Jak węże wspinają się bez kończyn?

Zwierzęta robią najbardziej zdumiewające rzeczy. Przeczytaj o nich w tej serii autorstwa Janaki Lenin.

Brązowy wąż drzewny wspina się po słupie z kołkami. Credit: Bruce Jayne

Węże wspinają się na drzewa bez pomocy rąk, stóp, pazurów lub lepkich opuszków palców. Czołgają się, kopią nory, pływają, a nawet szybują w powietrzu. Cokolwiek robią, ich plan budowy ciała nie ulega zmianie. Węże wodne nie mają płetw, węże latające nie mają skrzydeł, ani węże grzebiące nie mają pazurów. Jednak w subtelny sposób zmieniły swoje ciało. Specjaliści od wspinaczki po drzewach są smukli z długimi ogonami, które często są napletkami, zdolnymi do zwijania się wokół gałęzi. Gąsienice lądowe, takie jak boa dusiciele, są po ciężkiej stronie z krótkimi ogonami. Wszystkie węże morskie napędzają się płaskimi, łopatkowatymi ogonami.

Węże wspinają się przez zginanie i zginanie całej długości ich rurkowatych ciał. Ich błyszczące brzuchy mogą wyglądać nieprzystosowane do wspinaczki, ale ślizgają się po grubej korze drzew. Gdyby były szorstkie, spowodowałyby tarcie i spowolniłyby postępy gadów.

Pnie drzew wahają się od gładkich do szorstkich. Gładkie pnie drzew i ściany, które nie zapewniają żadnego oparcia pokonują niektóre węże. Accomplished drzewo wspinaczy jak zachodnie węże szczur unikać chodzenia w górę gładkich drzew kory w całym USA.

Brown drzewo węże z południowego Pacyfiku są wśród elitarnych drzewo wspinaczy. Podczas II wojny światowej, najechały one wyspę Guam na Pacyfiku jako pasażerowie na gapę w statkach towarowych. Bez drapieżników, które trzymałyby je w ryzach, ich liczba wymknęła się spod kontroli. Żadna część wyspy nie jest przed nimi bezpieczna. Węże zdziesiątkowały już rodzime gatunki ptaków i ssaków. Powodują też przerwy w dostawie prądu, wspinając się na słupy elektryczne i powodując zwarcia.

Jaki jest sekret ich wyjątkowych umiejętności wspinaczkowych?

Wąż drzewny brązowy wspina się po śliskim słupie. Credit: Bruce Jayne

Profesor biomechaniki, Bruce Jayne, i jego studenci z Uniwersytetu Cincinnati w USA przeprowadzili eksperyment. Położyli mocne węże boa constrictors, węże kukurydziane o średniej wadze i smukłe, zwinne węże z brązowego drzewa. Węże kukurydziane są wszechstronne, polują na lądzie i na drzewach. 37 kandydatów było tej samej wielkości, od metra do półtora metra długości.

Badacze symulowali różne tekstury pni drzew poprzez wbijanie kołków w gładkie cylindry. Kołki były prawie na równi ze słupami lub wystawały do 4 cm. Badacze zmieniali również stopień nachylenia cylindra z poziomego na pionowy. Obserwowali jak węże radziły sobie w miarę zwiększania nachylenia i zmniejszania długości kołków. W sumie badacze przeprowadzili około 10 000 prób.

Gdy kołki były wysokie, a pochylenie płytkie, węże wspinały się normalnie, odpychając się od kołków i zygzakując w górę.

Najtrudniejszą częścią eksperymentu dla wszystkich węży było wspinanie się na prawie pionowy cylinder bez żadnych kołków. Wtedy uciekły się do unikalnego rodzaju lokomocji zwanego concertina. Zapętlały się ciasno wokół cylindra dwa lub trzy razy, wyciągały się do przodu i ponownie zapętlały, ciągnąc przy tym dolną część ciała do góry. Ponieważ ten chód wymaga więcej wysiłku, aby się nie poślizgnąć, węże czyniły powolne postępy.

Jak tylko badacze dostarczyli najkrótsze kołki, o długości 1 mm, węże z drzewa brunatnego szybowały w swoim normalnym, sinusoidalnym chodzie. Ale boa contrictors i węże kukurydziane, jednak, plodded concertina styl aż kołki były wystarczająco długie, aby dźwignia ich ciała w górę.

Although boa constrictors były najwolniejsze, używali ich siły mięśni, aby uchwycić i wspiąć się na biegunie. Naukowcy twierdzą, że węże radzą sobie z różnymi strukturami, modyfikując swoje zachowanie.

Lokomocja Concertina jest siedmiokrotnie bardziej energochłonna niż normalne sinusoidalne falowanie. To prawdopodobnie dlatego węże drzewne na Guamie unikają wspinania się na słupy elektryczne, mówi Jayne. Instead, they climb the thin guy wires that support the poles.

Tree-dwelling snakes would prefer to save energy and resort to concertina style as little as possible. Co daje brązowym wężom drzewnym zdolność do wspinania się po stromych zboczach z niewielkim wsparciem?

Łuski brzuszne węży drzewnych rozciągają się na całą szerokość ciała. U innych węży, takich jak boa dusiciele, łuski te są krótsze i nie pokrywają całego brzucha. Te łuski zachodzą na siebie jak dachówki ułożone na dachu.

Herpetolodzy od dawna wiedzą, że węże wspinające się na drzewa, takie jak bronzeback tree snakes, latające węże i niektóre wilcze węże Azji mają nacięcia po obu stronach ich brzusznych łusek. Brązowe węże nadrzewne również je mają. To pomaga im stworzyć fałdę, gdzie łuski brzuszne spotykają się z małymi łuskami pokrywającymi ich grzbiety. Fałda ta, zwana ventrolateral keel, chwyta się najmniejszych nierówności na drzewach i ścianach. Nakładające się na siebie łuski działają jak zęby na przekładni, tyle że są skierowane do tyłu.

Widoki ventrolateralne trzech badanych gatunków ukazujące zróżnicowanie kształtu i morfologii łusek brzusznych. (A) Boa constrictor. (B) Wąż zbożowy. (C) Brown tree snake. Credit: Bruce Jayne

„Naszym najbardziej godnym uwagi odkryciem jest to, w jaki sposób kil pomaga zapobiegać poślizgom i pozwala wężom stosować rodzaj pełzania, który nie tylko jest szybki, ale także prawdopodobnie oszczędza energię” – mówi Jayne. „Staje się to ważniejsze wraz ze wzrostem stromości powierzchni. Na przykład, węże z drzewa brunatnego były w stanie wspinać się prosto w górę pionowego cylindra, naciskając tylko na kołki, które miały zaledwie 1 mm wysokości.”

Wspinacze górscy używają przyrządów asekuracyjnych, aby przerwać upadek. Urządzenia asekuracyjne węży to te ostre fałdy brzuszne. Węże kukurydziane też mają trochę krawędzi, ale nie jest ona tak wyraźna jak u węży z drzewa brunatnego. Bez tej przydatnej cechy, węże boa dusiciele inwestują swoją siłę i energię we wspinanie się w stylu concertina po śliskich słupach.

Ta fałda zmienia kształt przekroju poprzecznego węży. Większość węży, jak boa dusiciele, są prawie okrągłe w przekroju. Węże kukurydziane przypominają bochenek chleba – góra zaokrąglona, natomiast dół ma rogi. U węży z drzewa brunatnego fałda wystaje ostro na zewnątrz od ciała.

Ciała rotund nie są stworzone do wspinaczki, ponieważ mogłyby się staczać z lekkich wypukłości. Nawet smukłe brązowe węże drzewne tracą swoją sprawność wspinaczkową, gdy ich brzuchy są ciężkie od jedzenia lub jaj.

Znaleziska z tego eksperymentu rodzą więcej pytań. „Niektóre węże, takie jak węże szybujące w rodzaju Chrysopelea, mogą tworzyć jeszcze ostrzejszy grzbiet wzdłuż ich brzucha niż brązowe węże drzewne”, powiedział Jayne w The Wire. „Ale wciąż brakuje nam danych eksperymentalnych testujących ich zdolność do wspinania się na różne powierzchnie o szerokiej gamie tekstur.”

Jayne ma nadzieję, że wyniki z tego eksperymentu zostaną wykorzystane w świecie rzeczywistym. Proponuje zaprojektowanie materiału odpornego na węże drzewne, który uniemożliwiłby wężom drzewnym wspinanie się na określone drzewa lub słupy w Guam. Na przykład, chroniąc druty słupów elektrycznych można by zapobiec przerwom w dostawie prądu, a owinięcie materiału wokół drzew ochroniłoby wrażliwe ptasie gniazda przed drapieżnikami.

„Węże z drzew brunatnych mają ogromną trudność we wspinaniu się po rurach PCV o średnicy większej niż około 10 cm, jeśli jest ona bardziej stroma niż 45 stopni”, mówi Jayne. „Niektóre starsze badania przeprowadzone przez innych naukowców wykazały, że golenie kory pni drzew, aby uczynić ją gładszą, może być bardzo skuteczne w zapobieganiu wspinania się i uzyskiwania dostępu do pni drzew przez niektóre gatunki północnoamerykańskich węży szczurów. Jednakże, nadal nie wiemy czy takie podejście mogłoby uczynić pień drzewa wystarczająco gładkim aby zapobiec wspinaniu się węży brunatnych na tak zmodyfikowaną naturalną powierzchnię. Uważam jednak, że oba te podejścia są bardzo obiecujące i zdecydowanie warte dalszych badań w celu bezpośredniego sprawdzenia skuteczności w warunkach terenowych.”

Dodatkowo, Jayne we współpracy z inżynierami opracowuje roboty wykorzystujące projekty inspirowane biologicznie. Roboty naśladujące węże mogą wspinać się wewnątrz rur i ciasnych przestrzeni, które w przeciwnym razie byłyby trudne do manewrowania dla ludzi i robotów z kołami.

Ponieważ lokomocja concertina jest kosztowna energetycznie, czy użyłby jej w projektach robotów? „Bardzo często parametry projektu inne niż ekonomia energetyczna mają pierwszorzędne znaczenie,” odpowiada Jayne. „Jeśli jeden rodzaj ruchu jest ekonomiczny, może być bezużyteczny, jeśli nie pozwala zwierzęciu lub maszynie poruszać się po określonej powierzchni. Na przykład wszystkie węże w naszym badaniu używały lokomocji concertina na gładkich, stromych cylindrach, w których brakowało jakichkolwiek kołków, a chwytanie tarciowe jest bardzo skuteczną strategią zapobiegania poślizgom w takich okolicznościach.”

Badanie zostało opublikowane w Journal of Experimental Biology 17 grudnia 2015 roku.

Janaki Lenin jest autorką książki My Husband and Other Animals. Mieszka w lesie z człowiekiem-wężem Romem Whitakerem i tweetuje pod adresem @janakilenin.

.