Физика змеиной кожи объясняет боковое скольжение

Большинство змей перемещаются, изгибая тело в S-образные формы и скользя вперед головой. Однако некоторые виды, обитающие в пустынях Северной Америки, Африки и Ближнего Востока, передвигаются необычным способом. Эти змеи, известные как "sidewinders" ("бокоходы"), ведут движение средней частью тела, а не головой, перемещаясь боком по рыхлому песку.

Ученые изучили под микроскопом кожу бокоходов, чтобы понять, играет ли она роль в их уникальном способе передвижения. Они обнаружили, что брюхо бокоходов покрыто микроскопическими ямками и имеет мало или вообще не имеет крошечных шипиков, которые есть на брюхе других змей.

Открытие, включающее математическую модель, связывающую эти структуры с функцией, опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.

"Специализированная локомоция бокоходов независимо эволюционировала у разных видов в разных частях мира, что говорит о том, что боковое скольжение — хорошее решение проблемы", — говорит Дженнифер Ризер, доцент физики в Университете Эмори и первый автор исследования.

Соавторами работы являются герпетолог Джозеф Мендельсон, эволюционный биолог Джессика Тингл и физики Дэниел Голдман и Тай-Де Ли.

Исследование Ризер лежит на стыке физики сыпучих материалов (таких как песок) и биологии организмов. Она изучает, как поверхности животных взаимодействуют с сыпучими материалами в их среде обитания.

Бокоходы предоставили возможность глубже изучить, как природа эволюционировала для передвижения по рыхлому песку. В отличие от большинства змей, которые скользят вперед, прижимая брюхо к земле, бокоход приподнимает среднюю часть тела и смещает ее вбок.

Предыдущие исследования предполагали, что боковое скольжение может помогать змее лучше двигаться по песчаным склонам, распределяя силу воздействия на песок и предотвращая сход "лавины" с дюны.

В текущей работе ученые исследовали, может ли кожа бокоходов также играть роль в их уникальном стиле движения. Они сфокусировались на трех видах бокоходов-гадюк из зоопарков:

• Гремучник-бокоход (Crotalus cerastes) — пустыни юго-запада США и севера Мексики.
• Рогатая гадюка (Cerastes cerastes) и песчаная гадюка (Cerastes vipera) — пустыни Северной Африки.

Сброшенную кожу просканировали с помощью атомно-силовой микроскопии (разрешение на атомном уровне). Для сравнения также отсканировали кожу не-бокоходов.

Результаты сканирования:

• Кожа не-бокоходов: содержит микроскопические шипики, направленные от головы к хвосту.
• Кожа бокоходов: иная. У двух африканских видов на брюхе обнаружены микроямки и отсутствуют шипики. У гремучника-бокохода также были ямки, но вместе с несколькими гораздо меньшими шипиками (их было намного меньше, чем у "ползающих" змей).

Исследователи создали математическую модель, чтобы проверить, как эти разные структуры влияют на фрикционное взаимодействие с поверхностью.

Выводы модели:

• Шипики, направленные от головы к хвосту, усиливают скорость и расстояние при прямом скольжении, но мешают боковому движению (аналогично трению о вельвет вдоль и поперек рубчика).
• Однородные, ненаправленные круглые ямки улучшают боковое скольжение, но менее эффективны для прямого скольжения, чем шипики.

Исследование дает снимки конвергентной эволюции в разные моменты времени. Американские песчаные пустыни (например, Мохаве) моложе африканских: им около 20 000 лет против 7+ миллионов лет у Сахары.

"Это может объяснять, почему у гремучника-бокохода на брюхе еще осталось несколько микрошипиков", — отмечает Ризер. — "У него было не так много времени, чтобы эволюционировать для специализированного передвижения по песку, как у двух африканских видов, которые уже полностью утратили свои шипики".

Это открытие может быть полезно в робототехнике. В зависимости от типа поверхности, по которой должен двигаться робот, можно проектировать текстуру его поверхности для улучшения движения.