Slangen staan ​​bekend om hun iconische S-vormige bewegingen. Maar ze hebben een minder opvallende vaardigheid die hen een unieke superkracht geeft.

Slangen kunnen in een rechte lijn kruipen.

De bioloog Bruce Jayne van de Universiteit van Cincinnati bestudeerde de mechanica van slangenbewegingen om precies te begrijpen hoe ze zich als een trein door een tunnel voort kunnen stuwen.

"Het is een zeer goede manier om te bewegen in krappe ruimtes, Jayne zei. "Veel zware slangen gebruiken deze voortbeweging:adders, boa constrictors, anaconda's en pythons."

Zijn studie getiteld "Crawling without Wiggling" werd in december gepubliceerd in de Tijdschrift voor Experimentele Biologie .

Slangen zwemmen meestal, klimmen of kruipen door hun ruggengraat in kronkelige spoelen te buigen of de voorranden te gebruiken om objecten af ​​te duwen. Een extreem voorbeeld van hun diversiteit aan bewegingen geeft de sidewinder ratelslang zijn naam.

Jayne, een professor in biologische wetenschappen aan het McMicken College of Arts &Sciences van de UC, heeft al de mechanica ontgrendeld van drie soorten slangenbewegingen, concertina genaamd, serpentijn en zijwind. Maar de ongecompliceerde beweging van slangen, genaamd "rechtlijnige voortbeweging, "heeft minder aandacht gekregen, hij zei.

Deze coördinatie van spieractiviteit en huidbeweging werd in 1950 voor het eerst onderzocht door bioloog H.W. Lismann. Hij veronderstelde dat de spieren van de slang in combinatie met zijn losse, Dankzij de flexibele en squishy buikhuid kon het naar voren schuiven zonder zijn ruggengraat te buigen.

"Het is bijna 70 jaar geleden dat dit soort voortbeweging niet goed werd begrepen, ' zei Jayne.

Jayne en zijn afgestudeerde student en co-auteur, Steven Nieuwman, testte de hypothese van Lissmann met behulp van apparatuur die in de jaren vijftig niet beschikbaar was voor onderzoekers. Jayne gebruikte high-definition digitale camera's om boa constrictors te filmen terwijl ze de elektrische impulsen registreerde die door bepaalde spieren werden gegenereerd. Dit leverde een elektromyogram op (vergelijkbaar met een ECG) dat de coördinatie tussen de spieren liet zien, de huid en het lichaam van de slang.

Voor de studie, Newman en Jayne gebruikten boa constrictors, grote slangen die bekend staan ​​om hun reizen in een rechte lijn over de bosbodem. Ze namen high-definition video op van de slangen die over een horizontaal oppervlak bewogen met referentiemarkeringen. De onderzoekers voegden ook referentiepunten toe aan de zijkanten van de slangen om de subtiele beweging van hun schilferige huid te volgen.

Wanneer de slang naar voren schuift, de huid op zijn buik buigt veel meer dan de huid over zijn ribbenkast en rug. De buikschubben werken als treden op een band, zorgt voor tractie met de grond terwijl de spieren het interne skelet van de slang naar voren trekken in een golvend patroon dat vloeiend en naadloos wordt als ze snel bewegen.

De spieren van de slang worden achtereenvolgens geactiveerd van de kop naar de staart op een opmerkelijk vloeiende en naadloze manier. Twee van de belangrijkste spieren die hiervoor verantwoordelijk zijn, strekken zich uit van de ribben (costo) tot de huid (cutaan), waardoor ze hun naam costocutaan krijgen.

"De wervelkolom beweegt met een constante snelheid vooruit, " zei Newman. "Eén set spieren trekt de huid naar voren en dan wordt het op zijn plaats verankerd. En tegenovergestelde antagonistische spieren trekken aan de wervelkolom."

Het voordeel van dit soort bewegingen is duidelijk voor een roofdier dat knaagdieren en andere dieren eet die tijd onder de grond doorbrengen.

"Slangen zijn geëvolueerd van gravende voorouders. Je kunt in veel smallere gaten of tunnels passen door op deze manier te bewegen dan wanneer je je lichaam moet buigen en ergens tegenaan moet duwen, ' zei Nieuwman.

Het onderzoek werd mede mogelijk gemaakt door een subsidie ​​van de National Science Foundation.

Jayne zei dat de beschrijving van Lissmann uit 1950 grotendeels correct was.

"Maar hij veronderstelde dat de spier die de huid verkort, het mechanisme is dat een slang voortstuwt. Dat had hij verkeerd, Jayne zei. "Maar gezien de tijd dat hij de studie leidde, Ik sta versteld hoe hij dat heeft kunnen doen. Ik heb enorme bewondering voor zijn inzichten."

De industrie heeft geprobeerd de ledematenloze, kronkelige bewegingen van slangen in robots die pijpleidingen en andere onderwaterapparatuur kunnen inspecteren. Newman zei dat robots die de rechtlijnige beweging van een slang kunnen benutten, diepgaande toepassingen kunnen hebben.

"Dit onderzoek zou robotica kunnen informeren. Het zou een groot voordeel zijn om in kleine, rechte lijnen te kunnen bewegen besloten ruimtes. Ze zouden slangachtige robots kunnen gebruiken voor zoek- en reddingsacties in puin en ingestorte gebouwen, ' zei Nieuwman.

Rechtlijnige voortbeweging is een lage versnelling voor slangen die anders verrassende snelheid kunnen oproepen. Ze gebruiken het alleen als ze ontspannen zijn. De onderzoekers merkten op dat slangen terugkeerden naar traditionele concertina- en serpentinebewegingen wanneer ze werden opgeschrikt of geprikkeld om te bewegen.

Een fervent fietser, Jayne heeft de fysiologie en biomechanica van fietsen bestudeerd in een laboratorium in Rieveschl. Hij heeft doorlopend onderzoek naar de cardiovasculaire conditie van ruiters. Hij meet hun zuurstofverbruik in één minuut per kilogram lichaamsgewicht om meer te weten te komen over hoe fietsers het vermogen van hun spieren om lactase te verbranden kunnen vergroten.

Maar hij is altijd het meest gefascineerd geweest door slangen. Zijn werk is gepubliceerd in meer dan 70 tijdschriftartikelen, de meeste van hen onderzoeken een bepaald aspect van slangengedrag of biologie. Meest recent, Jayne heeft de voortbeweging van slangen bestudeerd, vooral het verbazingwekkende vermogen van sommigen om in bomen te klimmen.

Jayne doceert gewervelde zoölogie en menselijke fysiologie en biomechanica aan UC.

Jayne's levenslange interesse in slangen heeft de wetenschap scherpe inzichten gegeven in veel eerder ongedocumenteerd gedrag. Hij bestudeerde krabetende slangen in Maleisië en test de scherpte van het zien van slangen in zijn eigen geïmproviseerde optische laboratorium aan de UC.

Door de grenzen van zijn mobiliteit te testen, Jayne kan meer te weten komen over de complexe motorische besturing van de slang. Dit kan licht werpen op hoe mensen gecoördineerde bewegingen kunnen uitvoeren.

"Wat hen in staat stelt om in al deze verschillende richtingen te gaan en om te gaan met al die driedimensionale complexiteit, is dat ze een diversiteit of plasticiteit hebben van neurale controle van de spieren, "Zei Jayne. "Zelfs als het dier de fysieke kracht had om iets te doen, het zou niet per se de neurale controle hebben."

Jayne wil meer leren over hoe deze verfijnde motorische controle bijdraagt ​​aan de verbazingwekkende verdraaiingen van een slang.

"Ze bewegen op zoveel fascinerende manieren. Is dat omdat ze zo'n ongelooflijke diversiteit aan motorpatronen hebben die het zenuwstelsel kan genereren?" hij zei.

"Ook al hebben alle slangen hetzelfde lichaamsbouw, er zijn volledig waterslangen, slangen die op vlakke oppervlakken bewegen, slangen die in een horizontaal vlak bewegen, slangen die klimmen. Ze gaan overal heen, " zei hij. "En de reden dat ze overal naartoe kunnen gaan, is dat ze zoveel verschillende manieren hebben om hun spieren te beheersen. Dat is best intrigerend."

Vier soorten slangenbewegingen:

• Serpentine:Ook wel laterale golving genoemd, dit is de typische zij-aan-zij beweging die wordt gebruikt door slangen over ruwe grond of in het water.
• Concertina:Slangen kronkelen in afwisselende bochten voordat ze zichzelf rechtzetten om zichzelf voort te stuwen.
• Sidewinding:Slangen buigen in golven van links naar rechts en in een verticaal vlak om het lichaam op te tillen om slechts een paar contactpunten met de grond te vormen. Dit helpt ratelslangen om heet zand te doorkruisen of duinen te beklimmen.
• Rechtlijnig:gespecialiseerde spieren bewegen de buikhuid van een slang, het voortstuwen in een rechte lijn. Hierdoor kunnen slangen door holen glippen die niet veel groter zijn dan ze zijn.