Les serpents peuvent ramper en ligne droite.
Le biologiste Bruce Jayne de l’Université de Cincinnati a étudié la mécanique du mouvement des serpents pour comprendre exactement comment ils peuvent se propulser en avant comme un train dans un tunnel.
« C’est un très bon moyen de se déplacer dans des espaces confinés », a déclaré Jayne. « Beaucoup de serpents au corps lourd utilisent cette locomotion : les vipères, les boas constrictors, les anacondas et les pythons. »
Son étude intitulée « Crawling without Wiggling » a été publiée en décembre dans le Journal of Experimental Biology.
Les serpents nagent, grimpent ou rampent généralement en pliant leur colonne vertébrale en serpentins ou en utilisant les bords d’attaque pour repousser les objets. Un exemple extrême de la diversité de leurs mouvements donne son nom au crotale sidewinder.
Jayne, professeur de sciences biologiques au McMicken College of Arts & Sciences de l’UC, a déjà débloqué la mécanique de trois types de locomotion des serpents appelés concertina, serpentine et sidewinding. Mais le mouvement direct des serpents, appelé « locomotion rectiligne », a reçu moins d’attention, a-t-il dit.
Cette coordination de l’activité musculaire et du mouvement de la peau a été examinée pour la première fois en 1950 par le biologiste H.W. Lissmann. Il a émis l’hypothèse que les muscles du serpent combinés à la peau lâche, flexible et spongieuse de son ventre lui permettaient de se déplacer vers l’avant sans plier sa colonne vertébrale.
« Cela fait presque 70 ans que ce type de locomotion n’est pas bien compris », a déclaré Jayne.
Jayne et son étudiant diplômé et coauteur, Steven Newman, ont testé l’hypothèse de Lissmann en utilisant un équipement indisponible pour les chercheurs dans les années 1950. Jayne a utilisé des caméras numériques haute définition pour filmer les boas constricteurs tout en enregistrant les impulsions électriques générées par des muscles particuliers. Cela a produit un électromyogramme (similaire à un ECG) qui a montré la coordination entre les muscles, la peau du serpent et son corps.
Pour l’étude, Newman et Jayne ont utilisé des boa constrictors, des serpents à gros corps connus pour se déplacer en ligne droite sur le sol de la forêt. Ils ont enregistré une vidéo haute définition des serpents se déplaçant sur une surface horizontale hachée de points de référence. Les chercheurs ont également ajouté des points de référence sur les côtés des serpents pour suivre le mouvement subtil de leur peau écailleuse.
Lorsque le serpent avance d’un pouce, la peau de son ventre fléchit beaucoup plus que celle de sa cage thoracique et de son dos. Les écailles du ventre agissent comme les bandes de roulement d’un pneu, assurant la traction avec le sol tandis que les muscles tirent le squelette interne du serpent vers l’avant dans un modèle ondulé qui devient fluide et sans couture lorsqu’ils se déplacent rapidement.
Les muscles du serpent sont activés séquentiellement de la tête vers la queue de manière remarquablement fluide et sans couture. Deux des muscles clés qui en sont responsables s’étendent des côtes (costo) à la peau (cutané), ce qui leur donne leur nom de costocutané.
« La colonne vertébrale se déplace vers l’avant à un rythme constant », explique Newman. « Un ensemble de muscles tire la peau vers l’avant, puis elle s’ancre en place. Et des muscles antagonistes opposés tirent sur la colonne vertébrale. »
L’avantage de ce type de mouvement est évident pour un prédateur qui mange des rongeurs et d’autres animaux qui passent du temps sous terre.
« Les serpents ont évolué à partir d’ancêtres fouisseurs. Vous pouvez vous glisser dans des trous ou des tunnels beaucoup plus étroits en vous déplaçant de cette façon que si vous deviez plier votre corps et pousser contre quelque chose », a déclaré Newman.
L’étude a été soutenue en partie par une subvention de la National Science Foundation.
Jayne a déclaré que la description de Lissmann en 1950 était en grande partie correcte.
« Mais il a émis l’hypothèse que le muscle qui raccourcit la peau était le mécanisme qui propulse un serpent vers l’avant. Il s’est trompé à ce sujet », a déclaré Jayne. « Mais compte tenu du temps qu’il a consacré à l’étude, je m’émerveille de la façon dont il a pu le faire. J’ai énormément d’admiration pour sa perspicacité. »
L’industrie a essayé d’imiter les mouvements serpentins et sans membres des serpents dans les robots qui peuvent inspecter les pipelines et autres équipements sous-marins. Newman a déclaré que les robots qui peuvent exploiter le mouvement rectiligne d’un serpent pourraient avoir des applications profondes.
« Cette recherche pourrait informer la robotique. Ce serait un grand avantage de pouvoir se déplacer en ligne droite dans des espaces réduits et confinés. Ils pourraient utiliser des robots ressemblant à des serpents pour la recherche et le sauvetage dans les débris et les bâtiments effondrés », a déclaré Newman.
La locomotion rectiligne est une vitesse lente pour les serpents qui, autrement, peuvent convoquer une vitesse surprenante. Ils ne l’utilisent que lorsqu’ils sont détendus. Les chercheurs ont observé que les serpents revenaient aux mouvements traditionnels en accordéon et en serpentin lorsqu’ils étaient surpris ou incités à bouger.
Cycliste passionné, Jayne a étudié la physiologie et la biomécanique du cyclisme dans un laboratoire à Rieveschl. Il mène des études permanentes sur la forme cardiovasculaire des coureurs. Il mesure leur consommation d’oxygène en une minute par kilogramme de poids corporel pour en savoir plus sur la façon dont les cyclistes peuvent augmenter la capacité de leurs muscles à brûler la lactase.
Mais il a toujours été le plus fasciné par les serpents. Ses travaux ont été publiés dans plus de 70 articles de revues, la plupart d’entre eux examinant un aspect du comportement ou de la biologie des serpents. Plus récemment, Jayne a étudié la locomotion des serpents, en particulier l’étonnante capacité de certains à grimper aux arbres.
Jayne enseigne la zoologie des vertébrés et la physiologie humaine et la biomécanique à l’UC.
L’intérêt de toute une vie de Jayne pour les serpents a donné à la science des aperçus aigus de nombreux comportements non documentés auparavant. Il a étudié les serpents mangeurs de crabes en Malaisie et teste l’acuité de la vision des serpents dans son propre laboratoire optique improvisé à l’UC.
En testant les limites de sa mobilité, Jayne peut en apprendre davantage sur les contrôles moteurs complexes du serpent. Cela peut éclairer la façon dont les humains peuvent exécuter des mouvements coordonnés.
« Ce qui leur permet d’aller dans toutes ces directions différentes et de faire face à toute cette complexité tridimensionnelle, c’est qu’ils ont une diversité ou une plasticité du contrôle neuronal des muscles », a déclaré Jayne. « Même si l’animal avait la force physique pour faire quelque chose, il n’aurait pas nécessairement le contrôle neuronal. »
Jayne veut en savoir plus sur la façon dont ce contrôle moteur raffiné contribue aux contorsions étonnantes d’un serpent.
« Ils se déplacent de tant de façons fascinantes. Est-ce parce qu’ils disposent d’une diversité incroyable de schémas moteurs que le système nerveux peut générer ? » a-t-il déclaré.
« Même si tous les serpents ont le même plan corporel, il existe des serpents entièrement aquatiques, des serpents qui se déplacent sur des surfaces planes, des serpents qui se déplacent dans un plan horizontal, des serpents qui grimpent. Ils vont partout », a-t-il déclaré. « Et la raison pour laquelle ils peuvent aller partout est qu’ils ont tellement de façons différentes de contrôler leurs muscles. C’est assez intriguant. »
Quatre types de mouvements des serpents :
Serpentine : Également appelé ondulation latérale, c’est le mouvement typique de côté à côté utilisé par les serpents sur un terrain accidenté ou dans l’eau.
Concertina : Les serpents s’enroulent en courbes alternées avant de se redresser pour se propulser vers l’avant.
Sidewinding : Les serpents se plient en vagues à la fois d’un côté à l’autre et dans un plan vertical pour soulever le corps afin de ne former que quelques points de contact avec le sol. Cela aide les crotales à traverser le sable chaud ou à escalader les dunes.
Rectiligne : Des muscles spécialisés font bouger la peau du ventre d’un serpent, le propulsant vers l’avant en ligne droite. Cela permet aux serpents de se glisser dans des terriers pas beaucoup plus grands qu’eux.
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