Змеи известны своими культовыми S-образными движениями. Но у них есть менее заметный навык, который дает им уникальную суперсилу.
Змеи могут ползать по прямой.
Биолог из Университета Цинциннати Брюс Джейн изучал механику движения змей, чтобы точно понять, как они могут двигаться вперед, как поезд в туннеле.
«Это очень хороший способ передвижения в ограниченном пространстве», - сказала Джейн. «Этим передвижением пользуются многие змеи с тяжелым телом: гадюки, удавы, анаконды и питоны».
Его исследование под названием «Ползать, не покачиваясь» было опубликовано в декабре в Журнале экспериментальной биологии.
Змеи обычно плавают, карабкаются или ползают, сгибая свой позвоночник в змеевидные кольца или используя передние кромки, чтобы отталкиваться от предметов. Крайний пример их разнообразия движений дал название гремучей змее с боковой обмоткой.
Джейн, профессор биологических наук в Колледже искусств и наук Макмикена Калифорнийского университета, уже раскрыла механику трех видов передвижения змей, называемых гармошкой, серпантином и боковым движением. Но прямолинейное движение змей, называемое «прямолинейным передвижением», привлекло меньше внимания, сказал он.
Эта координация мышечной активности и движений кожи была впервые исследована в 1950 году биологом Х. В. Лиссманн. Он предположил, что мускулы змеи в сочетании с рыхлой, гибкой и мягкой кожей живота позволяют ей двигаться вперед, не сгибая позвоночник.
"Прошло уже почти 70 лет, как этот тип передвижения не был хорошо понят", - сказала Джейн.
Джейн и его аспирант и соавтор Стивен Ньюман проверили гипотезу Лиссмана, используя оборудование, недоступное исследователям в 1950-х годах. Джейн использовала цифровые камеры высокого разрешения для съемки удавов, одновременно записывая электрические импульсы, генерируемые определенными мышцами. Это произвело электромиограмму (похожую на ЭКГ), которая показала координацию между мышцами, кожей змеи и ее телом.
Для исследования Ньюман и Джейн использовали удавов, крупных змей, известных тем, что они перемещаются по лесной подстилке по прямой линии. Они записали видео высокой четкости, на котором змеи движутся по горизонтальной поверхности, отмеченной контрольными отметками. Исследователи также добавили контрольные точки по бокам змей, чтобы отслеживать тонкое движение их чешуйчатой кожи.
Когда змея продвигается вперед на несколько дюймов, кожа на ее животе изгибается гораздо сильнее, чем кожа на грудной клетке и спине. Брюшные чешуи действуют как гусеницы на шине, обеспечивая сцепление с землей, когда мышцы тянут внутренний скелет змеи вперед по волнообразной схеме, которая становится плавной и бесшовной, когда они двигаются быстро.
Мышцы змеи последовательно активируются от головы к хвосту удивительно плавным и плавным образом. Две ключевые мышцы, ответственные за это, простираются от ребер (costo) до кожи (кожно), что дало им название реберно-кожные.
«Позвоночник движется вперед с постоянной скоростью», - сказал Ньюман. «Один набор мышц тянет кожу вперед, а затем она фиксируется на месте. А противоположные мышцы-антагонисты тянут позвоночник».
Преимущество такого движения очевидно для хищника, который питается грызунами и другими животными, которые проводят время под землей.
"Змеи произошли от роющих предков. Вы можете пролезть в гораздо более узкие норы или туннели, двигаясь таким образом, чем если бы вам приходилось сгибать свое тело и нажимать на что-то", - сказал Ньюман.
Исследование было частично поддержано грантом Национального научного фонда.
Джейн сказала, что описание Лиссмана 1950 года в значительной степени было правильным.
"Но он предположил, что мышца, которая укорачивает кожу, была механизмом, толкающим змею вперед. Он ошибся", - сказала Джейн. «Но, учитывая время, которое он проводил исследование, я восхищаюсь тем, как он смог это сделать. Я безмерно восхищаюсь его идеями».
Промышленность пыталась имитировать безногие, змеиные движения змей в роботах, которые могут осматривать трубопроводы и другое подводное оборудование. Ньюман сказал, что роботы, которые могут использовать прямолинейное движение змеи, могут найти глубокое применение.
Это исследование может дать информацию для робототехники. Было бы большим преимуществом иметь возможность двигаться по прямой линии в небольших замкнутых пространствах. Они могли бы использовать змееподобных роботов для поиска и спасения в обломках и разрушенных зданиях., - сказал Ньюман.
Прямолинейное передвижение - это низкая передача для змей, которые в противном случае могут развить удивительную скорость. Они используют его только тогда, когда они расслаблены. Исследователи заметили, что змеи возвращались к традиционным гармошкам и змеевидным движениям, когда их пугали или подталкивали к движению.
Заядлый велосипедист, Джейн изучала физиологию и биомеханику езды на велосипеде в лаборатории в Ривешеле. Он постоянно изучает состояние сердечно-сосудистой системы всадников. Он измеряет их потребление кислорода за одну минуту на килограмм массы тела, чтобы узнать больше о том, как велосипедисты могут увеличить способность своих мышц сжигать лактазу.
Но больше всего его всегда восхищали змеи. Его работа была опубликована в более чем 70 журнальных статьях, большинство из которых посвящено некоторым аспектам поведения или биологии змей. Совсем недавно Джейн изучала передвижение змей, особенно удивительную способность некоторых из них лазить по деревьям.
Джейн преподает зоологию позвоночных, физиологию и биомеханику человека в Калифорнийском университете.
Интерес Джейн к змеям на протяжении всей жизни дал науке глубокое понимание многих ранее незадокументированных поведений. Он изучал крабоядных змей в Малайзии и проверяет остроту зрения змей в своей импровизированной оптической лаборатории в Калифорнийском университете.
Испытывая пределы своей подвижности, Джейн может больше узнать о сложном управлении движениями змеи. Это может пролить свет на то, как люди могут выполнять скоординированные движения.
«Что позволяет им двигаться во всех этих разных направлениях и иметь дело со всей этой трехмерной сложностью, так это то, что они обладают разнообразием или пластичностью нейронного контроля над мышцами», - сказала Джейн. «Даже если бы у животного была физическая сила, чтобы что-то сделать, у него не обязательно был бы нейронный контроль».
Джейн хочет узнать больше о том, как этот отточенный контроль моторики способствует удивительным изгибам змеи.
"Они двигаются самыми захватывающими способами. Это потому, что у них такое невероятное разнообразие двигательных паттернов, которые может генерировать нервная система?" - сказал он.
«Несмотря на то, что все змеи имеют одинаковый план тела, есть полностью водные змеи, змеи, которые передвигаются по плоским поверхностям, змеи, которые передвигаются в горизонтальной плоскости, змеи, которые ползают. Они ходят повсюду», - сказал он. «И причина, по которой они могут ходить повсюду, заключается в том, что у них так много разных способов контролировать свои мышцы. Это довольно интригующе».
Четыре типа движения змеи:
Змеиный: также называемый боковой волнистостью, это типичное движение змей из стороны в сторону по пересеченной местности или в воде.
Концертина: змеи скручиваются в чередующиеся кривые, прежде чем выпрямиться, чтобы двигаться вперед.
Sidewinding: змеи изгибаются волнами как из стороны в сторону, так и в вертикальной плоскости, чтобы поднять тело, образуя всего несколько точек контакта с землей. Это помогает гремучим змеям перемещаться по горячему песку или взбираться на дюны.
Прямолинейный: специальные мышцы двигают кожу живота змеи, толкая ее вперед по прямой линии. Это позволяет змеям пролезать в норы ненамного большие, чем они сами.