Come fanno i serpenti ad arrampicarsi senza arti?

Gli animali fanno le cose più incredibili. Leggi di loro in questa serie di Janaki Lenin.

Un serpente marrone si arrampica su un palo con dei pioli. Credit: Bruce Jayne

I serpenti si arrampicano sugli alberi senza l’aiuto di mani, piedi, artigli o cuscinetti appiccicosi. Possono anche strisciare, scavare, nuotare e persino planare nell’aria. Qualunque cosa facciano, il loro piano corporeo non cambia. I serpenti d’acqua non hanno pinne, i serpenti volanti non hanno ali, né i serpenti scavatori hanno artigli. Ma hanno modificato il loro corpo in modi sottili. Gli arrampicatori specializzati sono snelli con lunghe code spesso prensili, capaci di avvolgersi intorno ai rami. I cingolati terrestri come i boa constrictor sono pesanti e con la coda corta. Tutti i serpenti marini si spingono con code piatte, simili a palette.

I serpenti si arrampicano piegando e flettendo l’intera lunghezza dei loro corpi tubolari. Il loro ventre lucido può sembrare inadatto all’arrampicata, ma scivolano sulla corteccia grossolana degli alberi. Se fossero ruvide, causerebbero attrito e rallenterebbero il progresso dei rettili.

I tronchi degli alberi variano da lisci a ruvidi. I tronchi lisci e le pareti che non forniscono un punto d’appoggio sconfiggono alcuni serpenti. Gli arrampicatori esperti, come i serpenti ratti occidentali, evitano di salire sugli alberi dalla corteccia liscia in tutti gli Stati Uniti.

I serpenti bruni del Sud Pacifico sono tra gli arrampicatori d’élite. Durante la seconda guerra mondiale, hanno invaso l’isola pacifica di Guam come clandestini nelle navi da carico. Senza predatori per tenerli sotto controllo, il loro numero è sfuggito di mano. Nessuna parte dell’isola è al sicuro da loro. I serpenti hanno già decimato le specie native di uccelli e mammiferi. E causano interruzioni di corrente arrampicandosi sui pali elettrici e causando cortocircuiti.

Qual è il segreto della loro eccezionale abilità di arrampicata?

Un serpente marrone si arrampica su un palo scivoloso. Credit: Bruce Jayne

Un professore di biomeccanica, Bruce Jayne, e i suoi studenti dell’Università di Cincinnati, negli Stati Uniti, hanno condotto un esperimento. Hanno messo alla prova i robusti boa constrictor, i serpenti di mais di peso medio e gli snelli e agili serpenti bruni. I serpenti di mais sono dei tuttofare, cacciano sulla terra e sugli alberi. I 37 candidati erano della stessa dimensione, tra un metro e un metro e mezzo di lunghezza.

I ricercatori hanno simulato diverse strutture di tronchi d’albero inserendo dei pioli in cilindri lisci. I pioli erano quasi a filo con i pali o sporgevano fino a 4 cm. I ricercatori hanno anche cambiato il grado di inclinazione del cilindro da orizzontale a verticale. Hanno osservato come i serpenti se la sono cavata con l’aumento della pendenza e la diminuzione della lunghezza dei pioli. In tutto i ricercatori hanno condotto circa 10.000 prove.

Quando i pioli erano alti e le pendenze basse, i serpenti salivano normalmente, spingendosi contro i pioli e andando a zig-zag verso l’alto.

La parte più difficile dell’esperimento per tutti i serpenti era salire su un cilindro quasi verticale senza pioli. Poi sono ricorsi ad un tipo unico di locomozione chiamato concertina. Si avvolgevano strettamente intorno al cilindro due o tre volte, si allungavano in avanti e si avvolgevano di nuovo, mentre trascinavano la parte inferiore del corpo verso l’alto. Poiché questa andatura richiede uno sforzo maggiore per non scivolare, i serpenti progredivano lentamente.

Non appena i ricercatori hanno fornito i pioli più corti, lunghi 1 mm, i serpenti marroni sono scivolati nella loro normale andatura sinuosa. Ma i serpenti boa constrictor e i serpenti di mais, tuttavia, hanno arrancato in stile concertina fino a quando i pioli erano abbastanza lunghi da far leva sui loro corpi verso l’alto.

Anche se i boa constrictor erano i più lenti, hanno usato la loro forza muscolare per afferrare e scalare il palo. I ricercatori dicono che i serpenti affrontano le diverse strutture modificando il loro comportamento.

La locomozione concertina è sette volte più dispendiosa di energia rispetto alla normale ondulazione sinuosa. Questo è probabilmente il motivo per cui i serpenti bruni dell’albero di Guam evitano di arrampicarsi sui pali elettrici, dice Jayne. Invece, si arrampicano sui sottili tiranti che sostengono i pali.

I serpenti degli alberi preferiscono risparmiare energia e ricorrere allo stile concertina il meno possibile. Cosa dà ai serpenti bruni l’abilità di scalare pendii ripidi con poco supporto?

Le scaglie del ventre dei serpenti arboricoli si estendono per tutta la larghezza del corpo. In altri serpenti, come i boa constrictor, queste scaglie sono più corte e non coprono l’intero ventre. Queste squame si sovrappongono l’una all’altra come tegole disposte su un tetto.

Gli erpetologi sanno da molto tempo che i serpenti che si arrampicano sugli alberi come i serpenti bronzei, i serpenti volanti e alcuni serpenti lupo dell’Asia hanno una tacca su entrambi i lati delle loro squame del ventre. Anche i serpenti bruni le hanno. Questo li aiuta a creare una piega dove le scaglie del ventre incontrano le piccole scaglie che coprono la schiena. Questa piega, chiamata chiglia ventrolaterale, afferra la minima irregolarità su alberi e muri. Le squame sovrapposte agiscono come i denti di un ingranaggio, tranne che sono rivolti all’indietro.

Viste ventrolaterali delle tre specie in studio che mostrano la variazione nella forma e nella morfologia delle squame ventrali. (A) Boa constrictor. (B) serpente del mais. (C) Serpente albero marrone. Credito: Bruce Jayne

“La nostra scoperta più notevole è come la chiglia aiuta a prevenire lo scivolamento e permette ai serpenti di utilizzare un tipo di strisciamento che non solo è veloce, ma probabilmente risparmia anche energia”, dice Jayne. “Questo diventa più importante quando la ripidità della superficie aumenta. Per esempio, i serpenti marroni sono stati in grado di arrampicarsi direttamente su un cilindro verticale spingendo solo contro pioli che erano alti solo 1 mm.”

Gli alpinisti usano dispositivi di assicurazione per interrompere una caduta. I dispositivi di assicurazione dei serpenti sono queste pieghe appuntite del ventre. Anche i serpenti di mais hanno una punta, ma non è così pronunciata come quella dei serpenti bruni. Senza questa caratteristica, i boa constrictor investono la loro forza e la loro energia per arrampicarsi in stile concertina su pertiche scivolose.

Questa piega cambia la forma della sezione trasversale dei serpenti. La maggior parte dei serpenti, come i boa constrictor, hanno una sezione trasversale quasi rotonda. I serpenti di mais assomigliano a una pagnotta di pane – parte superiore arrotondata, mentre la parte inferiore ha degli angoli. Nei serpenti bruni, la piega si proietta bruscamente verso l’esterno del corpo.

I corpi rotondi non sono fatti per arrampicarsi, perché rotolerebbero fuori dalle leggere sporgenze. Anche i serpenti bruni svelti perdono la loro abilità di arrampicarsi quando le loro pance sono pesanti con cibo o uova.

I risultati di questo esperimento sollevano altre domande. “Alcuni serpenti come i serpenti planatori del genere Chrysopelea possono formare una cresta ancora più netta lungo il loro ventre rispetto ai serpenti bruni”, ha detto Jayne a The Wire. “Ma ci mancano ancora dati sperimentali che testino la loro capacità di arrampicarsi su diverse superfici con un’ampia varietà di texture.”

Jayne spera di mettere i risultati di questo esperimento in uso nel mondo reale. Propone di progettare un materiale a prova di serpente che impedisca ai serpenti marroni di arrampicarsi su determinati alberi o pali a Guam. Per esempio, proteggendo i tiranti dei pali elettrici si eviterebbero interruzioni di corrente, e avvolgendo il materiale intorno agli alberi si proteggerebbe dalla predazione i nidi di uccelli vulnerabili.

“I serpenti marroni trovano tremendamente difficile arrampicarsi sui tubi in PVC di diametro superiore a circa 10 cm se è più ripido di una pendenza di 45 gradi”, dice Jayne. “Alcuni studi più vecchi di altri hanno trovato che la rasatura della corteccia dei tronchi d’albero per renderla più liscia può essere molto efficace per impedire ad alcune specie di serpenti topo nordamericani di arrampicarsi e accedere ai tronchi d’albero. Tuttavia, non sappiamo ancora se un tale approccio potrebbe rendere un tronco d’albero abbastanza liscio da impedire ai serpenti bruni di arrampicarsi su una superficie naturale così modificata. Tuttavia, credo che entrambi questi approcci siano molto promettenti e meritano sicuramente una ricerca di follow-up per testare direttamente l’efficacia in condizioni di campo”.

Inoltre, Jayne sviluppa robot utilizzando design bio-ispirati in collaborazione con gli ingegneri. I robot che imitano i serpenti possono arrampicarsi all’interno di tubi e spazi stretti che altrimenti sarebbero difficili da manovrare per gli esseri umani e i robot con ruote.

Siccome la locomozione a concertina è energeticamente costosa, la userebbe nei progetti di robot?

“Molto spesso i parametri di progettazione diversi dall’economia energetica sono di primaria importanza”, risponde Jayne. “Se un tipo di movimento è economico, può essere inutile se non permette a un animale o a una macchina di muoversi su una particolare superficie. Per esempio, tutti i serpenti del nostro studio hanno usato la locomozione a concertina sui cilindri lisci e ripidi che mancavano di qualsiasi piolo, e la presa per attrito è una strategia molto efficace per evitare lo slittamento in tali circostanze.”

Lo studio è stato pubblicato sul Journal of Experimental Biology il 17 dicembre 2015.

Janaki Lenin è l’autore di Mio marito e altri animali. Vive in una foresta con l’uomo-serpente Rom Whitaker e twitta su @janakilenin.