Slangar kan krypa i en rak linje.
Biologen Bruce Jayne från University of Cincinnati har studerat ormarnas rörelsemekanik för att förstå exakt hur de kan driva sig själva framåt som ett tåg genom en tunnel.
”Det är ett mycket bra sätt att förflytta sig i trånga utrymmen”, säger Jayne. ”Många tunga ormar använder sig av denna typ av rörelse: huggormar, boa constrictors, anakondor och pytoner.”
Hans studie med titeln ”Crawling without Wiggling” publicerades i december i Journal of Experimental Biology.
Slangar simmar, klättrar eller kryper vanligen genom att böja ryggraden i ormformade slingor eller genom att använda de främre kanterna för att skjuta bort föremål. Ett extremt exempel på deras mångfald av rörelser ger sidewinder-råttormen dess namn.
Jayne, som är professor i biologiska vetenskaper vid UC:s McMicken College of Arts & Sciences, har redan låst upp mekaniken i tre typer av ormarnas rörelse som kallas dragspel, ormbindning och sidewindning. Men ormarnas raka rörelse, som kallas ”rätlinjig rörelse”, har fått mindre uppmärksamhet, säger han.
Denna samordning av muskelaktivitet och hudrörelser undersöktes för första gången 1950 av biologen H.W. Lissmann. Han antog att ormens muskler i kombination med dess lösa, flexibla och kladdiga bukskinn gjorde det möjligt för den att röra sig framåt utan att böja ryggraden.
”Det har gått nästan 70 år utan att den typen av rörelseförmåga har blivit väl förstådd”, sade Jayne.
Jayne och hans doktorand och medförfattare, Steven Newman, testade Lissmanns hypotes med hjälp av utrustning som forskarna inte hade tillgång till på 1950-talet. Jayne använde högupplösta digitalkameror för att filma boa constrictors samtidigt som han registrerade de elektriska impulser som genererades av vissa muskler. Detta gav ett elektromyogram (liknande ett EKG) som visade samordningen mellan musklerna, ormens hud och kropp.
För studien använde Newman och Jayne boa constrictors, storväxta ormar som är kända för att röra sig i en rak linje över skogsgolvet. De spelade in högupplöst video av hur ormarna rörde sig över en horisontell yta med referensmarkeringar. Forskarna lade också till referenspunkter på ormarnas sidor för att följa den subtila rörelsen av deras fjällande hud.
När ormen rör sig framåt böjer sig huden på magen mycket mer än huden över bröstkorgen och ryggen. Skallarna på magen fungerar som slitbanor på ett däck och ger dragkraft mot marken när musklerna drar ormens inre skelett framåt i ett böljande mönster som blir flytande och sömlöst när de rör sig snabbt.
Slangens muskler aktiveras sekventiellt från huvudet mot svansen på ett anmärkningsvärt flytande och sömlöst sätt. Två av de viktigaste musklerna som ansvarar för detta sträcker sig från revbenen (costo) till huden (cutaneous) vilket ger dem namnet costocutaneous.
”Kotpelaren rör sig framåt i en konstant takt”, säger Newman. ”En uppsättning muskler drar huden framåt och sedan förankras den på plats. Och motsatta antagonistiska muskler drar i kotpelaren.”
Fördelen med den här typen av rörelse är uppenbar för ett rovdjur som äter gnagare och andra djur som tillbringar tid under jord.
”Ormar utvecklades från grävande förfäder. Du kan passa in i mycket smalare hål eller tunnlar genom att röra dig på det här sättet än om du var tvungen att böja kroppen och trycka mot något”, säger Newman.
Studien stöddes delvis av ett bidrag från National Science Foundation.
Jayne säger att Lissmanns beskrivning från 1950 i stort sett var korrekt.
”Men han antog att muskeln som förkortar huden var den mekanism som driver en orm framåt. Det hade han fel”, sade Jayne. ”Men med tanke på den tid han genomförde studien förundras jag över hur han kunde göra det. Jag har en enorm beundran för hans insikter.”
Industrin har försökt efterlikna ormarnas lemlösa, ormlika rörelser i robotar som kan inspektera rörledningar och annan undervattensutrustning. Newman sade att robotar som kan utnyttja ormens rätlinjiga rörelser skulle kunna få djupgående tillämpningar.
”Den här forskningen kan ge information om robotteknik. Det skulle vara en stor fördel att kunna röra sig i raka linjer i små, begränsade utrymmen. Man skulle kunna använda ormliknande robotar för att söka och rädda människor i spillror och kollapsade byggnader”, säger Newman.
Rektilinjär rörelse är en låg växel för ormar som annars kan uppbåda överraskande snabbhet. De använder den bara när de är avslappnade. Forskarna observerade att ormarna återgick till traditionella dragspel- och ormrörelser när de skrämdes eller uppmanades att röra sig.
Jayne är en ivrig cyklist och har studerat cyklingens fysiologi och biomekanik i ett labb i Rieveschl. Han har pågående studier av cyklisternas kardiovaskulära kondition. Han mäter deras syreförbrukning i en minut per kilo kroppsvikt för att lära sig mer om hur cyklister kan öka sina musklers förmåga att förbränna laktas.
Men han har alltid varit mest fascinerad av ormar. Hans arbete har publicerats i mer än 70 tidskriftsartiklar, varav de flesta undersöker någon aspekt av ormars beteende eller biologi. På senare tid har Jayne studerat ormarnas rörelseförmåga, särskilt vissa ormars fantastiska förmåga att klättra i träd.
Jayne undervisar i ryggradszoologi och mänsklig fysiologi och biomekanik vid UC.
Jaynes livslånga intresse för ormar har gett vetenskapen skarpa insikter i många tidigare odokumenterade beteenden. Han har studerat krabbätande ormar i Malaysia och testar ormarnas synskärpa i sitt eget provisoriska optiska labb på UC.
Om Jayne testar gränserna för ormarnas rörlighet kan han lära sig mer om ormarnas komplexa motoriska kontroller. Detta kan kasta ljus över hur människor kan utföra koordinerade rörelser.
”Det som gör att de kan gå i alla dessa olika riktningar och hantera all denna tredimensionella komplexitet är att de har en mångfald eller plasticitet i den neurala kontrollen av musklerna”, säger Jayne. ”Även om djuret hade den fysiska styrkan att göra något skulle det inte nödvändigtvis ha den neurala kontrollen.”
Jayne vill lära sig mer om hur denna förfinade motoriska kontroll bidrar till ormarnas fantastiska förvrängningar.
”De rör sig på så många fascinerande sätt. Beror det på att de har en sådan otrolig mångfald av motoriska mönster som nervsystemet kan generera?”, säger han.
”Även om alla ormar har samma kroppsplan finns det helt och hållet vattenlevande ormar, ormar som rör sig på plana ytor, ormar som rör sig i ett horisontellt plan, ormar som klättrar. De rör sig överallt”, sade han. ”Och anledningen till att de kan gå överallt är att de har så många olika sätt att styra sina muskler. Det är ganska fascinerande.”
Fyra typer av ormarörelser:
Serpentine: Detta är den typiska sido-sides rörelsen som används av ormar på ojämn mark eller i vattnet.
Concertina: Ormar rullar sig i omväxlande kurvor innan de rätar upp sig för att driva sig framåt.
Sidewinding: Detta är den typiska rörelsen som används av ormar på ojämnt underlag eller i vattnet: Ormar böjer sig i vågor både från sida till sida och i ett vertikalt plan för att lyfta kroppen så att den bara bildar några få kontaktpunkter med marken. Detta hjälper skallerormar att korsa varm sand eller klättra på sanddyner.
Rektilinjärt: Specialiserade muskler rör bukskinnet på ormen och driver den framåt i en rak linje. Detta gör det möjligt för ormar att glida genom hålor som inte är mycket större än de själva.