Slangen kunnen in een rechte lijn kruipen.
Universiteitsbioloog Bruce Jayne van Cincinnati bestudeerde de mechanica van slangenbewegingen om precies te begrijpen hoe ze zich als een trein door een tunnel kunnen voortbewegen.
“Het is een heel goede manier om je in kleine ruimtes voort te bewegen,” zei Jayne. “Veel slangen met een zwaar lichaam gebruiken deze voortbeweging: adders, boa constrictors, anaconda’s en pythons.”
Zijn studie getiteld “Crawling without Wiggling” werd in december gepubliceerd in het Journal of Experimental Biology.
Snakes zwemmen, klimmen of kruipen meestal door hun ruggengraat te buigen in kronkelende spiralen of door de voorranden te gebruiken om voorwerpen weg te duwen. Een extreem voorbeeld van hun diversiteit aan bewegingen geeft de sidewinder ratelslang zijn naam.
Jayne, een hoogleraar biologische wetenschappen in UC’s McMicken College of Arts & Sciences, heeft al de mechanica ontsloten van drie soorten slangenbewegingen, genaamd concertina, serpentine en sidewinding. Maar de rechtlijnige beweging van slangen, “rectilineaire locomotie” genoemd, heeft minder aandacht gekregen, zei hij.
De coördinatie van spieractiviteit en huidbeweging werd voor het eerst onderzocht in 1950 door bioloog H.W. Lissmann. Hij veronderstelde dat de spieren van de slang in combinatie met de losse, flexibele en kneedbare buikhuid haar in staat stelden om naar voren te schuiven zonder haar ruggengraat te buigen.
“Het is bijna 70 jaar geleden zonder dat dit type voortbeweging goed werd begrepen,” zei Jayne.
Jayne en zijn afgestudeerde student en co-auteur, Steven Newman, testten Lissmann’s hypothese met behulp van apparatuur die in de jaren 1950 niet beschikbaar was voor onderzoekers. Jayne gebruikte digitale camera’s met hoge definitie om boa constrictors te filmen terwijl ze de elektrische impulsen opnamen die door bepaalde spieren werden gegenereerd. Dit leverde een elektromyogram op (vergelijkbaar met een EKG) dat de coördinatie tussen de spieren, de huid van de slang en zijn lichaam liet zien.
Voor de studie gebruikten Newman en Jayne boa constrictors, slangen met een groot lichaam die erom bekend staan dat ze zich in een rechte lijn over de bosbodem voortbewegen. Ze namen high-definition video op van de slangen die over een horizontaal oppervlak bewogen dat voorzien was van referentietekens. De onderzoekers voegden ook referentiepunten toe op de flanken van de slangen om de subtiele beweging van hun geschubde huid te volgen.
Als de slang voorwaarts beweegt, buigt de huid op haar buik veel meer dan de huid over haar ribbenkast en rug. De buikschubben fungeren als loopvlakken op een band, en zorgen voor tractie met de grond terwijl de spieren het inwendige skelet van de slang naar voren trekken in een golvend patroon dat vloeiend en naadloos wordt wanneer ze snel bewegen.
De spieren van de slang worden achtereenvolgens geactiveerd van de kop naar de staart op een opmerkelijk vloeiende en naadloze manier. Twee van de belangrijkste spieren die hiervoor verantwoordelijk zijn strekken zich uit van de ribben (costo) naar de huid (cutane), waardoor ze hun naam costocutaneous.
“De wervelkolom beweegt voorwaarts in een constant tempo,” zei Newman. “Een set spieren trekt de huid naar voren en dan wordt het op zijn plaats verankerd. En tegenovergestelde antagonistische spieren trekken aan de wervelkolom.”
Het voordeel van dit soort beweging is duidelijk voor een roofdier dat knaagdieren en andere dieren eet die tijd onder de grond doorbrengen.
“Slangen zijn geëvolueerd van gravende voorouders. Je kunt door deze manier van bewegen in veel smallere gaten of tunnels passen dan wanneer je je lichaam moet buigen en ergens tegenaan moet duwen,” zei Newman.
De studie werd gedeeltelijk ondersteund door een subsidie van de National Science Foundation.
Jayne zei dat Lissmanns beschrijving uit 1950 grotendeels correct was.
“Maar hij veronderstelde dat de spier die de huid verkort het mechanisme was dat een slang vooruit stuwt. Hij had het mis,” zei Jayne. “Maar gezien de tijd waarin hij de studie uitvoerde, verwonder ik me erover hoe hij het heeft kunnen doen. Ik heb enorme bewondering voor zijn inzichten.”
De industrie heeft geprobeerd om de ledematenloze, slangachtige bewegingen van slangen na te bootsen in robots die pijpleidingen en andere onderwaterapparatuur kunnen inspecteren. Newman zei dat robots die de rechtlijnige beweging van een slang kunnen benutten, diepgaande toepassingen zouden kunnen hebben.
“Dit onderzoek zou de robotica kunnen informeren. Het zou een groot voordeel zijn om in rechte lijnen te kunnen bewegen in kleine, beperkte ruimtes. Ze zouden slangachtige robots kunnen gebruiken voor zoek- en reddingsacties in puin en ingestorte gebouwen,” aldus Newman.
Rectilineaire voortbeweging is een lage versnelling voor slangen die anders een verrassende snelheid kunnen opbrengen. Ze gebruiken het alleen als ze ontspannen zijn. De onderzoekers stelden vast dat slangen terugkeerden naar traditionele concertina- en serpentinebewegingen wanneer ze werden opgeschrikt of gepord om te bewegen.
Een fervent wielrenner, Jayne, heeft de fysiologie en biomechanica van het wielrennen bestudeerd in een laboratorium in Rieveschl. Hij bestudeert voortdurend de cardiovasculaire conditie van renners. Hij meet hun zuurstofverbruik in één minuut per kilogram lichaamsgewicht om meer te weten te komen over hoe fietsers hun spieren beter in staat kunnen stellen lactase te verbranden.
Maar hij is altijd het meest gefascineerd geweest door slangen. Zijn werk is gepubliceerd in meer dan 70 tijdschriftartikelen, waarvan de meeste betrekking hebben op een aspect van het gedrag of de biologie van slangen. Het meest recentelijk heeft Jayne de voortbeweging van slangen bestudeerd, met name het verbazingwekkende vermogen van sommige slangen om in bomen te klimmen.
Jayne doceert gewervelde zoölogie en menselijke fysiologie en biomechanica aan de UC.
Jayne’s levenslange belangstelling voor slangen heeft de wetenschap scherpe inzichten verschaft in veel voorheen ongedocumenteerd gedrag. Hij bestudeerde krabetende slangen in Maleisië en test de gezichtsscherpte van slangen in zijn eigen geïmproviseerde optische lab aan de UC.
Door de grenzen van zijn mobiliteit te testen, kan Jayne meer te weten komen over de complexe motoriek van de slang. Dit kan licht werpen op hoe mensen gecoördineerde bewegingen kunnen uitvoeren.
“Wat hen in staat stelt om in al die verschillende richtingen te gaan en om te gaan met al die driedimensionale complexiteit is dat ze een diversiteit of plasticiteit van neurale controle van de spieren hebben,” zei Jayne. “Zelfs als het dier de fysieke kracht zou hebben om iets te doen, zou het niet noodzakelijkerwijs de neurale controle hebben.”
Jayne wil meer te weten komen over hoe deze verfijnde motorische controle bijdraagt aan de verbazingwekkende vervormingen van een slang.
“Ze bewegen op zo veel fascinerende manieren. Komt dat omdat ze zo’n ongelooflijke diversiteit aan motorische patronen hebben die het zenuwstelsel kan genereren?” zei hij.
“Ook al hebben alle slangen hetzelfde lichaamsplan, er zijn volledig aquatische slangen, slangen die zich op vlakke oppervlakken voortbewegen, slangen die zich in een horizontaal vlak voortbewegen, slangen die klimmen. Ze gaan overal heen,” zei hij. “En de reden dat ze overal kunnen komen, is dat ze zoveel verschillende manieren hebben om hun spieren te besturen. Dat is behoorlijk intrigerend.”
Vier soorten slangenbewegingen:
Serpentine: Ook wel laterale golving genoemd, dit is de typische zijwaartse beweging die slangen gebruiken over ruwe grond of in het water.
Concertina: Slangen rollen zich in afwisselende bochten voordat ze zich rechttrekken om zichzelf voort te stuwen.
Zijwindend: Slangen buigen in golven zowel van links naar rechts als in een verticaal vlak om het lichaam op te tillen en slechts enkele contactpunten met de grond te vormen. Dit helpt ratelslangen om heet zand te doorkruisen of duinen te beklimmen.
Rectilineair: Gespecialiseerde spieren bewegen de buikhuid van een slang, waardoor deze in een rechte lijn naar voren wordt gestuwd. Hierdoor kunnen slangen door holen glippen die niet veel groter zijn dan zijzelf.