Węże mogą pełzać w linii prostej.
Biolog z Uniwersytetu Cincinnati Bruce Jayne badał mechanikę ruchu węży, aby zrozumieć dokładnie jak mogą one napędzać się do przodu jak pociąg przez tunel.
„To bardzo dobry sposób poruszania się w ograniczonych przestrzeniach”, powiedział Jayne. „Wiele ciężkich węży używa tej lokomocji: żmije, boa dusiciele, anakondy i pytony.”
Jego badanie zatytułowane „Crawling without Wiggling” zostało opublikowane w grudniu w Journal of Experimental Biology.
Węże zazwyczaj pływają, wspinają się lub pełzają wyginając kręgosłup w serpentynowe zwoje lub używając wiodących krawędzi do odpychania obiektów. Skrajny przykład ich różnorodności ruchu daje grzechotnikowi sidewinder jego nazwę.
Jayne, profesor nauk biologicznych w UC’s McMicken College of Arts & Sciences, już odblokował mechanikę trzech rodzajów lokomocji węży zwanych concertina, serpentine i sidewinding. Ale prosty ruch węży, zwany „lokomocją prostoliniową”, zyskał mniej uwagi, powiedział.
Ta koordynacja aktywności mięśni i ruchu skóry została po raz pierwszy zbadana w 1950 roku przez biologa H.W. Lissmanna. Postawił on hipotezę, że mięśnie węża w połączeniu z jego luźną, elastyczną i gąbczastą skórą brzucha umożliwiły mu poruszanie się do przodu bez zginania kręgosłupa.
„Minęło prawie 70 lat, a ten rodzaj lokomocji nie został dobrze zrozumiany” – powiedział Jayne.
Jayne i jego student i współautor, Steven Newman, przetestowali hipotezę Lissmanna używając sprzętu niedostępnego dla badaczy w latach 50-tych. Jayne użył kamer cyfrowych o wysokiej rozdzielczości do filmowania boa dusicieli podczas nagrywania impulsów elektrycznych generowanych przez poszczególne mięśnie. To dało elektromiogram (podobny do EKG), który pokazał koordynację pomiędzy mięśniami, skórą węża i jego ciałem.
Do badań, Newman i Jayne użyli boa dusicieli, węży o dużej masie, znanych z podróżowania w linii prostej po dnie lasu. Nagrali wideo o wysokiej rozdzielczości z węży poruszających się po poziomej powierzchni pokrytej znakami odniesienia. Naukowcy dodali również kropki referencyjne po bokach węży, aby śledzić subtelny ruch ich łusek.
Gdy wąż przesuwa się do przodu, skóra na jego brzuchu napina się znacznie bardziej niż skóra nad żebrami i plecami. Łuski brzucha działają jak bieżniki na oponie, zapewniając trakcję z podłożem, gdy mięśnie ciągną wewnętrzny szkielet węża do przodu w pofałdowany wzór, który staje się płynny i bezproblemowy, gdy poruszają się szybko.
Mięśnie węża są sekwencyjnie aktywowane od głowy w kierunku ogona w niezwykle płynny i bezproblemowy sposób. Dwa z kluczowych mięśni odpowiedzialnych za to rozciągają się od żeber (costo) do skóry (cutaneous) nadając im nazwę costocutaneous.
„Kręgosłup porusza się do przodu w stałym tempie,” powiedział Newman. „Jeden zestaw mięśni pociąga skórę do przodu, a następnie zostaje zakotwiczona w miejscu. A przeciwstawne mięśnie antagonistyczne ciągną za kręgosłup.”
Zaleta tego rodzaju ruchu jest oczywista dla drapieżnika, który zjada gryzonie i inne zwierzęta spędzające czas pod ziemią.
„Węże wyewoluowały od grzebiących przodków. Możesz zmieścić się w znacznie węższych otworach lub tunelach poruszając się w ten sposób, niż gdybyś musiał zginać ciało i napierać na coś,” powiedział Newman.
Badanie zostało wsparte częściowo przez grant z National Science Foundation.
Jayne powiedział, że opis Lissmanna z 1950 roku był w dużej mierze poprawny.
„Ale postawił hipotezę, że mięsień, który skraca skórę był mechanizmem, który napędzał węża do przodu. To mu się pomyliło” – powiedział Jayne. „Ale biorąc pod uwagę czas, w którym przeprowadził badania, podziwiam, jak był w stanie to zrobić. Mam ogromny podziw dla jego spostrzeżeń.”
Przemysł próbował naśladować pozbawione kończyn, wężowe ruchy węży w robotach, które mogą kontrolować rurociągi i inne podwodne urządzenia. Newman powiedział, że roboty, które potrafią okiełznać prostoliniowy ruch węża, mogą mieć głębokie zastosowania.
„Te badania mogą wpłynąć na robotykę. Możliwość poruszania się po liniach prostych w małych, zamkniętych przestrzeniach byłaby wielką zaletą. Mogliby użyć wężopodobnych robotów do poszukiwania i ratowania w gruzach i zawalonych budynkach,” powiedział Newman.
Rektylinowa lokomocja to niski bieg dla węży, które w przeciwnym razie mogą przywołać zaskakującą prędkość. Używają go tylko wtedy, gdy są zrelaksowane. Badacze zaobserwowali, że węże powróciły do tradycyjnych ruchów harmonijkowych i serpentynowych, kiedy zostały zaskoczone lub nakłonione do ruchu.
Zapalony rowerzysta, Jayne badał fizjologię i biomechanikę jazdy na rowerze w laboratorium w Rieveschl. Prowadzi bieżące badania nad kondycją układu krążenia kolarzy. Mierzy zużycie tlenu w ciągu jednej minuty na kilogram masy ciała, aby dowiedzieć się więcej o tym, jak rowerzyści mogą zwiększyć zdolność swoich mięśni do spalania laktazy.
Ale zawsze najbardziej fascynowały go węże. Jego praca została opublikowana w ponad 70 artykułach w czasopismach, z których większość badała jakiś aspekt zachowania lub biologii węży. Ostatnio Jayne badał lokomocję węży, szczególnie niesamowitą zdolność niektórych z nich do wspinania się na drzewa.
Jayne wykłada zoologię kręgowców oraz fizjologię człowieka i biomechanikę na UC.
Zainteresowanie Jayne’a wężami przez całe życie dało nauce wgląd w wiele wcześniej nieudokumentowanych zachowań. Badał węże żywiące się krabami w Malezji i testuje ostrość widzenia węży w swoim prowizorycznym laboratorium optycznym na UC.
Badając granice ich mobilności, Jayne może dowiedzieć się więcej o skomplikowanej kontroli motorycznej węża. To może rzucić światło na to, jak ludzie mogą wykonywać skoordynowane ruchy.
„To, co pozwala im iść w tych wszystkich różnych kierunkach i radzić sobie z całą tą trójwymiarową złożonością, to ich różnorodność lub plastyczność neuronalnej kontroli mięśni,” powiedział Jayne. „Nawet jeśli zwierzę miałoby siłę fizyczną, aby coś zrobić, niekoniecznie miałoby kontrolę neuronową.”
Jayne chce dowiedzieć się więcej o tym, jak ta wyrafinowana kontrola motoryczna przyczynia się do niesamowitych konturów węża.
„Poruszają się na tak wiele fascynujących sposobów. Czy to dlatego, że mają tak niesamowitą różnorodność wzorców ruchowych, które układ nerwowy może wygenerować?” powiedział.
„Nawet jeśli wszystkie węże mają ten sam plan ciała, są węże w pełni wodne, węże, które poruszają się po płaskich powierzchniach, węże, które poruszają się w płaszczyźnie poziomej, węże, które się wspinają. One chodzą wszędzie,” powiedział. „A powodem, dla którego mogą chodzić wszędzie jest to, że mają tak wiele różnych sposobów kontrolowania swoich mięśni. To dość intrygujące.”
Cztery rodzaje ruchu węży:
Serpentyna: Nazywany również falowaniem bocznym, jest to typowy ruch z boku na bok używany przez węże na nierównym terenie lub w wodzie.
Koncertina: Węże zwijają się w naprzemienne łuki przed wyprostowaniem się, aby napędzić się do przodu.
Sidewinding: Węże wyginają się w fale zarówno z boku na bok, jak i w płaszczyźnie pionowej, aby unieść ciało, tworząc tylko kilka punktów styku z podłożem. To pomaga grzechotnikom przemierzać gorący piasek lub wspinać się na wydmy.
Rectilinear: Wyspecjalizowane mięśnie poruszają skórą brzucha węża, napędzając go do przodu w linii prostej. To pozwala wężom prześlizgnąć się przez nory niewiele większe od nich.