Comment les serpents grimpent-ils sans membres ?

Les animaux font les choses les plus étonnantes. Découvrez-les dans cette série de Janaki Lenin.

Un serpent arboricole brun grimpe sur un poteau avec des chevilles. Crédit : Bruce Jayne

Les serpents grimpent aux arbres sans l’aide de mains, de pieds, de griffes ou de coussinets d’orteils collants. Ils rampent aussi, s’enfouissent, nagent, et même planent dans les airs. Quoi qu’ils fassent, leur schéma corporel ne change pas. Les serpents aquatiques n’ont pas de nageoires, les serpents volants n’ont pas d’ailes et les serpents fouisseurs n’ont pas de griffes. Mais ils ont modifié leur corps de manière subtile. Les spécialistes de l’escalade des arbres sont minces et possèdent de longues queues souvent préhensiles, capables de s’enrouler autour des branches. Les rampants terrestres comme les boas constrictors sont plus lourds et ont une queue courte. Tous les serpents de mer se propulsent à l’aide de queues plates, semblables à des pagaies.

Les serpents grimpent en pliant et en fléchissant toute la longueur de leur corps tubulaire. Leurs ventres luisants peuvent sembler peu adaptés à l’escalade, mais ils glissent sur l’écorce grossière des arbres. Si elles étaient rugueuses, elles provoqueraient des frottements et ralentiraient la progression des reptiles.

Les troncs d’arbres vont du lisse au rugueux. Les troncs d’arbres lisses et les parois qui ne fournissent aucun point d’appui mettent en échec certains serpents. Les grimpeurs d’arbres accomplis comme les serpents rats occidentaux évitent de monter dans les arbres à écorce lisse à travers les États-Unis.

Les serpents arboricoles bruns du Pacifique Sud font partie de l’élite des grimpeurs d’arbres. Pendant la Seconde Guerre mondiale, ils ont envahi l’île de Guam, dans le Pacifique, en tant que passagers clandestins dans des cargos. Sans prédateurs pour les contrôler, leur nombre est devenu incontrôlable. Aucune partie de l’île n’est à l’abri. Les serpents ont déjà décimé les espèces indigènes d’oiseaux et de mammifères. Et ils provoquent des pannes de courant en grimpant sur les poteaux électriques et en provoquant des courts-circuits.

Quel est le secret de leur exceptionnelle aptitude à grimper ?

Un serpent brun arboricole grimpe sur un poteau glissant. Crédit : Bruce Jayne

Un professeur de biomécanique, Bruce Jayne, et ses étudiants de l’université de Cincinnati, aux États-Unis, ont mené une expérience. Ils ont mis à l’épreuve des boas constricteurs robustes, des serpents des blés de poids moyen et des serpents bruns arboricoles minces et agiles. Les serpents des blés sont polyvalents, ils chassent sur terre et dans les arbres. Les 37 candidats avaient la même taille, entre un mètre et un mètre et demi de longueur.

Les chercheurs ont simulé différentes textures de troncs d’arbres en enfonçant des chevilles dans des cylindres lisses. Les chevilles étaient presque au même niveau que les poteaux ou dépassaient jusqu’à 4 cm. Les chercheurs ont également modifié le degré d’inclinaison du cylindre, de l’horizontale à la verticale. Ils ont observé comment les serpents s’en sortaient lorsque la pente augmentait et que la longueur des chevilles diminuait. Au total, les chercheurs ont effectué environ 10 000 essais.

Lorsque les chevilles étaient hautes et les inclinaisons peu prononcées, les serpents grimpaient normalement, en se poussant contre les chevilles et en zigzaguant vers le haut.

La partie la plus difficile de l’expérience pour tous les serpents a été de grimper sur un cylindre presque vertical sans aucun piquet. Ils ont alors eu recours à un type de locomotion unique appelé concertina. Ils font une boucle serrée autour du cylindre deux ou trois fois, s’étirent vers l’avant et refont une boucle, tout en tirant la partie inférieure de leur corps vers le haut. Comme cette démarche nécessite plus d’efforts pour ne pas glisser, les serpents ont progressé lentement.

Dès que les chercheurs ont fourni les chevilles les plus courtes, de 1 mm de long, les serpents arboricoles bruns ont glissé dans leur démarche sinueuse normale. Mais les boa constrictors et les couleuvres des blés, eux, ont avancé en accordéon jusqu’à ce que les chevilles soient assez longues pour faire levier sur leur corps vers le haut.

Bien que les boa constrictors aient été les plus lents, ils ont utilisé leur force musculaire pour s’agripper et grimper sur le poteau. Selon les chercheurs, les serpents s’adaptent à différentes structures en modifiant leur comportement.

La locomotion des constellateurs est sept fois plus énergivore que l’ondulation sinueuse normale. C’est probablement pourquoi les serpents bruns arboricoles de Guam évitent de briller jusqu’aux poteaux électriques dit Jayne. Au lieu de cela, ils grimpent les minces haubans qui soutiennent les poteaux.

Les serpents arboricoles préféreraient économiser de l’énergie et recourir au style concertina le moins possible. Qu’est-ce qui donne aux serpents arboricoles bruns la capacité de grimper des pentes raides avec peu d’appui ?

Les écailles ventrales des serpents arboricoles s’étendent sur toute la largeur du corps. Chez d’autres serpents, comme les boas constricteurs, ces écailles sont plus courtes et ne couvrent pas tout le ventre. Ces écailles se chevauchent les unes les autres comme les tuiles disposées sur un toit.

Les herpétologistes savent depuis longtemps que les serpents grimpeurs d’arbres comme les couleuvres arboricoles brunes, les couleuvres volantes et certains serpents-loups d’Asie ont une encoche de chaque côté de leurs écailles ventrales. Les couleuvres brunes en ont aussi. Cela les aide à créer un pli à l’endroit où les écailles ventrales rencontrent les petites écailles qui recouvrent leur dos. Ce pli, appelé quille ventrolatérale, saisit la moindre irrégularité sur les arbres et les murs. Les écailles superposées agissent comme les dents d’un engrenage, sauf qu’elles sont pointées vers l’arrière.

Vues ventrolatérales des trois espèces étudiées montrant la variation de la forme et de la morphologie des écailles ventrales. (A) Boa constrictor. (B) Serpent des blés. (C) Serpent brun arboricole. Crédit : Bruce Jayne

« Notre découverte la plus notable est la façon dont la quille aide à empêcher le glissement et permet aux serpents d’utiliser un type de reptation qui non seulement est rapide mais aussi économise probablement de l’énergie », explique Jayne. « Cela devient plus important à mesure que la pente de la surface augmente. Par exemple, les serpents arboricoles bruns ont pu grimper tout droit sur un cylindre vertical en ne poussant que contre des chevilles d’une hauteur d’à peine 1 mm. »

Les alpinistes utilisent des dispositifs d’assurage pour amortir une chute. Les dispositifs d’assurage des serpents sont ces plis aigus du ventre. Les serpents des blés ont aussi un peu de bord, mais il n’est pas aussi prononcé que celui des serpents bruns. Sans cette caractéristique astucieuse, les boas constricteurs investissent leur force et leur énergie à grimper en accordéon sur des poteaux lisses.

Ce pli modifie la forme de la section transversale des serpents. La plupart des serpents, comme les boa constrictors, ont une section transversale presque ronde. Les serpents des blés ressemblent à une miche de pain – le haut est arrondi, tandis que le bas a des coins. Chez les serpents bruns arboricoles, le pli fait fortement saillie vers l’extérieur du corps.

Les corps des rots ne sont pas faits pour grimper car ils rouleraient sur les légères protubérances. Même les sveltes serpents bruns arboricoles perdent leurs prouesses de grimpeur lorsque leur ventre est lourd de nourriture ou d’œufs.

Les résultats de cette expérience soulèvent d’autres questions. « Certains serpents, comme les serpents planeurs du genre Chrysopelea, peuvent former une crête encore plus aiguë le long de leur ventre que les serpents arboricoles bruns », a déclaré Jayne à The Wire. « Mais nous manquons encore de données expérimentales testant leur capacité à grimper sur différentes surfaces avec une grande variété de textures. »

Jayne espère mettre les résultats de cette expérience à profit dans le monde réel. Il propose de concevoir un matériau à l’épreuve des serpents arboricoles qui empêcherait les serpents arboricoles bruns de grimper sur des arbres ou des poteaux spécifiques à Guam. Par exemple, protéger les haubans des poteaux électriques permettrait d’éviter les pannes de courant, et enrouler le matériau autour des arbres protégerait les nids d’oiseaux vulnérables de la prédation.

« Les serpents arboricoles bruns trouvent qu’il est extrêmement difficile de grimper sur des tuyaux en PVC d’un diamètre supérieur à environ 10 cm si l’inclinaison est supérieure à 45 degrés », explique Jayne. « Des études plus anciennes réalisées par d’autres ont révélé que le fait de raser l’écorce des troncs d’arbres pour la rendre plus lisse peut être très efficace pour empêcher certaines espèces de couleuvres d’Amérique du Nord de grimper et d’avoir accès aux troncs d’arbres. Cependant, nous ne savons toujours pas si une telle approche pourrait rendre un tronc d’arbre suffisamment lisse pour empêcher les couleuvres brunes de grimper sur une surface naturelle aussi modifiée. Cependant, je crois que ces deux approches sont très prometteuses et méritent certainement des recherches de suivi pour tester directement l’efficacité dans des conditions de terrain. »

En outre, Jayne développe des robots utilisant des conceptions bio-inspirées en collaboration avec des ingénieurs. Les robots imitant les serpents peuvent grimper à l’intérieur de tuyaux et d’espaces étroits qui seraient autrement difficiles à manœuvrer pour les humains et les robots à roues.

Puisque la locomotion en accordéon est coûteuse en énergie, l’utiliserait-il dans la conception de robots ?

« Très souvent, des paramètres de conception autres que l’économie énergétique sont de première importance », répond Jayne. « Si un type de mouvement est économique, il peut être inutile s’il ne permet pas à un animal ou à une machine de se déplacer sur une surface particulière. Par exemple, tous les serpents de notre étude ont utilisé la locomotion en accordéon sur les cylindres lisses et raides dépourvus de chevilles, et la préhension par friction est une stratégie très efficace pour éviter de glisser dans de telles circonstances. »

L’étude a été publiée dans le Journal of Experimental Biology le 17 décembre 2015.

Janaki Lenin est l’auteur de Mon mari et d’autres animaux. Elle vit dans une forêt avec l’homme-serpent Rom Whitaker et tweete à @janakilenin.