Jak hadi šplhají bez končetin?

Zvířata dělají ty nejúžasnější věci. Přečtěte si o nich v tomto seriálu od Janaki Leninové.

Hnědý stromový had šplhá po tyči s kolíky. Kredit: Bruce Jayne

Hadi šplhají po stromech bez pomoci rukou, nohou, drápů nebo lepkavých polštářků na prstech. Také se plazí, zahrabávají, plavou, a dokonce plachtí vzduchem. Ať už dělají cokoli, jejich tělesný plán se nemění. Vodní hadi nemají ploutve, létající hadi nemají křídla a ani hrabající hadi nemají drápy. Jejich tělo je však jemně upraveno. Specialisté na šplhání po stromech jsou štíhlí s dlouhým ocasem, který je často chápavý a dokáže se namotat na větve. Suchozemští lezci, jako jsou hroznýši, jsou těžší a mají krátké ocasy. Všichni mořští hadi se pohybují pomocí plochých, pádlovitých ocasů.

Hadi šplhají ohýbáním a ohýbáním celé délky svého trubkovitého těla. Jejich lesklá břicha sice vypadají nevhodně pro šplhání, ale kloužou po hrubé kůře stromů. Kdyby byly drsné, způsobovaly by tření a zpomalovaly by postup plazů.

Kmeny stromů se pohybují od hladkých po drsné. Hladké kmeny a stěny stromů, které neposkytují oporu, některé hady porážejí. Zdatní stromolezci, jako jsou západní užovky krysí, se vyhýbají výstupu na stromy s hladkou kůrou po celých USA.

Hnědé užovky z jižního Pacifiku patří mezi elitní stromolezce. Během druhé světové války napadli tichomořský ostrov Guam jako černí pasažéři na nákladních lodích. Bez predátorů, kteří by je drželi pod kontrolou, se jejich počty vymkly kontrole. Žádná část ostrova před nimi není v bezpečí. Hadi již zdecimovali původní druhy ptáků a savců. Způsobují výpadky elektřiny, protože šplhají po elektrických sloupech a způsobují zkraty.

Jaké je tajemství jejich výjimečné šplhací schopnosti?“

Hady hnědé šplhají po kluzkém sloupu. Kredit: Bruce Jayne

Profesor biomechaniky Bruce Jayne a jeho studenti z univerzity v americkém Cincinnati provedli experiment. Podrobili zkoušce statné hady hroznýše, středně těžké hady kukuřičné a štíhlé, mrštné hnědé hady stromové. Kukuřiční hadi jsou všestranní, loví na zemi i na stromech. Všech 37 kandidátů mělo stejnou velikost, délku mezi metrem a metrem a půl.

Výzkumníci simulovali různé textury kmene stromů zatloukáním kolíků do hladkých válců. Kolíky byly téměř v jedné rovině s kůly nebo vyčnívaly až 4 cm. Výzkumníci také měnili stupeň sklonu válce z vodorovného na svislý. Sledovali, jak se hadům dařilo s rostoucím sklonem a snižující se délkou kolíků. Celkem vědci provedli asi 10 000 pokusů.

Když byly kolíky vysoké a sklon mělký, hadi šplhali normálně, tlačili se ke kolíkům a kličkovali vzhůru.

Nejtěžší částí pokusu pro všechny hady bylo šplhání po téměř svislém válci bez kolíků. Pak se uchýlili k unikátnímu druhu lokomoce zvanému koncertina. Dvakrát nebo třikrát se těsně obtočili kolem válce, protáhli se dopředu a znovu se obtočili, přičemž spodní část těla táhli nahoru. Protože tato chůze vyžaduje větší úsilí, aby hadi neuklouzli, postupovali pomalu.

Jakmile výzkumníci zajistili nejkratší kolíky, dlouhé 1 mm, hnědí stromoví hadi klouzali svou normální klikatou chůzí. Hadi hroznýšovití a užovky kukuřičné se však plahočili stylem concertina, dokud nebyly kolíky dostatečně dlouhé, aby jejich těla mohla být pákou nahoru.

Ačkoli byli hroznýšovití nejpomalejší, využívali svou svalovou sílu k uchopení a šplhání po tyči. Podle vědců se hadi vyrovnávají s různými konstrukcemi úpravou svého chování.

Koncertina lokomoce je sedmkrát energeticky náročnější než běžné sinusoidní vlnění. To je pravděpodobně důvod, proč se hnědí stromoví hadi na Guamu vyhýbají leštění po elektrických sloupech, říká Jayne. Místo toho šplhají po tenkých drátech, které sloupy podpírají.

Stromoví hadi raději šetří energií a ke stylu concertina se uchylují co nejméně. Co dává hnědým stromovým hadům schopnost šplhat po strmých svazích s malou oporou?“

Břišní šupiny stromových hadů se táhnou po celé šířce těla. U jiných hadů, například hroznýšů, jsou tyto šupiny kratší a nepokrývají celé břicho. Tyto šupiny se vzájemně překrývají jako tašky uspořádané na střeše.

Herpetologové již dlouho vědí, že stromoví hadi, jako jsou užovky bronzové, létající hadi a některé asijské užovky vlčí, mají na obou stranách břišních šupin zářez. Mají je i hnědí stromoví hadi. Pomáhá jim to vytvořit záhyb v místě, kde se břišní šupiny setkávají s drobnými šupinami pokrývajícími jejich hřbet. Tento záhyb, nazývaný ventrolaterální kýl, se zachytí sebemenší nerovnosti na stromech a stěnách. Překrývající se šupiny fungují jako zuby na ozubeném kole, až na to, že jsou zašpičatělé dozadu.

Ventrolaterální pohledy na tři studované druhy ukazující rozdíly ve tvaru a morfologii ventrálních šupin. (A) Boa constrictor. (B) Kukuřičný had. (C) Užovka stromová hnědá. Kredit: Bruce Jayne

„Naším nejpozoruhodnějším zjištěním je, jak kýl pomáhá zabránit uklouznutí a umožňuje hadům používat typ plazení, který je nejen rychlý, ale pravděpodobně také šetří energii,“ říká Jayne. „To nabývá na významu s rostoucí strmostí povrchu. Například hnědí stromoví hadi byli schopni šplhat přímo vzhůru po svislém válci pouze tlačením na kolíky, které byly vysoké pouhý 1 mm.“

Horští horolezci používají k přerušení pádu jistící zařízení. U hadů jsou jistícím zařízením tyto ostré břišní záhyby. Kukuřiční hadi mají také trochu hrany, ale není to tak výrazné jako u hnědých stromových hadů. Bez tohoto šikovného prvku investují hroznýši svou sílu a energii do šplhání po kluzkých tyčích ve stylu koncertiny.

Tento záhyb mění tvar průřezu hadů. Většina hadů, stejně jako hroznýšovití, má téměř kulatý průřez. Kukuřiční hadi se podobají bochníku chleba – nahoře jsou zaoblení, zatímco dole mají rohy. U hnědých stromových hadů vystupuje záhyb ostře ven z těla.

Těla hadů rotujících nejsou uzpůsobena ke šplhání, protože by se z mírných výstupků skutáleli. I štíhlí hnědí stromoví hadi ztrácejí schopnost šplhat, když mají břicha zatížená potravou nebo vajíčky.

Zjištění z tohoto experimentu vyvolávají další otázky. „Někteří hadi, například klouzaví hadi rodu Chrysopelea, mohou podél břicha vytvořit ještě ostřejší výstupek než hnědí stromoví hadi,“ uvedl Jayne pro The Wire. „Stále nám však chybí experimentální data testující jejich schopnost šplhat po různých površích s nejrůznější strukturou.“

Jayne doufá, že výsledky tohoto experimentu využije v reálném světě. Navrhuje navrhnout materiál odolný proti stromovým hadům, který by zabránil hnědým stromovým hadům šplhat po konkrétních stromech nebo sloupech na Guamu. Například ochrana drátů elektrických sloupů by zabránila výpadkům proudu a omotání materiálu kolem stromů by chránilo zranitelná ptačí hnízda před dravci.

„Pro hnědé užovky je nesmírně obtížné šplhat po PVC trubkách o průměru větším než asi 10 cm, pokud je sklon strmější než 45 stupňů,“ říká Jayne. „Některé starší studie jiných autorů zjistily, že oholení kůry kmenů stromů, aby byla hladší, může velmi účinně zabránit některým druhům severoamerických užovek krysích ve šplhání a přístupu na kmeny stromů. Stále však nevíme, zda by takový postup dokázal kmen stromu vyhladit natolik, aby zabránil hnědým užovkám v lezení po takto upraveném přírodním povrchu. Domnívám se však, že oba tyto přístupy jsou velkým příslibem a rozhodně stojí za následný výzkum, který by přímo ověřil účinnost v terénních podmínkách.“

Jayne navíc ve spolupráci s inženýry vyvíjí roboty s využitím bioinspirovaných konstrukcí. Roboti napodobující hady mohou šplhat uvnitř potrubí a v těsných prostorech, které by jinak byly pro člověka a roboty s koly obtížně ovladatelné.“

„Vzhledem k tomu, že koncertní lokomoce je energeticky nákladná, využil by ji při návrhu robotů?“

„Velmi často jsou důležité jiné parametry návrhu než energetická úspornost,“ odpovídá Jayne. „Pokud je jeden typ pohybu úsporný, může být zbytečný, pokud neumožňuje zvířeti nebo stroji pohybovat se po určitém povrchu. Například všichni hadi v naší studii používali na hladkých, strmých válcích, které postrádaly jakékoliv kolíky, lokomoci typu concertina a třecí úchop je za takových okolností velmi účinnou strategií, jak zabránit uklouznutí.“

Studie byla publikována v časopise Journal of Experimental Biology 17. prosince 2015.

Janaki Leninová je autorkou knihy My Husband and Other Animals. Žije v lese s hadím mužem Romem Whitakerem a tweetuje na @janakilenin.