Исследователи объяснили, как змеи могут ползать по прямой линии

Змеи известны своими характерными S-образными движениями. Но у них есть менее заметный навык, дающий им уникальную сверхспособность: они могут ползать по прямой линии.

Биолог из Университета Цинциннати Брюс Джейн изучил механику движения змей, чтобы понять, как они могут продвигаться вперед, подобно поезду в туннеле.

"Это очень хороший способ передвижения в ограниченном пространстве. Многие тяжелые змеи используют эту локомоцию: гадюки, удавы, анаконды и питоны", — сказал Джейн.

Его исследование под названием "Crawling without Wiggling" было опубликовано в декабре в Journal of Experimental Biology.

Обычно змеи плавают, лазают или ползают, изгибая позвоночник в серпантинные петли или отталкиваясь от объектов передними краями тела. Крайний пример разнообразия их движений дал название гремучей змее-«sidewinder» (боковой ход).

Джейн, профессор биологических наук, уже раскрыл механику трех видов змеиной локомоции: «concertina», «serpentine» и «sidewinding». Но прямолинейное движение змей, называемое «rectilinear locomotion», получило меньше внимания.

Эта координация мышечной активности и движения кожи была впервые изучена в 1950 году биологом Х.В. Лиссманном. Он предположил, что мышцы змеи в сочетании с ее свободной, гибкой и мягкой кожей на брюхе позволяют ей двигаться вперед, не изгибая позвоночник.

"Прошло почти 70 лет, и этот тип локомоции до сих пор не был хорошо понят", — сказал Джейн.

Джейн и его аспирант, соавтор Стивен Ньюман, проверили гипотезу Лиссманна с помощью оборудования, недоступного исследователям в 1950-х. Джейн использовал камеры высокой четкости для съемки удавов, одновременно записывая электрические импульсы, генерируемые определенными мышцами. Это позволило получить электромиограмму (аналогичную ЭКГ), которая показала координацию между мышцами, кожей и телом змеи.

Для исследования Ньюман и Джейн использовали удавов — крупных змей, известных своим прямолинейным движением по лесной подстилке. Они записали HD-видео змей, движущихся по горизонтальной поверхности с нанесенной разметкой. Исследователи также добавили контрольные точки по бокам змей, чтобы отслеживать тонкое движение их чешуйчатой кожи.

Когда змея продвигается вперед, кожа на ее брюхе изгибается гораздо сильнее, чем кожа над грудной клеткой и спиной. Брюшные щитки действуют как протекторы шины, обеспечивая сцепление с землей, в то время как мышцы тянут внутренний скелет змеи вперед волнообразным движением, которое становится плавным и непрерывным при быстром движении.

Мышцы змеи последовательно активируются от головы к хвосту удивительно плавным и непрерывным образом. Две ключевые мышцы, ответственные за это, идут от ребер (costo) к коже (cutaneous), что дало им название costocutaneous.

"Позвоночный столб движется вперед с постоянной скоростью. Один набор мышц тянет кожу вперед, а затем она фиксируется на месте. А противоположные антагонистические мышцы тянут позвоночный столб", — сказал Ньюман.

Преимущество такого движения очевидно для хищника, который питается грызунами и другими животными, проводящими 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 пришлось изгибать тело и отталкиваться от чего-либо", — сказал Ньюман.

Исследование было частично поддержано грантом Национального научного фонда (NSF).

Джейн сказал, что описание Лиссманна 1950 года в основном было верным.

"Но он предположил, что мышца, сокращающая кожу, является механизмом, который толкает змею вперед. В этом он ошибся. Но учитывая время, когда он проводил исследование, я поражаюсь, как он смог это сделать. Я испытываю огромное восхищение его проницательностью", — сказал Джейн.

Промышленность пыталась имитировать безногие змеевидные движения в роботах для инспекции трубопроводов и другого подводного оборудования. Ньюман сказал, что роботы, способные использовать прямолинейное движение змей, могут иметь важное применение.

"Это исследование может быть полезно для робототехники. Возможность двигаться по прямой в небольших, ограниченных пространствах была бы большим преимуществом. Змееподобных роботов можно было бы использовать для поиска и спасения в завалах и разрушенных зданиях", — сказал Ньюман.

Прямолинейная локомоция — это низкая передача для змей, которые в остальном могут развивать удивительную скорость. Они используют ее только в расслабленном состоянии. Исследователи наблюдали, что змеи возвращались к традиционным движениям «concertina» и «serpentine», когда их пугали или заставляли двигаться.

Четыре типа движения змей:

• Serpentine (Серпантинное): Также называется боковым изгибанием, это типичное движение из стороны в сторону, используемое змеями по неровной поверхности или в воде.
• Concertina (Концертинное): Змеи сворачиваются в чередующиеся изгибы, прежде чем выпрямиться, чтобы продвинуться вперед.
• Sidewinding (Боковой ход): Змеи изгибаются волнами как из стороны в сторону, так и в вертикальной плоскости, чтобы приподнять тело и образовать лишь несколько точек контакта с землей. Это помогает гремучим змеям преодолевать горячий песок или взбираться на дюны.
• Rectilinear (Прямолинейное): Специализированные мышцы двигают кожу на брюхе змеи, продвигая ее вперед по прямой линии. Это позволяет змеям проскальзывать в норы, ненамного превышающие их собственный диаметр.