Hogyan másznak a kígyók végtagok nélkül?

Az állatok a legelképesztőbb dolgokra képesek. Olvass róluk Janaki Lenin ebben a sorozatában.

Egy barna fakígyó felmászik egy cövekekkel ellátott rúdon. Credit: Bruce Jayne

A kígyók kéz, láb, karmok vagy ragadós lábujjpárnák segítsége nélkül másznak fára. Emellett kúsznak, beássák magukat, úsznak, és még a levegőben is siklanak. Bármit is csinálnak, a testfelépítésük nem változik. A vízi kígyóknak nincsenek uszonyaik, a repülő kígyóknak nincsenek szárnyaik, és az ásó kígyóknak sincsenek karmaik. De a testüket finom módon átalakították. A fára mászásra specializálódott kígyók karcsúak, hosszú farkuk gyakran nyúlékony, és képesek az ágak köré tekeredni. A szárazföldi kúszók, mint például a boa constrictorok, nehézkesebbek, rövid farokkal. A tengeri kígyók lapos, lapátszerű farkukkal mozognak.

A kígyók csőszerű testük teljes hosszának hajlításával és hajlításával másznak. Fényes hasuk talán alkalmatlannak tűnik a mászásra, de a durva fakérgen csúsznak. Ha durva lenne, súrlódást okozna, és lelassítaná a hüllők haladását.

A fatörzsek a simától a durváig terjednek. A sima fatörzsek és a kapaszkodót nem nyújtó falak legyőznek néhány kígyót. A gyakorlott fáramászók, mint például a nyugati patkánykígyók, szerte az Egyesült Államokban kerülik a sima kérgű fákra való feljutást.

A Csendes-óceán déli részéről származó barna fakígyók a fáramászók elitjébe tartoznak. A második világháború alatt a teherhajókon potyautasként behatoltak a csendes-óceáni Guam szigetére. Mivel nem voltak ragadozók, amelyek kordában tarthatták volna őket, számuk elszabadult. A sziget egyetlen része sincs biztonságban tőlük. A kígyók már megtizedelték az őshonos madár- és emlősfajokat. És áramkimaradásokat okoznak azzal, hogy felmásznak a villanyoszlopokra, és rövidzárlatot okoznak.

Mi a titka kivételes mászóképességüknek?

A barna fakígyó felmászik egy csúszós oszlopon. Credit: Bruce Jayne

A biomechanika professzora, Bruce Jayne és diákjai az amerikai Cincinnati Egyetemen kísérletet végeztek. Kemény boa constrictorokat, közepes súlyú kukoricakígyókat és a karcsú, mozgékony barna fakígyókat tették próbára. A kukoricakígyók mindeneseknek számítanak, a szárazföldön és a fákon is vadásznak. A 37 jelölt azonos méretű volt, egy és másfél méter közötti hosszúságú.

A kutatók különböző fatörzsszerkezeteket szimuláltak úgy, hogy sima hengerekbe csapokat vertek. A csapok szinte egy vonalban voltak a pálcákkal, vagy akár 4 cm-re is kilógtak belőlük. A kutatók a henger dőlésfokát is változtatták vízszintesről függőlegesre. Megfigyelték, hogyan boldogultak a kígyók, amikor a meredekség nőtt, és a csapok hossza csökkent. A kutatók összesen mintegy 10 000 próbát végeztek.

Amikor a cövek magasak és a lejtés sekély volt, a kígyók normálisan másztak, nekinyomták magukat a cöveknek, és cikk-cakkban haladtak felfelé.

A kísérlet legnehezebb része az összes kígyó számára egy közel függőleges hengeren való felmászás volt, ahol egyáltalán nem voltak csapok. Ekkor egy különleges mozgásformához folyamodtak, amit harmonikának hívnak. Két-háromszor szorosan körbehurkolták a hengert, majd előre nyújtózkodtak, és ismét körbehurkolták, miközben a testük alsó részét felfelé húzták. Mivel ez a járás nagyobb erőfeszítést igényel, hogy ne csússzanak el, a kígyók lassan haladtak.

Mihelyt a kutatók a legrövidebb, 1 mm hosszú csapokat adták, a barna fakígyók a szokásos kanyargós járásukkal siklottak. A boa constrictorok és a kukoricakígyók azonban harmonikaszerűen lépkedtek, amíg a csapok elég hosszúak nem voltak ahhoz, hogy a testüket felfelé húzzák.

A boa constrictorok voltak ugyan a leglassabbak, de izomerejüket arra használták, hogy megragadják és megmásszák a rudat. A kutatók szerint a kígyók viselkedésük módosításával birkóznak meg a különböző szerkezetekkel.

A koncertina mozgás hétszer több energiát emészt fel, mint a normál kanyargós hullámzás. Valószínűleg ezért kerülik a guami barna fakígyók a villanyoszlopokra való felsiklást – mondja Jayne. Ehelyett felmásznak az oszlopokat tartó vékony tartóhuzalokra.

A fán élő kígyók inkább energiát takarítanak meg, és a lehető legkevesebbet folyamodnak a harmonikamozgáshoz. Mi adja a barna fakígyóknak azt a képességet, hogy kevés támasztékkal meredek emelkedőket másszanak meg?

A fakígyók hasi pikkelyei a test teljes szélességében megnyúlnak. Más kígyóknál, például a boa constrictoroknál ezek a pikkelyek rövidebbek, és nem fedik be az egész hasat. Ezek a pikkelyek úgy fedik egymást, mint a tetőn elhelyezett cserepek.

A herpetológusok már régóta tudják, hogy a fára mászó kígyók, például a bronzos fakígyók, a repülő kígyók és egyes ázsiai farkaskígyók hasi pikkelyeinek mindkét oldalán van egy-egy bevágás. A barna fakígyóknak is van ilyen. Ez segíti őket abban, hogy a hasi pikkelyek és a hátukat borító apró pikkelyek találkozásánál egy redőt hozzanak létre. Ez a ventrolaterális kielnek nevezett redő a fák és falak legkisebb egyenetlenségét is megragadja. Az egymást fedő pikkelyek úgy működnek, mint a fogaskerék fogai, csakhogy hátrafelé mutatnak.

A három vizsgált faj ventrolaterális nézetei a hasi pikkelyek alakjának és morfológiájának eltéréseit mutatják. (A) Boa constrictor. (B) Kukoricakígyó. (C) Barna fakígyó. Credit: Bruce Jayne

“A legjelentősebb felfedezésünk az, hogy a kiel segít megakadályozni a csúszást, és lehetővé teszi a kígyók számára egy olyan kúszástípust, amely nemcsak gyors, de valószínűleg energiát is megtakarít” – mondja Jayne. “Ez annál fontosabbá válik, minél meredekebb a felszín. A barna fakígyók például képesek voltak egyenesen felmászni egy függőleges hengeren úgy, hogy csak a mindössze 1 mm magas csapoknak nyomódtak.”

A hegymászók biztosítóberendezéseket használnak, hogy megállítsák az esést. A kígyók biztosítóeszközei ezek az éles hasi ráncok. A kukoricakígyóknak is van egy kis élük, de ez nem olyan kifejezett, mint a barna fakígyóké. E nélkül az ügyes tulajdonság nélkül a boa constrictorok erejüket és energiájukat arra fordítják, hogy harmonikaszerűen másszanak fel a csúszós rudakon.

Ez a hajtás megváltoztatja a kígyók keresztmetszeti alakját. A legtöbb kígyó, mint a boa constrictorok, majdnem kerek keresztmetszetű. A kukoricakígyók egy kenyérre hasonlítanak – a teteje lekerekített, míg az alja sarkos. A barna fakígyóknál a redő élesen kifelé áll a testből.

A forgókígyók teste nem mászásra termett, mivel az enyhe kiálló részekről legurulnának. Még a karcsú barna fakígyók is elveszítik mászó képességüket, amikor a hasuk megtelik táplálékkal vagy tojásokkal.

A kísérlet eredményei további kérdéseket vetnek fel. “Egyes kígyók, például a Chrysopelea nemzetségbe tartozó siklókígyók még élesebb gerincet képesek kialakítani a hasuk mentén, mint a barna fakígyók” – mondta Jayne a The Wire-nak. “De még mindig hiányoznak olyan kísérleti adatok, amelyek azt vizsgálják, hogy képesek-e különböző textúrájú felületeken mászni.”

Jayne reméli, hogy a kísérlet eredményeit a valóságban is hasznosítani tudja majd. Azt javasolja, hogy tervezzenek egy fakígyóálló anyagot, amely megakadályozná, hogy a barna fakígyók felmásszanak bizonyos fákra vagy oszlopokra Guamban. Például a villanyoszlopok tartóhuzalainak védelme megakadályozná az áramkimaradásokat, a fák köré tekert anyag pedig megóvná a veszélyeztetett madárfészkeket a ragadozóktól.

“A barna fakígyóknak rendkívül nehéz felmászni a körülbelül 10 cm-nél nagyobb átmérőjű PVC-csöveken, ha az meredekebb, mint 45 fokos lejtő” – mondja Jayne. “Néhány régebbi, mások által végzett vizsgálat megállapította, hogy a fatörzsek kérgének simábbra borotválása nagyon hatékonyan megakadályozhatja, hogy bizonyos észak-amerikai patkánykígyófajok felmásszanak és hozzáférjenek a fatörzsekhez. Azt azonban még mindig nem tudjuk, hogy egy ilyen megközelítés elég simává tud-e tenni egy fatörzset ahhoz, hogy megakadályozza a barna fakígyók mászását egy ilyen módosított természetes felületen. Úgy vélem azonban, hogy mindkét megközelítés nagyon ígéretes, és mindenképpen megérne néhány további kutatást, hogy közvetlenül teszteljük a hatékonyságot terepi körülmények között”.”

Mellett Jayne mérnökökkel együttműködve bioinspirált terveket alkalmazó robotokat fejleszt. A kígyót utánzó robotok olyan csöveken és szűk helyeken tudnak felmászni, amelyek egyébként nehezek lennének az emberek és a kerekes robotok számára a manőverezéshez.”

Mivel a harmonikás mozgás energiaigényes, használná-e a robottervezésben?

“Nagyon gyakran az energiatakarékosságon kívül más tervezési paraméterek is elsődleges fontosságúak” – válaszol Jayne. “Ha egy mozgástípus gazdaságos, lehet, hogy haszontalan, ha nem teszi lehetővé, hogy egy állat vagy egy gép egy adott felületen mozogjon. A tanulmányunkban szereplő összes kígyó például harmonikus mozgást alkalmazott a sima, meredek hengereken, amelyeken nem voltak csapok, és a súrlódásos kapaszkodás nagyon hatékony stratégia a csúszás megakadályozására ilyen körülmények között.”

A tanulmány a Journal of Experimental Biology című folyóiratban jelent meg 2015. december 17-én.

Janaki Lenin a My Husband and Other Animals című könyv szerzője. Egy erdőben él a kígyóember Rom Whitakerrel, és a @janakilenin címen tweetel.