Serpii se pot târî în linie dreaptă.
Biologul Bruce Jayne, de la Universitatea din Cincinnati, a studiat mecanica mișcării șerpilor pentru a înțelege exact cum se pot propulsa înainte ca un tren printr-un tunel.
„Este un mod foarte bun de a se deplasa în spații restrânse”, a spus Jayne. „O mulțime de șerpi cu corpuri grele folosesc această locomoție: viperele, boa constrictorii, anacondele și pitonii.”
Studiul său intitulat „Crawling without Wiggling” a fost publicat în decembrie în Journal of Experimental Biology.
În mod obișnuit, șerpii înoată, se cațără sau se târăsc îndoindu-și coloana vertebrală în spirale șerpuite sau folosindu-se de marginile de atac pentru a împinge obiectele. Un exemplu extrem al diversității lor de mișcare dă numele șarpelui cu clopoței sidewinder.
Jayne, profesor de științe biologice în cadrul Colegiului McMicken de Arte al UC & Științe, a deblocat deja mecanica a trei tipuri de locomoție a șerpilor numite concertina, serpentină și sidewinding. Dar mișcarea directă a șerpilor, numită „locomoție rectilinie”, a primit mai puțină atenție, a spus el.
Această coordonare a activității musculare și a mișcării pielii a fost examinată pentru prima dată în 1950 de biologul H.W. Lissmann. El a emis ipoteza că mușchii șarpelui, combinați cu pielea largă, flexibilă și moale de pe burtă, i-au permis șarpelui să se deplaseze înainte fără să-și îndoaie coloana vertebrală.
„Au trecut aproape 70 de ani fără ca acest tip de locomoție să fie bine înțeles”, a spus Jayne.
Jayne și studentul său absolvent și coautor, Steven Newman, au testat ipoteza lui Lissmann folosind echipamente care nu erau disponibile pentru cercetători în anii 1950. Jayne a folosit camere digitale de înaltă definiție pentru a filma boa constrictor în timp ce înregistra impulsurile electrice generate de anumiți mușchi. Acest lucru a produs o electromiogramă (similară unui EKG) care a arătat coordonarea dintre mușchi, pielea șarpelui și corpul acestuia.
Pentru studiu, Newman și Jayne au folosit boa constrictor, șerpi cu corpuri mari, cunoscuți pentru faptul că se deplasează în linie dreaptă pe solul pădurii. Ei au înregistrat înregistrări video de înaltă definiție ale șerpilor care se deplasează pe o suprafață orizontală hașurată cu semne de referință. Cercetătorii au adăugat, de asemenea, puncte de referință pe părțile laterale ale șerpilor pentru a urmări mișcarea subtilă a pielii lor solzoase.
Când șarpele avansează cu câțiva centimetri, pielea de pe burtă se flexează mult mai mult decât pielea de pe cutia toracică și de pe spate. Solzii de pe burtă acționează ca niște benzi de rulare pe o anvelopă, asigurând tracțiunea cu solul în timp ce mușchii trag scheletul intern al șarpelui înainte într-un model ondulatoriu care devine fluid și fără cusur atunci când se mișcă rapid.
Mușchii șarpelui sunt activați secvențial de la cap spre coadă într-un mod remarcabil de fluid și fără cusur. Doi dintre mușchii cheie responsabili de acest lucru se întind de la coaste (costo) până la piele (cutanat), ceea ce le dă numele costocutanat.
„Coloana vertebrală se mișcă înainte cu o viteză constantă”, a spus Newman. „Un set de mușchi trage pielea înainte și apoi aceasta este ancorată la locul ei. Iar mușchii antagonici opuși trag de coloana vertebrală.”
Avantajul acestui tip de mișcare este evident pentru un prădător care se hrănește cu rozătoare și alte animale care își petrec timpul sub pământ.
„Șerpii au evoluat de la strămoșii care sapă. Poți intra în găuri sau tuneluri mult mai înguste mișcându-te în acest fel decât dacă ar trebui să-ți îndoi corpul și să te împingi împotriva a ceva”, a spus Newman.
Studiul a fost sprijinit parțial de un grant de la National Science Foundation.
Jayne a spus că descrierea din 1950 a lui Lissmann a fost în mare parte corectă.
„Dar el a emis ipoteza că mușchiul care scurtează pielea a fost mecanismul care propulsează un șarpe înainte. El a greșit acest lucru”, a spus Jayne. „Dar având în vedere timpul în care a efectuat studiul, mă minunez cum a reușit să facă acest lucru. Am o admirație enormă pentru intuițiile sale.”
Industria a încercat să imite mișcările fără membre și șerpuite ale șerpilor în roboții care pot inspecta conductele și alte echipamente subacvatice. Newman a spus că roboții care pot valorifica mișcarea rectilinie a șarpelui ar putea avea aplicații profunde.
„Această cercetare ar putea informa robotica. Ar fi un mare avantaj să se poată deplasa în linii drepte în spații mici și restrânse. S-ar putea folosi roboți asemănători șerpilor pentru căutare și salvare în dărâmături și clădiri prăbușite”, a spus Newman.
Locuțiunea rectilinie este o viteză redusă pentru șerpii care, altfel, pot invoca o viteză surprinzătoare. Ei o folosesc doar atunci când sunt relaxați. Cercetătorii au observat că șerpii au revenit la mișcările tradiționale de concertină și serpentină atunci când au fost speriați sau împinși să se miște.
Ciclist pasionat, Jayne a studiat fiziologia și biomecanica ciclismului într-un laborator din Rieveschl. Are în curs de desfășurare studii privind capacitatea cardiovasculară a cicliștilor. El le măsoară consumul de oxigen într-un minut pe kilogram de greutate corporală pentru a afla mai multe despre modul în care cicliștii pot crește capacitatea mușchilor lor de a arde lactoza.
Dar cel mai mult l-au fascinat întotdeauna șerpii. Lucrările sale au fost publicate în peste 70 de articole în reviste, majoritatea examinând un anumit aspect al comportamentului sau al biologiei șerpilor. Cel mai recent, Jayne a studiat locomoția șerpilor, în special abilitatea uimitoare a unora de a se cățăra în copaci.
Jayne predă zoologie vertebrată și fiziologie umană și biomecanică la UC.
Interesul lui Jayne pentru șerpi pe tot parcursul vieții i-a oferit științei o perspectivă ascuțită asupra multor comportamente nedocumentate anterior. El a studiat șerpii mâncători de crabi în Malaezia și testează acuitatea vederii șerpilor în propriul său laborator optic improvizat la UC.
Prin testarea limitelor mobilității sale, Jayne poate afla mai multe despre controalele motorii complexe ale șarpelui. Acest lucru poate aduce lumină asupra modului în care oamenii pot executa mișcări coordonate.
„Ceea ce le permite să meargă în toate aceste direcții diferite și să se ocupe de toată această complexitate tridimensională este faptul că au o diversitate sau plasticitate a controlului neuronal al mușchilor”, a spus Jayne. „Chiar dacă animalul ar avea forța fizică pentru a face ceva, nu ar avea neapărat controlul neuronal.”
Jayne dorește să afle mai multe despre modul în care acest control motor rafinat contribuie la contorsionările uimitoare ale șarpelui.
„Se mișcă în atât de multe moduri fascinante. Se datorează oare faptului că au o diversitate atât de incredibilă de modele motorii pe care sistemul nervos le poate genera?”, a spus el.
„Chiar dacă toți șerpii au același plan corporal, există șerpi complet acvatici, șerpi care se deplasează pe suprafețe plane, șerpi care se deplasează într-un plan orizontal, șerpi care se cațără. Ei merg peste tot”, a spus el. „Iar motivul pentru care pot merge peste tot este că au atât de multe moduri diferite de a-și controla mușchii. Asta este destul de intrigant.”
Cele patru tipuri de mișcare a șerpilor:
Serpentină: Numită și ondulație laterală, aceasta este mișcarea tipică de la o parte la alta folosită de șerpi pe teren accidentat sau în apă.
Concertina: Șerpii se înfășoară în curbe alternante înainte de a se îndrepta pentru a se propulsa înainte.
Sidewinding: Șerpii se îndoaie în valuri atât dintr-o parte în alta, cât și în plan vertical pentru a-și ridica corpul și a forma doar câteva puncte de contact cu solul. Acest lucru ajută șerpii cu clopoței să traverseze nisipul fierbinte sau să urce pe dune.
Rectilinie: Mușchii specializați mișcă pielea de pe burtă a șarpelui, propulsându-l înainte în linie dreaptă. Acest lucru permite șerpilor să se strecoare prin vizuini nu mult mai mari decât ei.
.