Forskere forklarer, hvordan slanger kan kravle i en lige linje

Slanger er kendt for deres ikoniske S-formede bevægelser. Men de har en mindre mærkbar færdighed, der giver dem en unik superkraft.

Slanger kan kravle i en lige linje.

Biologen Bruce Jayne fra University of Cincinnati studerede slangebevægelsens mekanik for at forstå præcis, hvordan de kan køre sig selv frem som et tog gennem en tunnel.

"Det er en meget god måde at bevæge sig i trange rum, " sagde Jayne. "Mange tunge slanger bruger denne bevægelse:hugorme, boa constrictors, anakondaer og pythoner."

Hans undersøgelse med titlen "Crawling without Wiggling" blev offentliggjort i december i Journal of Experimental Biology .

Slanger svømmer typisk, klatre eller kravle ved at bøje deres rygsøjle i serpentinespiraler eller bruge forkanterne til at skubbe genstande af. Et ekstremt eksempel på deres mangfoldighed af bevægelser giver sidewinder-klapperslangen sit navn.

Jayne, en professor i biologiske videnskaber ved UC's McMicken College of Arts &Sciences, har allerede låst op for mekanikken i tre slags slangebevægelser kaldet harmonika, serpentin og sidevinding. Men den ligefremme bevægelse af slanger, kaldet "retlineær bevægelse, "har fået mindre opmærksomhed, han sagde.

Denne koordinering af muskelaktivitet og hudbevægelse blev første gang undersøgt i 1950 af biologen H.W. Lissmann. Han antog, at slangens muskler kombineret med dens løse, fleksibelt og blødt maveskind gjorde det muligt for den at løbe fremad uden at bøje rygsøjlen.

"Det er næsten 70 år siden, uden at den form for bevægelse er blevet forstået godt, " sagde Jayne.

Jayne og hans kandidatstuderende og medforfatter, Steven Newman, testede Lissmanns hypotese ved hjælp af udstyr, der ikke var tilgængeligt for forskere i 1950'erne. Jayne brugte high-definition digitalkameraer til at filme boa constrictors, mens han optog de elektriske impulser, der genereres af bestemte muskler. Dette producerede et elektromyogram (svarende til et EKG), der viste koordinationen mellem musklerne, slangens hud og dens krop.

Til studiet, Newman og Jayne brugte boa constrictors, store slanger kendt for at rejse i en lige linje over skovbunden. De optog high-definition video af slangerne, der bevægede sig hen over en vandret overflade, der er hasket med referencemærker. Forskerne tilføjede også referenceprikker på siderne af slangerne for at spore den subtile bevægelse af deres skællende hud.

Når slangen bevæger sig fremad, huden på maven bøjer langt mere end huden over brystkassen og ryggen. Maveskællene virker som slidbaner på et dæk, giver trækkraft med jorden, når musklerne trækker slangens indre skelet fremad i et bølgende mønster, der bliver flydende og sømløst, når de bevæger sig hurtigt.

Slangens muskler aktiveres sekventielt fra hovedet mod halen på en bemærkelsesværdig flydende og sømløs måde. To af de vigtigste muskler, der er ansvarlige for dette, strækker sig fra ribbenene (costo) til huden (kutan), hvilket giver dem deres navn costocutaneous.

"Hvirvelsøjlen bevæger sig fremad med en konstant hastighed, " sagde Newman. "Et sæt muskler trækker huden fremad, og så bliver den forankret på plads. Og modsatte antagonistiske muskler trækker på rygsøjlen."

Fordelen ved denne form for bevægelse er indlysende for et rovdyr, der spiser gnavere og andre dyr, der tilbringer tid under jorden.

"Slanger udviklede sig fra gravende forfædre. Du kan passe ind i meget smallere huller eller tunneler ved at bevæge dig på denne måde, end hvis du skulle bøje din krop og skubbe mod noget, " sagde Newman.

Undersøgelsen blev delvist støttet af en bevilling fra National Science Foundation.

Jayne sagde, at Lissmanns beskrivelse fra 1950 stort set var korrekt.

"Men han antog, at den muskel, der forkorter huden, var den mekanisme, der driver en slange fremad. Det tog han forkert, " sagde Jayne. "Men givet den tid, han udførte undersøgelsen, Jeg undrer mig over, hvordan han var i stand til at gøre det. Jeg har en enorm beundring for hans indsigt."

Industrien har forsøgt at efterligne de lemmerløse, slangebevægelser i robotter, der kan inspicere rørledninger og andet undervandsudstyr. Newman sagde, at robotter, der kan udnytte en slanges retlinede bevægelse, kan have dybtgående anvendelser.

"Denne forskning kunne informere robotter. Det ville være en stor fordel at kunne bevæge sig i lige linjer i små, lukkede rum. De kunne bruge slangelignende robotter til eftersøgning og redning i affald og kollapsede bygninger, " sagde Newman.

Retlinjet bevægelse er lavt gear for slanger, der ellers kan fremkalde overraskende fart. De bruger det kun, når de er afslappede. Forskerne observerede, at slanger vendte tilbage til traditionelle harmonika- og slangebevægelser, når de blev forskrækket eller tilskyndet til at bevæge sig.

En ivrig cyklist, Jayne har studeret cykelsportens fysiologi og biomekanik i et laboratorium i Rieveschl. Han har løbende undersøgelser af rytteres kardiovaskulære kondition. Han måler deres iltforbrug på et minut pr. kilo kropsvægt for at lære mere om, hvordan cyklister kan øge deres musklers evne til at forbrænde laktase.

Men han har altid været mest fascineret af slanger. Hans arbejde er blevet publiceret i mere end 70 tidsskriftsartikler, de fleste af dem undersøger nogle aspekter af slangeadfærd eller biologi. Seneste, Jayne har studeret slangebevægelse, især nogles fantastiske evne til at klatre i træer.

Jayne underviser i hvirveldyrs zoologi og menneskelig fysiologi og biomekanik på UC.

Jaynes livslange interesse for slanger har givet videnskaben skarp indsigt i mange tidligere udokumenterede adfærd. Han studerede krabbeædende slanger i Malaysia og tester skarpheden af ​​slangesyn i sit eget provisoriske optiske laboratorium på UC.

Ved at teste grænserne for dens mobilitet, Jayne kan lære mere om slangens komplekse motoriske kontroller. Dette kan kaste lys over, hvordan mennesker kan udføre koordinerede bevægelser.

"Det, der giver dem mulighed for at gå i alle disse forskellige retninger og håndtere al den tredimensionelle kompleksitet, er, at de har en mangfoldighed eller plasticitet af neural kontrol af musklerne, " sagde Jayne. "Selv om dyret havde den fysiske styrke til at gøre noget, det ville ikke nødvendigvis have den neurale kontrol."

Jayne ønsker at lære mere om, hvordan denne raffinerede motorstyring bidrager til en slanges fantastiske forvridninger.

"De bevæger sig på så mange fascinerende måder. Er det fordi de har en så utrolig mangfoldighed af motoriske mønstre, som nervesystemet kan generere?" han sagde.

"Selvom alle slanger har den samme kropsplan, der er helt vandlevende slanger, slanger, der bevæger sig på flade overflader, slanger, der bevæger sig i et vandret plan, slanger der klatrer. De går overalt, " sagde han. "Og grunden til, at de kan gå overalt, er, at de har så mange forskellige måder at kontrollere deres muskler på. Det er ret spændende."

Fire typer slangebevægelser:

• Serpentine:Også kaldet lateral undulation, dette er den typiske side-til-side bevægelse, der bruges af slanger over ru jord eller i vandet.
• Concertina:Slanger ruller sig sammen i vekslende kurver, før de retter sig op for at drive sig fremad.
• Sidevinding:Slanger bøjer sig i bølger både fra side til side og i et lodret plan for at løfte kroppen for kun at danne nogle få kontaktpunkter med jorden. Dette hjælper klapperslanger med at krydse varmt sand eller klatre i klitter.
• Retlineær:Specialiserede muskler bevæger maveskindet på en slange, driver den fremad i en lige linje. Dette gør det muligt for slanger at glide gennem huler, der ikke er meget større, end de er.