I serpenti possono strisciare in linea retta.
Il biologo Bruce Jayne dell’Università di Cincinnati ha studiato la meccanica del movimento dei serpenti per capire esattamente come possono spingersi in avanti come un treno attraverso un tunnel.
“È un modo molto buono per muoversi in spazi ristretti”, ha detto Jayne. “Un sacco di serpenti dal corpo pesante usano questa locomozione: vipere, boa constrictor, anaconde e pitoni.”
Il suo studio intitolato “Crawling without Wiggling” è stato pubblicato a dicembre nel Journal of Experimental Biology. Un esempio estremo della loro diversità di movimento dà il nome al serpente a sonagli sidewinder.
Jayne, professore di scienze biologiche nel McMicken College of Arts dell’UC & Scienze, ha già sbloccato la meccanica di tre tipi di locomozione dei serpenti chiamati concertina, serpentina e sidewinding. Ma il movimento lineare dei serpenti, chiamato “locomozione rettilinea”, ha ricevuto meno attenzione, ha detto.
Questo coordinamento dell’attività muscolare e del movimento della pelle è stato esaminato per la prima volta nel 1950 dal biologo H.W. Lissmann. Egli ipotizzò che i muscoli del serpente combinati con la sua pelle allentata, flessibile e morbida del ventre gli permettessero di scorrere in avanti senza piegare la spina dorsale.
“Sono passati quasi 70 anni senza che questo tipo di locomozione fosse ben compreso”, ha detto Jayne.
Jayne e il suo studente laureato e co-autore, Steven Newman, hanno testato l’ipotesi di Lissmann utilizzando attrezzature non disponibili ai ricercatori negli anni ’50. Jayne ha usato telecamere digitali ad alta definizione per filmare i boa costrittori mentre registrava gli impulsi elettrici generati da particolari muscoli. Questo ha prodotto un elettromiogramma (simile a un elettrocardiogramma) che ha mostrato la coordinazione tra i muscoli, la pelle del serpente e il suo corpo.
Per lo studio, Newman e Jayne hanno usato i boa constrictors, serpenti dal corpo grosso noti per viaggiare in linea retta sul suolo della foresta. Hanno registrato video ad alta definizione dei serpenti che si muovevano su una superficie orizzontale con segni di riferimento. I ricercatori hanno anche aggiunto dei punti di riferimento sui lati dei serpenti per tracciare il sottile movimento della loro pelle squamosa.
Quando il serpente si muove in avanti, la pelle del ventre si flette molto di più della pelle della cassa toracica e della schiena. Le scaglie del ventre agiscono come i battistrada di un pneumatico, fornendo trazione al terreno mentre i muscoli tirano lo scheletro interno del serpente in avanti in un modello ondulato che diventa fluido e senza soluzione di continuità quando si muovono rapidamente.
I muscoli del serpente sono attivati in sequenza dalla testa verso la coda in un modo straordinariamente fluido e senza soluzione di continuità. Due dei muscoli chiave responsabili di questo si estendono dalle costole (costo) alla pelle (cutanea) dando loro il nome di costocutaneo.
“La colonna vertebrale si muove in avanti ad un ritmo costante”, ha detto Newman. “Una serie di muscoli tira la pelle in avanti e poi viene ancorata in posizione. E i muscoli antagonisti opposti tirano la colonna vertebrale.”
Il vantaggio di questo tipo di movimento è ovvio per un predatore che mangia roditori e altri animali che passano il tempo sottoterra.
“I serpenti si sono evoluti da antenati scavatori. Si può entrare in buchi o tunnel molto più stretti muovendosi in questo modo che se si dovesse piegare il corpo e spingere contro qualcosa”, ha detto Newman.
Lo studio è stato sostenuto in parte da una sovvenzione della National Science Foundation.
Jayne ha detto che la descrizione di Lissmann del 1950 era in gran parte corretta.
“Ma ha ipotizzato che il muscolo che accorcia la pelle fosse il meccanismo che spinge il serpente in avanti. Ha sbagliato”, ha detto Jayne. “Ma dato il tempo in cui ha condotto lo studio, mi meraviglio di come sia stato in grado di farlo. Ho un’enorme ammirazione per le sue intuizioni”.
L’industria ha cercato di imitare i movimenti serpentini e senza arti dei serpenti nei robot che possono ispezionare le condutture e altre attrezzature subacquee. Newman ha detto che i robot che possono sfruttare il movimento rettilineo di un serpente potrebbero avere profonde applicazioni.
“Questa ricerca potrebbe informare la robotica. Sarebbe un grande vantaggio potersi muovere in linea retta in spazi piccoli e ristretti. Potrebbero usare robot simili a serpenti per la ricerca e il salvataggio tra i detriti e gli edifici crollati”, ha detto Newman.
La locomozione rettilinea è una marcia bassa per i serpenti che altrimenti possono evocare una velocità sorprendente. La usano solo quando sono rilassati. I ricercatori hanno osservato che i serpenti sono tornati ai tradizionali movimenti a concertina e a serpentina quando sono stati spaventati o pungolati a muoversi.
Un ciclista appassionato, Jayne ha studiato la fisiologia e la biomeccanica del ciclismo in un laboratorio di Rieveschl. Ha in corso studi sulla forma fisica cardiovascolare dei ciclisti. Misura il loro consumo di ossigeno in un minuto per chilogrammo di peso corporeo per saperne di più su come i ciclisti possono aumentare la capacità dei loro muscoli di bruciare la lattasi.
Ma è sempre stato affascinato soprattutto dai serpenti. Il suo lavoro è stato pubblicato in più di 70 articoli di giornale, la maggior parte dei quali esamina qualche aspetto del comportamento o della biologia dei serpenti. Più recentemente, Jayne ha studiato la locomozione dei serpenti, in particolare la sorprendente capacità di alcuni di arrampicarsi sugli alberi.
Jayne insegna zoologia dei vertebrati e fisiologia umana e biomeccanica alla UC.
L’interesse di Jayne per i serpenti ha dato alla scienza una profonda comprensione di molti comportamenti precedentemente non documentati. Ha studiato i serpenti mangiatori di granchi in Malesia e sta testando l’acutezza della visione dei serpenti nel suo laboratorio ottico improvvisato alla UC.
Testando i limiti della sua mobilità, Jayne può imparare di più sui complessi controlli motori del serpente. Questo può far luce su come gli esseri umani possono eseguire movimenti coordinati.
“Ciò che permette loro di andare in tutte queste diverse direzioni e affrontare tutta quella complessità tridimensionale è che hanno una diversità o plasticità del controllo neurale dei muscoli”, ha detto Jayne. “Anche se l’animale avesse la forza fisica per fare qualcosa, non avrebbe necessariamente il controllo neurale.”
Jayne vuole saperne di più su come questo raffinato controllo motorio contribuisca alle incredibili contorsioni di un serpente.
“Si muovono in così tanti modi affascinanti. Anche se tutti i serpenti hanno la stessa pianta del corpo, ci sono serpenti completamente acquatici, serpenti che si muovono su superfici piane, serpenti che si muovono su un piano orizzontale, serpenti che si arrampicano. Vanno ovunque”, ha detto. “E la ragione per cui possono andare ovunque è che hanno così tanti modi diversi di controllare i loro muscoli. Questo è piuttosto intrigante.”
Quattro tipi di movimento dei serpenti:
Serpentina: Chiamato anche ondulazione laterale, questo è il tipico movimento laterale usato dai serpenti su terreni accidentati o in acqua.
Concertina: I serpenti si avvolgono in curve alternate prima di raddrizzarsi per spingersi in avanti.
Sidewinding: I serpenti si piegano in onde sia da un lato all’altro che in un piano verticale per sollevare il corpo e formare solo pochi punti di contatto con il terreno. Questo aiuta i serpenti a sonagli ad attraversare la sabbia calda o a scalare le dune.
Rettilineo: Muscoli specializzati muovono la pelle del ventre di un serpente, spingendolo in avanti in linea retta. Questo permette ai serpenti di scivolare attraverso tane non molto più grandi di loro.