die Grenzen ihrer Beweglichkeit testet, kann Jayne mehr über die komplexe motorische Steuerung der Schlange erfahren. Dies kann Aufschluss darüber geben, wie Menschen koordinierte Bewegungen ausführen können.
„Was es ihnen ermöglicht, in all diese verschiedenen Richtungen zu gehen und mit all dieser dreidimensionalen Komplexität umzugehen, ist die Vielfalt oder Plastizität der neuronalen Kontrolle der Muskeln“, sagte Jayne. „
Jayne möchte mehr darüber erfahren, wie diese verfeinerte motorische Kontrolle zu den erstaunlichen Verrenkungen der Schlangen beiträgt.
„Sie bewegen sich auf so viele faszinierende Arten. Liegt das daran, dass sie eine so unglaubliche Vielfalt an Bewegungsmustern haben, die das Nervensystem erzeugen kann?“
„Obwohl alle Schlangen den gleichen Körperbau haben, gibt es voll aquatische Schlangen, Schlangen, die sich auf flachen Oberflächen bewegen, Schlangen, die sich in einer horizontalen Ebene bewegen, Schlangen, die klettern. Sie kommen überall hin“, sagte er. „Und der Grund dafür, dass sie überall hingehen können, ist, dass sie so viele verschiedene Möglichkeiten haben, ihre Muskeln zu kontrollieren. Das ist ziemlich faszinierend.“
Vier Arten der Schlangenbewegung:
Serpentine: Dies ist die typische Seitwärtsbewegung, die Schlangen auf unebenem Boden oder im Wasser ausführen.
Konzertina: Schlangen winden sich in abwechselnden Kurven, bevor sie sich aufrichten, um sich vorwärts zu bewegen.
Seitenwindungen: Schlangen biegen sich in Wellen sowohl seitlich als auch in der Vertikalen, um den Körper anzuheben und nur wenige Kontaktpunkte mit dem Boden zu bilden. Das hilft Klapperschlangen, heißen Sand zu durchqueren oder Dünen zu erklimmen.
Rectilinear: Spezialisierte Muskeln bewegen die Bauchhaut der Schlange und treiben sie in einer geraden Linie vorwärts. Dadurch können Schlangen durch Höhlen schlüpfen, die nicht viel größer sind als sie selbst.