Miten käärmeet kiipeävät ilman raajoja?

Lemmikkieläimet tekevät mitä ihmeellisimpiä asioita. Lue niistä tästä Janaki Leninin sarjasta.

Ruskopuukäärme kiipeää pylvästä ylös, jossa on tappeja. Luotto: Bruce Jayne

Käärmeet kiipeilevät puihin ilman käsien, jalkojen, kynsien tai tahmeiden varpaiden apua. Ne myös ryömivät, kaivautuvat, uivat ja jopa liukuvat ilmassa. Mitä tahansa ne tekevätkin, niiden ruumiinrakenne ei muutu. Vesikäärmeillä ei ole eviä, lentävillä käärmeillä ei ole siipiä eikä kaivautuvilla käärmeillä ole kynsiä. Mutta ne ovat muokanneet kehoaan hienovaraisesti. Erikoistuneet puuhun kiipeilijät ovat hoikkia, ja niillä on pitkät hännät, jotka ovat usein vetokykyisiä ja jotka pystyvät kietoutumaan oksien ympärille. Maanpäälliset ryömijät, kuten boa constrictorit, ovat painavia ja niillä on lyhyt häntä. Kaikki merikäärmeet liikkuvat litteillä, melamaisilla pyrstöillä.

Käärmeet kiipeilevät taivuttamalla ja taivuttamalla putkimaista kehoaan koko pituudeltaan. Niiden kiiltävät vatsat saattavat näyttää epäsopivilta kiipeilyyn, mutta ne liukuvat karkeaa puun kuorta pitkin. Jos ne olisivat karkeat, ne aiheuttaisivat kitkaa ja hidastaisivat matelijoiden etenemistä.

Puiden rungot vaihtelevat sileistä karkeisiin. Sileät puunrungot ja seinämät, jotka eivät anna jalansijaa, päihittävät jotkut käärmeet. Taitavat puuhun kiipeilijät, kuten läntiset rottakäärmeet, välttävät kiipeämistä sileäkuorisiin puihin eri puolilla Yhdysvaltoja.

Etelä-Tyynenmeren ruskeat puukäärmeet kuuluvat puuhun kiipeilijöiden eliittiin. Toisen maailmansodan aikana ne tunkeutuivat Tyynenmeren Guamin saarelle salamatkustajina rahtilaivoihin. Koska saalistajat eivät pitäneet niitä kurissa, niiden määrä riistäytyi käsistä. Mikään osa saarta ei ole turvassa niiltä. Käärmeet ovat jo vähentäneet alkuperäisiä lintu- ja nisäkäslajeja. Ne aiheuttavat sähkökatkoksia kiipeilemällä sähköpylväisiin ja aiheuttamalla oikosulkuja.

Mikä on niiden poikkeuksellisen kiipeilytaidon salaisuus?

Ruskopuukäärme kiipeää liukasta pylvästä ylös. Luotto: Bruce Jayne

Biomekaniikan professori Bruce Jayne ja hänen opiskelijansa Cincinnatin yliopistosta Yhdysvalloista tekivät kokeen. He laittoivat tukevat boa constrictorit, keskipainoiset maissikäärmeet ja hoikat, ketterät ruskeat puukäärmeet koetukselle. Maissikäärmeet ovat monitoimimiehiä, jotka metsästävät maalla ja puissa. 37 ehdokasta oli samankokoisia, metristä puoleentoista metriin.

Tutkijat simuloivat erilaisia puunrunkojen tekstuureja lyömällä tappeja sileisiin sylintereihin. Tapit olivat lähes samassa tasossa pylväiden kanssa tai työntyivät jopa 4 cm ulos. Tutkijat myös muuttivat sylinterin kaltevuusastetta vaakasuorasta pystysuoraan. He tarkkailivat, miten käärmeet pärjäsivät, kun kaltevuus kasvoi ja tapit lyhenivät. Kaiken kaikkiaan tutkijat tekivät noin 10 000 koetta.

Kun tapit olivat pitkiä ja kaltevuudet matalia, käärmeet kiipesivät normaalisti, painautuivat tappeja vasten ja kiipesivät siksakkia ylöspäin.

Kokeen vaikein osa kaikille käärmeille oli kiipeäminen lähes pystysuoraan sylinteriin, jossa ei ollut lainkaan tappeja. Silloin ne turvautuivat ainutlaatuiseen liikkumistapaan nimeltä concertina. Ne kiertyivät tiukasti sylinterin ympäri kaksi tai kolme kertaa, ojentautuivat eteenpäin ja kiertyivät uudelleen vetäen samalla vartalon alaosaa ylöspäin. Koska tämä kävelytapa vaatii enemmän ponnistelua liukastumisen estämiseksi, käärmeet etenivät hitaasti.

Heti kun tutkijat tarjosivat lyhyimmät, 1 mm:n pituiset tapit, ruskeat puukäärmeet liikkuivat normaalilla kiemurtelevalla kävelyllään. Mutta boa constrictorit ja maissikäärmeet polkivat kuitenkin konserttinauhatyyliin, kunnes tapit olivat tarpeeksi pitkiä vipuakseen niiden vartalot ylöspäin.

Vaikka boa constrictorit olivatkin hitaimpia, ne käyttivät lihasvoimaansa tarttuakseen kiinni ja kiivetäkseen tolppaan. Tutkijoiden mukaan käärmeet selviytyvät erilaisista rakenteista muokkaamalla käyttäytymistään.

Konserttinainen liikkuminen kuluttaa seitsemän kertaa enemmän energiaa kuin normaali kiemurteleva aaltoilu. Se on luultavasti syy, miksi Guamin ruskeat puukäärmeet välttelevät sähköpylväisiin kiipeämistä, sanoo Jayne. Sen sijaan ne kiipeilevät pylväitä kannatteleviin ohuisiin pukuköysiin.

Puukäärmeet säästävät mieluummin energiaa ja turvautuvat concertina-tyyliin mahdollisimman vähän. Mikä antaa ruskeille puukäärmeille kyvyn kiivetä jyrkkiä rinteitä vähällä tuella?

Puukäärmeiden vatsan suomut ulottuvat koko vartalon leveydelle. Muilla käärmeillä, kuten boa constrictoreilla, nämä suomut ovat lyhyempiä eivätkä kata koko vatsaa. Nämä suomut ovat päällekkäin kuin katolle asetellut kattotiilet.

Herpetologit ovat jo pitkään tienneet, että puuhun kiipeilevillä käärmeillä, kuten pronssipuukäärmeillä, lentokäärmeillä ja joillakin Aasiassa elävillä susikäärmeillä, on vatsan suomujen molemmin puolin lovi. Myös ruskeilla puukäärmeillä on niitä. Tämä auttaa niitä luomaan poimun, jossa vatsan suomut kohtaavat niiden selkää peittävät pienet suomut. Tämä taitos, jota kutsutaan ventrolateraaliseksi keliksi, tarttuu pienimpiinkin epätasaisuuksiin puissa ja seinissä. Päällekkäiset suomut toimivat kuin hammaspyörän hampaat, paitsi että ne ovat suunnattu taaksepäin.

Kolmen tutkittavan lajin ventrolateraaliset näkymät, joista näkyy ventraalisten suomujen muodon ja morfologian vaihtelu. (A) Boa constrictor. (B) Maissikäärme. (C) Ruskea puukäärme. Credit: Bruce Jayne

”Merkittävin havaintomme on se, miten köli auttaa estämään liukastumisen ja antaa käärmeille mahdollisuuden käyttää ryömintätyyppiä, joka ei ole ainoastaan nopea vaan todennäköisesti myös säästää energiaa”, Jayne sanoo. ”Tämä on sitä tärkeämpää, mitä jyrkempi pinta on. Esimerkiksi ruskeat puukäärmeet pystyivät kiipeämään suoraan pystysuoraa sylinteriä ylöspäin vain työntämällä vain yhden millimetrin korkuisia tappeja vasten.”

Vuorikiipeilijät käyttävät varmistuslaitteita putoamisen katkaisemiseen. Käärmeiden varmistuslaitteet ovat näitä teräviä vatsan poimuja. Maissikäärmeilläkin on hiukan särmää, mutta se ei ole yhtä voimakas kuin ruskeilla puukäärmeillä. Ilman tätä näppärää ominaisuutta boakäärmeet käyttävät voimansa ja energiansa kiipeilemällä konserttimaisesti liukkaita pylväitä pitkin.

Tämä taitos muuttaa käärmeiden poikkileikkauksen muotoa. Useimmat käärmeet, kuten boa constrictorit, ovat poikkileikkaukseltaan lähes pyöreitä. Maissikäärmeet muistuttavat leipää – pyöreä yläosa, kun taas alaosassa on kulmia. Ruskeilla puukäärmeillä taitos työntyy jyrkästi ulospäin vartalosta.

Rotundien vartalot eivät ole tehty kiipeilyyn, sillä ne vierisivät pois lievistä ulokkeista. Jopa hoikat ruskeat puukäärmeet menettävät kiipeilykykynsä, kun niiden vatsa on täynnä ruokaa tai munia.

Tämän kokeen tulokset herättävät lisää kysymyksiä. ”Jotkut käärmeet, kuten Chrysopelea-suvun liukukäärmeet, voivat muodostaa vatsaansa pitkin vielä terävämmän harjanteen kuin ruskeat puukäärmeet”, Jayne kertoi The Wirelle. ”Mutta meiltä puuttuu vielä kokeellista tietoa, jossa testattaisiin niiden kykyä kiivetä erilaisilla pinnoilla, joilla on monenlaista tekstuuria.”

Jayne toivoo voivansa käyttää tämän kokeen tuloksia todellisessa elämässä. Hän ehdottaa puukäärmeenkestävän materiaalin suunnittelua, joka estäisi ruskeakäärmeitä kiipeämästä tiettyihin puihin tai pylväisiin Guamissa. Esimerkiksi sähköpylväiden vaijereiden suojaaminen estäisi sähkökatkoksia, ja aineen kääriminen puiden ympärille suojaisi haavoittuvia lintujen pesiä saalistukselta.

”Ruskokäärmeiden on erittäin vaikeaa kiivetä halkaisijaltaan yli 10 cm:n PVC-putkia pitkin, jos se on jyrkempi kuin 45 asteen kaltevuus”, Jayne sanoo. ”Joissakin vanhemmissa toisten tekemissä tutkimuksissa todettiin, että puunrunkojen kuoren ajeleminen sileämmäksi voi olla erittäin tehokasta estämään tiettyjä Pohjois-Amerikan rotakäärmelajeja kiipeämästä ja pääsemästä puunrunkoihin. Emme kuitenkaan vielä tiedä, voisiko tällaisella menetelmällä tehdä puunrungosta riittävän sileän estääkseen ruskokäärmeitä kiipeämästä näin muokattua luonnonpintaa pitkin. Uskon kuitenkin, että molemmat lähestymistavat ovat erittäin lupaavia, ja ne ovat ehdottomasti jatkotutkimuksen arvoisia, jotta tehokkuus voidaan testata suoraan kenttäolosuhteissa.”

Yhteistyössä insinöörien kanssa Jayne kehittää lisäksi robotteja, joissa käytetään bioinspiroituja malleja. Käärmettä jäljittelevät robotit voivat kiivetä putkien sisälle ja ahtaisiin tiloihin, jotka muuten olisivat ihmiselle vaikeita, ja pyörillä varustetut robotit pystyvät liikkumaan.

Koska konserttiliikkuminen on energiakallista, käyttäisikö hän sitä robottisuunnitelmissa?

”Hyvin usein muut suunnittelun muuttujat kuin energiataloudellisuus ovat ensiarvoisen tärkeitä”, Jayne vastaa. ”Jos jokin liikkumistapa on taloudellinen, se voi olla hyödytön, jos se ei mahdollista eläimen tai koneen liikkumista tietyllä pinnalla. Esimerkiksi kaikki tutkimuksemme käärmeet käyttivät konserttiliikkumista sileillä, jyrkillä sylintereillä, joista puuttuivat kaikki tapit, ja kitkakoura on erittäin tehokas strategia liukastumisen estämiseksi tällaisissa olosuhteissa.”

Tutkimus julkaistiin Journal of Experimental Biology -lehdessä 17. joulukuuta 2015.

Janaki Lenin on kirjoittanut teoksen Mieheni ja muut eläimet. Hän asuu metsässä käärmemies Rom Whitakerin kanssa ja twiittaa osoitteessa @janakilenin.