Hoe kunnen slangen klimmen zonder ledematen?

Dieren doen de meest verbazingwekkende dingen. Lees erover in deze serie van Janaki Lenin.

Een bruine boomslang klimt langs een paal met haringen omhoog. Credit: Bruce Jayne

Slangen klimmen in bomen zonder de hulp van handen, voeten, klauwen of kleverige teenkussentjes. Ze kruipen, graven, zwemmen en glijden zelfs door de lucht. Wat ze ook doen, hun lichaamsplan verandert niet. Waterslangen hebben geen vinnen, vliegende slangen hebben geen vleugels, en gravende slangen hebben geen klauwen. Maar ze hebben hun lichaam op subtiele manieren aangepast. Gespecialiseerde boomklimmers zijn slank met lange staarten die vaak grijpbaar zijn, zodat ze zich rond takken kunnen kronkelen. Terrestrische kruipers zoals boa constrictors zijn aan de zware kant met korte staarten. Alle zeeslangen bewegen zich voort met platte, peddelachtige staarten.

Slangen klimmen door de gehele lengte van hun buisvormige lichaam te buigen en te buigen. Hun glanzende buiken lijken misschien ongeschikt om te klimmen, maar ze glijden over grove boomschors. Als ze ruw waren geweest, zouden ze wrijving veroorzaken en de voortgang van de reptielen vertragen.

Boomstammen variëren van glad tot ruw. Gladde boomstammen en wanden die geen houvast bieden, verslaan sommige slangen. Bekwame boomklimmers zoals de westelijke rattenslang vermijden in de V.S. het beklimmen van bomen met gladde schors.

Bruine boomslangen uit de Stille Zuidzee behoren tot de elite van boomklimmers. Tijdens de Tweede Wereldoorlog vielen ze het Pacifische eiland Guam binnen als verstekelingen in vrachtschepen. Zonder roofdieren om ze in toom te houden, liepen hun aantallen uit de hand. Geen deel van het eiland is veilig voor hen. De slangen hebben al inheemse soorten vogels en zoogdieren gedecimeerd. En ze veroorzaken stroomstoringen door in elektriciteitspalen te klimmen en kortsluiting te veroorzaken.

Wat is het geheim van hun uitzonderlijke klimvaardigheid?

Een bruine boomslang klimt tegen een gladde paal op. Credit: Bruce Jayne

Een professor biomechanica, Bruce Jayne, en zijn studenten van de Universiteit van Cincinnati, V.S., voerden een experiment uit. Zij onderwierpen forse boa constrictors, middelzware maïsslangen en de slanke, behendige bruine boomslangen aan hun beproevingen. Maïsslangen zijn allrounders, jagen op het land en in de bomen. De 37 kandidaten waren even groot, tussen een meter en anderhalve meter in lengte.

De onderzoekers simuleerden verschillende boomstamtexturen door haringen in gladde cilinders te slaan. De haringen waren bijna gelijk met de palen of staken tot 4 cm uit. De onderzoekers veranderden ook de hellingsgraad van de cilinder, van horizontaal tot verticaal. Zij keken hoe het de slangen verging naarmate de helling toenam en de haringen minder lang werden. In totaal voerden de onderzoekers ongeveer 10.000 proeven uit.

Wanneer de pinnen lang waren en de hellingen ondiep, klommen de slangen normaal, zich duwend tegen de pinnen en zigzaggend hun weg naar boven.

Het moeilijkste deel van het experiment voor alle slangen was het beklimmen van een bijna verticale cilinder zonder haringen. Dan namen ze hun toevlucht tot een unieke vorm van voortbeweging, concertina genaamd. Ze maakten twee of drie keer een lus rond de cilinder, strekten zich naar voren en maakten opnieuw een lus, terwijl ze het onderste deel van hun lichaam naar boven trokken. Omdat deze gang meer inspanning vergt om niet weg te glijden, maakten de slangen trage vorderingen.

Zodra de onderzoekers de kortste pinnen, 1 mm. lang, ter beschikking stelden, gleden de bruine boomslangen in hun normale kronkelende gang. Maar boa constrictors en maïsslangen ploeterden in concertina stijl totdat de haringen lang genoeg waren om hun lichaam omhoog te tillen.

Hoewel boa constrictors het langzaamst waren, gebruikten zij hun spierkracht om de paal vast te grijpen en te beklimmen. De onderzoekers zeggen dat slangen omgaan met verschillende structuren door hun gedrag aan te passen.

Concertina locomotie is zeven keer meer energie verbruikend dan normale kronkelende golving. Dat is waarschijnlijk de reden waarom bruine boomslangen in Guam vermijden om tegen elektrische palen te schuren, zegt Jayne. In plaats daarvan beklimmen ze de dunne scheerlijnen die de palen ondersteunen.

Boombewonende slangen zouden liever energie besparen en zo min mogelijk hun toevlucht nemen tot concertina stijl. Wat geeft bruine boomslangen het vermogen om met weinig steun steile hellingen te beklimmen?

De buikschubben van boomslangen strekken zich uit over de breedte van het lichaam. Bij andere slangen, zoals boa constrictors, zijn deze schubben korter en bedekken ze niet de hele buik. Deze schubben overlappen elkaar als dakpannen op een dak.

Herpetologen weten al lang dat boomklimmende slangen, zoals bronskleurige boomslangen, vliegende slangen en sommige wolfslangen uit Azië, een inkeping hebben aan weerszijden van hun buikschubben. Bruine boomslangen hebben ze ook. Dit helpt hen een plooi te maken waar de buikschubben samenkomen met de kleine schubben die hun rug bedekken. Deze plooi, ventrolaterale kiel genoemd, grijpt de geringste onregelmatigheid op bomen en muren. De overlappende schubben werken als tanden op een tandwiel, behalve dat ze naar achteren zijn gericht.

Ventrolaterale aanzichten van de drie bestudeerde soorten tonen de variatie in vorm en de morfologie van de ventrale schubben. (A) Boa constrictor. (B) Korenslang. (C) Bruine boomslang. Credit: Bruce Jayne

“Onze meest opmerkelijke bevinding is hoe de kiel helpt om uitglijden te voorkomen en slangen in staat stelt om een vorm van kruipen te gebruiken die niet alleen snel is maar waarschijnlijk ook energie bespaart,” zegt Jayne. “Dit wordt belangrijker naarmate de steilheid van het oppervlak toeneemt. De bruine boomslangen waren bijvoorbeeld in staat om recht omhoog te klimmen op een verticale cilinder door alleen tegen pinnen te duwen die slechts 1 mm hoog waren.”

Mountain climbers gebruiken belay devices om een val te breken. Bij slangen zijn deze scherpe buikplooien het redmiddel. Maïsslangen hebben ook een beetje een rand, maar niet zo uitgesproken als de bruine boomslangen. Zonder deze handige eigenschap, investeren boa constrictors hun kracht en energie in het klimmen in concertina-stijl op gladde palen.

Deze plooi verandert de dwarsdoorsnede vorm van slangen. De meeste slangen, zoals boa constrictors, zijn bijna rond van doorsnede. Maïsslangen lijken op een brood – afgeronde bovenkant, terwijl de onderkant hoeken heeft. Bij bruine boomslangen steekt de vouw scherp naar buiten uit het lichaam.

Rotundslijven zijn niet gemaakt om te klimmen, want zij zouden van de lichte uitsteeksels afrollen. Zelfs slanke bruine boomslangen verliezen hun klimvaardigheid wanneer hun buik zwaar is met voedsel of eieren.

De bevindingen van dit experiment roepen meer vragen op. “Sommige slangen, zoals de zweefslangen van het geslacht Chrysopelea, kunnen een nog scherpere rand langs hun buik vormen dan de bruine boomslangen,” vertelde Jayne aan The Wire. “Maar we hebben nog steeds geen experimentele gegevens die hun vermogen testen om verschillende oppervlakken met een grote verscheidenheid aan texturen te beklimmen.”

Jayne hoopt de resultaten van dit experiment in de echte wereld te kunnen gebruiken. Hij stelt voor een slangbestendig materiaal te ontwerpen dat voorkomt dat bruine boomslangen in specifieke bomen of palen in Guam klimmen. Het beschermen van de scheerlijnen van elektriciteitspalen zou bijvoorbeeld stroomuitval voorkomen, en het wikkelen van het spul rond bomen zou kwetsbare vogelnesten beschermen tegen predatie.

“Bruine boomslangen vinden het enorm moeilijk om PVC-buizen met een diameter groter dan ongeveer 10 cm op te klimmen als het steiler is dan een helling van 45 graden,” zegt Jayne. “Uit oudere studies van anderen is gebleken dat het scheren van de schors van boomstammen om deze gladder te maken, zeer effectief kan zijn om te voorkomen dat bepaalde soorten Noord-Amerikaanse rattenslangen in boomstammen klimmen en er toegang toe krijgen. We weten echter nog steeds niet of een dergelijke aanpak een boomstam glad genoeg kan maken om te voorkomen dat bruine boomslangen een dergelijk gewijzigd natuurlijk oppervlak beklimmen. Ik geloof echter dat beide benaderingen een grote belofte inhouden en zeker de moeite waard zijn voor wat vervolgonderzoek om de effectiviteit direct te testen onder veldomstandigheden.”

Daarnaast ontwikkelt Jayne robots met behulp van bio-geïnspireerde ontwerpen in samenwerking met ingenieurs. Slang-imiterende robots kunnen in pijpen en krappe ruimtes klimmen die anders moeilijk te manoeuvreren zouden zijn voor mensen en robots met wielen.

Since concertina locomotion is energy expensive, would he use it in robot designs?

“Very often parameters of design other than energetic economy are of primary importance,” antwoordt Jayne. “Als een bepaald type beweging zuinig is, kan het nutteloos zijn als het een dier of een machine niet in staat stelt zich op een bepaald oppervlak te bewegen. Bijvoorbeeld, alle slangen in onze studie gebruikten concertina locomotie op de gladde, steile cilinders die geen pinnen hadden, en frictie grijpen is een zeer effectieve strategie om uitglijden in dergelijke omstandigheden te voorkomen.”

De studie werd gepubliceerd in het Journal of Experimental Biology op 17 december 2015.

Janaki Lenin is de auteur van My Husband and Other Animals. Ze woont in een bos met slangenmens Rom Whitaker en twittert op @janakilenin.