I serpenti sono noti per i loro iconici movimenti a forma di S. Ma hanno un'abilità meno evidente che conferisce loro un superpotere unico.

I serpenti possono strisciare in linea retta.

Il biologo dell'Università di Cincinnati Bruce Jayne ha studiato la meccanica del movimento dei serpenti per capire esattamente come possono spingersi in avanti come un treno attraverso un tunnel.

"È un ottimo modo per muoversi in spazi ristretti, " disse Jayne. "Molti serpenti dal corpo pesante usano questa locomozione:vipere, boa constrictor, anaconde e pitoni."

Il suo studio intitolato "Crawling without Wiggling" è stato pubblicato a dicembre nel Giornale di Biologia Sperimentale .

I serpenti di solito nuotano, arrampicarsi o strisciare piegando la spina dorsale in spire serpentine o usando i bordi d'attacco per spingere via gli oggetti. Un esempio estremo della loro diversità di movimento dà il nome al serpente a sonagli sidewinder.

Jayne, un professore di scienze biologiche nel McMicken College of Arts &Sciences della UC, ha già sbloccato i meccanismi di tre tipi di locomozione del serpente chiamati concertina, serpentino e laterale. Ma il movimento diretto dei serpenti, chiamato "locomozione rettilinea, " ha ricevuto meno attenzione, Egli ha detto.

Questa coordinazione dell'attività muscolare e del movimento della pelle è stata esaminata per la prima volta nel 1950 dal biologo H.W. Lissmann. Ipotizzava che i muscoli del serpente si combinassero con la sua scioltezza, la pelle flessibile e morbida del ventre gli permetteva di avanzare senza piegare la spina dorsale.

"Sono passati quasi 70 anni senza che quel tipo di locomozione fosse ben compreso, " ha detto Jayne.

Jayne e il suo studente laureato e coautore, Steven Newman, ha testato l'ipotesi di Lissmann utilizzando apparecchiature non disponibili per i ricercatori negli anni '50. Jayne ha utilizzato fotocamere digitali ad alta definizione per filmare i boa constrictor mentre registrava gli impulsi elettrici generati da particolari muscoli. Questo ha prodotto un elettromiogramma (simile a un ECG) che ha mostrato la coordinazione tra i muscoli, la pelle del serpente e il suo corpo.

Per lo studio, Newman e Jayne usavano boa constrictor, serpenti di grosso corpo noti per viaggiare in linea retta sul suolo della foresta. Hanno registrato video ad alta definizione dei serpenti che si muovono su una superficie orizzontale con segni di riferimento. I ricercatori hanno anche aggiunto punti di riferimento sui lati dei serpenti per tracciare il sottile movimento della loro pelle squamosa.

Quando il serpente avanza di qualche centimetro, la pelle del suo ventre si flette molto più della pelle sopra la cassa toracica e la schiena. Le squame del ventre agiscono come i battistrada di uno pneumatico, fornendo trazione con il terreno mentre i muscoli spingono in avanti lo scheletro interno del serpente in uno schema ondulato che diventa fluido e senza soluzione di continuità quando si muovono rapidamente.

I muscoli del serpente vengono attivati ​​in sequenza dalla testa verso la coda in modo straordinariamente fluido e senza soluzione di continuità. Due dei muscoli chiave responsabili di questo si estendono dalle costole (costo) alla pelle (cutanea) dando loro il nome costocutaneo.

"La colonna vertebrale si muove in avanti a una velocità costante, " Newman ha detto. "Un insieme di muscoli tira la pelle in avanti e poi viene ancorata al suo posto. E i muscoli antagonisti opposti tirano la colonna vertebrale".

Il vantaggio di questo tipo di movimento è evidente per un predatore che mangia roditori e altri animali che trascorrono il tempo sottoterra.

"I serpenti si sono evoluti da antenati scavatori. Puoi inserirti in buchi o tunnel molto più stretti muovendoti in questo modo che se dovessi piegare il tuo corpo e spingere contro qualcosa, " ha detto Newman.

Lo studio è stato sostenuto in parte da una sovvenzione della National Science Foundation.

Jayne ha detto che la descrizione di Lissmann del 1950 era in gran parte corretta.

"Ma ha ipotizzato che il muscolo che accorcia la pelle fosse il meccanismo che spinge un serpente in avanti. Ha sbagliato, " disse Jayne. "Ma dato il tempo in cui ha condotto lo studio, Mi meraviglio di come sia stato in grado di farlo. Ho una grande ammirazione per le sue intuizioni".

L'industria ha cercato di imitare i senza arti, movimenti serpentini di serpenti in robot in grado di ispezionare condutture e altre apparecchiature subacquee. Newman ha affermato che i robot in grado di sfruttare il movimento rettilineo di un serpente potrebbero avere applicazioni profonde.

"Questa ricerca potrebbe informare la robotica. Sarebbe un grande vantaggio potersi muovere in linea retta in piccoli, spazi confinati. Potrebbero usare robot simili a serpenti per la ricerca e il salvataggio nei detriti e negli edifici crollati, " ha detto Newman.

La locomozione rettilinea è una marcia bassa per i serpenti che altrimenti possono evocare una velocità sorprendente. Lo usano solo quando sono rilassati. I ricercatori hanno osservato che i serpenti tornavano ai tradizionali movimenti a fisarmonica e a serpentina quando venivano spaventati o spinti a muoversi.

Un appassionato ciclista, Jayne ha studiato la fisiologia e la biomeccanica del ciclismo in un laboratorio a Rieveschl. Ha studi in corso sull'idoneità cardiovascolare dei motociclisti. Misura il loro consumo di ossigeno in un minuto per chilogrammo di peso corporeo per saperne di più su come i ciclisti possono aumentare la capacità dei loro muscoli di bruciare la lattasi.

Ma è sempre stato molto affascinato dai serpenti. Il suo lavoro è stato pubblicato in più di 70 articoli su riviste, la maggior parte di loro esamina alcuni aspetti del comportamento o della biologia del serpente. Più recentemente, Jayne ha studiato la locomozione dei serpenti, in particolare la straordinaria capacità di alcuni di arrampicarsi sugli alberi.

Jayne insegna zoologia dei vertebrati e fisiologia umana e biomeccanica alla UC.

L'interesse permanente di Jayne per i serpenti ha fornito alla scienza approfondite intuizioni su molti comportamenti precedentemente non documentati. Ha studiato serpenti mangiatori di granchi in Malesia e sta testando l'acuità della visione dei serpenti nel suo laboratorio ottico improvvisato all'UC.

Testando i limiti della sua mobilità, Jayne può saperne di più sui complessi controlli motori del serpente. Questo può far luce su come gli esseri umani possono eseguire movimenti coordinati.

"Ciò che consente loro di andare in tutte queste diverse direzioni e affrontare tutta quella complessità tridimensionale è che hanno una diversità o plasticità del controllo neurale dei muscoli, " disse Jayne. "Anche se l'animale avesse la forza fisica per fare qualcosa, non avrebbe necessariamente il controllo neurale."

Jayne vuole saperne di più su come questo raffinato controllo motorio contribuisce alle incredibili contorsioni di un serpente.

"Si muovono in così tanti modi affascinanti. È perché hanno un'incredibile diversità di schemi motori che il sistema nervoso può generare?" Egli ha detto.

"Anche se tutti i serpenti hanno lo stesso schema corporeo, ci sono serpenti completamente acquatici, serpenti che si muovono su superfici piane, serpenti che si muovono su un piano orizzontale, serpenti che si arrampicano. vanno dappertutto, " ha detto. "E il motivo per cui possono andare ovunque è che hanno tanti modi diversi di controllare i loro muscoli. È piuttosto intrigante".

Quattro tipi di movimento del serpente:

• Serpentina:detta anche ondulazione laterale, questo è il tipico movimento laterale usato dai serpenti su terreno accidentato o nell'acqua.
• Concertina:i serpenti si avvolgono in curve alternate prima di raddrizzarsi per spingersi in avanti.
• Sidewinding:i serpenti si piegano in onde sia da un lato all'altro che su un piano verticale per sollevare il corpo e formare solo alcuni punti di contatto con il suolo. Questo aiuta i serpenti a sonagli ad attraversare la sabbia calda o a scalare le dune.
• Rettilineo:muscoli specializzati muovono la pelle del ventre di un serpente, spingendolo in avanti in linea retta. Ciò consente ai serpenti di scivolare attraverso tane non molto più grandi di loro.