Wie können Schlangen ohne Gliedmaßen klettern?

Tiere machen die erstaunlichsten Dinge. Lesen Sie darüber in dieser Serie von Janaki Lenin.

Eine braune Baumschlange klettert eine Stange mit Pflöcken hoch. Credit: Bruce Jayne

Schlangen klettern auf Bäume ohne die Hilfe von Händen, Füßen, Krallen oder klebrigen Zehenballen. Sie kriechen, wühlen, schwimmen und gleiten sogar durch die Luft. Was auch immer sie tun, ihr Körperbau ändert sich nicht. Wasserschlangen haben keine Flossen, fliegende Schlangen haben keine Flügel, und wühlende Schlangen haben keine Klauen. Aber sie haben ihren Körper auf subtile Weise verändert. Spezialisierte Baumkletterer sind schlank und haben lange Schwänze, die oft mit Greifzähnen versehen sind, mit denen sie sich um Äste winden können. Terrestrische Krabbler wie Boa Constrictors sind eher schwer und haben kurze Schwänze. Alle Seeschlangen treiben sich mit flachen, paddelartigen Schwänzen an.

Schlangen klettern, indem sie die gesamte Länge ihres röhrenförmigen Körpers beugen und biegen. Ihre glänzenden Bäuche mögen zum Klettern ungeeignet aussehen, aber sie gleiten über grobe Baumrinde. Wäre sie rau, würde sie Reibung verursachen und das Vorankommen der Reptilien verlangsamen.

Baumstämme können glatt oder rau sein. Glatte Baumstämme und Wände, die keinen Halt bieten, sind für manche Schlangen ein Hindernis. Geübte Baumkletterer wie die Westliche Ringelnatter vermeiden es in den USA, auf Bäume mit glatter Rinde zu klettern.

Braune Baumnattern aus dem Südpazifik gehören zur Elite der Baumkletterer. Während des Zweiten Weltkriegs drangen sie als blinde Passagiere in Frachtschiffen auf die Pazifikinsel Guam ein. Da es keine Raubtiere gab, die sie in Schach hielten, geriet ihre Zahl außer Kontrolle. Kein Teil der Insel ist vor ihnen sicher. Die Schlangen haben bereits einheimische Vogel- und Säugetierarten dezimiert. Und sie verursachen Stromausfälle, indem sie auf Strommasten klettern und Kurzschlüsse verursachen.

Was ist das Geheimnis ihrer außergewöhnlichen Kletterkünste?

Eine braune Baumschlange klettert einen glatten Mast hinauf. Credit: Bruce Jayne

Ein Professor für Biomechanik, Bruce Jayne, und seine Studenten von der Universität von Cincinnati, USA, führten ein Experiment durch. Sie testeten kräftige Boa constrictors, mittelschwere Kornnattern und die schlanken, wendigen braunen Baumnattern auf Herz und Nieren. Kornnattern sind Alleskönner, die an Land und in den Bäumen jagen. Die 37 Kandidaten waren alle gleich groß, zwischen einem und anderthalb Metern lang.

Die Forscher simulierten verschiedene Baumstammtexturen, indem sie Pflöcke in glatte Zylinder schlugen. Die Pflöcke waren fast bündig mit den Pfählen oder ragten bis zu 4 cm heraus. Die Forscher änderten auch den Grad der Neigung des Zylinders von horizontal bis vertikal. Sie beobachteten, wie es den Schlangen erging, wenn die Steigung zunahm und die Pflöcke kürzer wurden. Insgesamt führten die Forscher etwa 10.000 Versuche durch.

Wenn die Pflöcke hoch und die Neigung flach waren, kletterten die Schlangen normal, drückten sich gegen die Pflöcke und schlängelten sich im Zickzack nach oben.

Der schwierigste Teil des Experiments war für alle Schlangen das Klettern an einem fast senkrechten Zylinder ohne Heringe. Dann griffen sie auf eine einzigartige Art der Fortbewegung zurück, die man Ziehharmonika nennt. Sie schlangen sich zwei- oder dreimal eng um den Zylinder, streckten sich nach vorne und schlangen sich erneut, während sie den unteren Teil des Körpers nach oben zogen. Da diese Gangart mehr Anstrengung erfordert, um nicht abzurutschen, kamen die Schlangen nur langsam voran.

Sobald die Forscher die kürzesten, 1 mm langen Pflöcke einsetzten, glitten die braunen Baumschlangen in ihrem normalen gewundenen Gang. Boa Constrictors und Kornnattern hingegen stapften wie eine Ziehharmonika, bis die Pflöcke lang genug waren, um ihre Körper nach oben zu hebeln.

Obwohl Boa Constrictors am langsamsten waren, nutzten sie ihre Muskelkraft, um die Stange zu greifen und zu erklimmen. Die Forscher sagen, dass Schlangen mit unterschiedlichen Strukturen zurechtkommen, indem sie ihr Verhalten ändern.

Die Fortbewegung der Constrictina ist siebenmal energieaufwändiger als die normale gewundene Bewegung. Das ist wahrscheinlich der Grund, warum braune Baumschlangen in Guam es vermeiden, an Strommasten hochzuklettern, sagt Jayne. Stattdessen klettern sie auf die dünnen Abspanndrähte, die die Masten stützen.

Baumbewohnende Schlangen würden es vorziehen, Energie zu sparen und so wenig wie möglich auf den Ziehharmonikastil zurückzugreifen. Was verleiht den braunen Baumschlangen die Fähigkeit, mit wenig Unterstützung steile Gefälle zu erklimmen?

Die Bauchschuppen der Baumschlangen erstrecken sich über die gesamte Körperbreite. Bei anderen Schlangen, wie der Boa constrictor, sind diese Schuppen kürzer und bedecken nicht den gesamten Bauch. Diese Schuppen überlappen sich wie Ziegel auf einem Dach.

Herpetologen wissen seit langem, dass baumkletternde Schlangen wie Bronzerücken-Baumnattern, fliegende Schlangen und einige asiatische Wolfsnattern auf jeder Seite ihrer Bauchschuppen eine Kerbe haben. Auch braune Baumschlangen haben sie. Dadurch bilden sie eine Falte, in der die Bauchschuppen auf die kleinen Schuppen auf dem Rücken treffen. Diese Falte, der so genannte ventrolaterale Kiel, hält sich an den kleinsten Unebenheiten von Bäumen und Wänden fest. Die überlappenden Schuppen wirken wie die Zähne eines Zahnrads, nur dass sie nach hinten gerichtet sind.

Ventrolaterale Ansichten der drei untersuchten Arten, die die Unterschiede in Form und Morphologie der Bauchschuppen zeigen. (A) Boa constrictor. (B) Kornnatter. (C) Braune Baumschlange. Credit: Bruce Jayne

„Unser bemerkenswertestes Ergebnis ist, dass der Kiel das Rutschen verhindert und es den Schlangen ermöglicht, eine Art des Kriechens zu verwenden, die nicht nur schnell ist, sondern wahrscheinlich auch Energie spart“, sagt Jayne. „Dies wird umso wichtiger, je steiler die Oberfläche ist. Die braunen Baumschlangen konnten zum Beispiel einen vertikalen Zylinder gerade hochklettern, indem sie sich nur gegen Stifte stießen, die nur 1 mm hoch waren.“

Bergsteiger benutzen Sicherungsgeräte, um einen Sturz abzufangen. Die Sicherungsvorrichtungen von Schlangen sind diese scharfen Bauchfalten. Auch Kornnattern haben eine Art Kante, aber sie ist nicht so ausgeprägt wie bei den braunen Baumnattern. Ohne dieses raffinierte Merkmal investieren Boa Constrictors ihre Kraft und Energie, um wie eine Ziehharmonika an glatten Stangen hochzuklettern.

Diese Falte verändert die Querschnittsform der Schlangen. Die meisten Schlangen, wie die Boa constrictor, sind im Querschnitt fast rund. Kornnattern ähneln einem Brotlaib – oben abgerundet, unten mit Ecken. In braunen Baumschlangen, die Falte ragt scharf nach außen aus dem Körper.

Rotunde Körper sind nicht zum Klettern geeignet, da sie an den leichten Vorsprüngen abrollen würden. Selbst schlanke Baumschlangen verlieren ihre Kletterfähigkeiten, wenn ihre Bäuche mit Nahrung oder Eiern schwer sind.

Die Ergebnisse dieses Experiments werfen weitere Fragen auf. „Einige Schlangen wie die Gleitschlangen der Gattung Chrysopelea können einen noch schärferen Kamm entlang ihres Bauches ausbilden als die braunen Baumschlangen“, sagte Jayne gegenüber The Wire. „Aber uns fehlen noch experimentelle Daten, um ihre Fähigkeit zu testen, verschiedene Oberflächen mit einer Vielzahl von Texturen zu erklimmen.“

Jayne hofft, die Ergebnisse dieses Experiments in der realen Welt anwenden zu können. Er schlägt vor, ein baumschlangensicheres Material zu entwickeln, das braune Baumschlangen daran hindert, bestimmte Bäume oder Masten in Guam zu erklimmen. Der Schutz der Abspanndrähte von Strommasten würde beispielsweise Stromausfälle verhindern, und das Umwickeln von Bäumen mit dem Material würde empfindliche Vogelnester vor Raubtieren schützen.

„Braune Baumschlangen haben enorme Schwierigkeiten, an PVC-Rohren mit einem Durchmesser von mehr als 10 cm hochzuklettern, wenn diese steiler als 45 Grad geneigt sind“, sagt Jayne. „In einigen älteren Studien wurde festgestellt, dass das Glätten der Rinde von Baumstämmen sehr wirksam sein kann, um bestimmte Arten nordamerikanischer Ringelnattern am Klettern und am Zugang zu Baumstämmen zu hindern. Wir wissen jedoch noch nicht, ob ein solcher Ansatz einen Baumstamm so glatt machen kann, dass er braune Baumschlangen davon abhält, eine so veränderte natürliche Oberfläche zu erklimmen. Ich glaube jedoch, dass diese beiden Ansätze sehr vielversprechend sind und auf jeden Fall eine weitere Forschung wert sind, um die Wirksamkeit unter Feldbedingungen direkt zu testen.“

Außerdem entwickelt Jayne in Zusammenarbeit mit Ingenieuren Roboter mit biologisch inspirierten Designs. Schlangen nachahmende Roboter können in Rohre und enge Räume klettern, die sonst für Menschen und Roboter mit Rädern schwer zu manövrieren wären.

Würde er, da die Ziehharmonika-Lokomotion energieaufwendig ist, sie in Roboterdesigns verwenden?

„Sehr oft sind andere Designparameter als die Energieökonomie von primärer Bedeutung“, antwortet Jayne. „Wenn eine Art der Bewegung wirtschaftlich ist, kann sie nutzlos sein, wenn sie es einem Tier oder einer Maschine nicht erlaubt, sich auf einer bestimmten Oberfläche zu bewegen. Zum Beispiel benutzten alle Schlangen in unserer Studie die Ziehharmonika-Lokomotion auf den glatten, steilen Zylindern, die keine Zapfen hatten, und das Greifen durch Reibung ist eine sehr effektive Strategie, um unter solchen Umständen ein Ausrutschen zu verhindern.“

Die Studie wurde am 17. Dezember 2015 im Journal of Experimental Biology veröffentlicht.

Janaki Lenin ist die Autorin von My Husband and Other Animals. Sie lebt mit dem Schlangenmenschen Rom Whitaker in einem Wald und twittert unter @janakilenin.