Hur kan ormar klättra utan lemmar?

Djur gör de mest fantastiska saker. Läs om dem i den här serien av Janaki Lenin.

En brun trädorm klättrar upp på en stolpe med pinnar. Credit: Bruce Jayne

Slangar klättrar i träd utan hjälp av händer, fötter, klor eller klibbiga tåhinnor. De kryper också, gräver, simmar och glider till och med genom luften. Vad de än gör ändras inte deras kroppsplan. Vattenormar har inga fenor, flygande ormar har inga vingar och grävande ormar har inga klor. Men de har anpassat sina kroppar på subtila sätt. Specialiserade trädklättrare är slanka och har långa svansar som ofta är gripbara, vilket gör att de kan slingra sig runt grenar. Krypande markdjur som boa constrictors är på den tunga sidan och har korta svansar. Alla havsormar driver sig själva med platta, paddelliknande svansar.

Sormar klättrar genom att böja och böja hela längden på sina rörformiga kroppar. Deras glansiga bukar kan se olämpliga ut för klättring, men de glider över grov trädbark. Om de hade varit grova skulle de orsaka friktion och bromsa reptilernas framfart.

Trädstammar varierar från släta till grova. Glatta trädstammar och väggar som inte ger något fotfäste besegrar vissa ormar. Utmärkta trädklättrare som västliga råttormar undviker att klättra upp i träd med slät bark över hela USA.

Bruna trädormar från södra Stilla havet hör till eliten av trädklättrare. Under andra världskriget invaderade de Stillahavsön Guam som fripassagerare i lastfartyg. Utan rovdjur för att hålla dem i schack blev deras antal okontrollerbart. Ingen del av ön är säker för dem. Ormarna har redan decimerat inhemska arter av fåglar och däggdjur. Och de orsakar strömavbrott genom att klättra upp i elstolpar och orsaka kortslutningar.

Vad är hemligheten bakom deras exceptionella klätterförmåga?

En brun trädorm klättrar upp på en glatt stolpe. Credit: Bruce Jayne

En professor i biomekanik, Bruce Jayne, och hans studenter från University of Cincinnati, USA, genomförde ett experiment. De utsatte kraftiga boa constrictors, medelviktiga majsormar och de slanka, smidiga bruna trädormarna för en rejäl prövning. Majsormar är allsidiga och jagar både på land och uppe i träden. De 37 kandidaterna var lika stora, mellan en meter och en och en halv meter långa.

Forskarna simulerade olika trädstamskulturer genom att slå in pinnar i släta cylindrar. Pinnarna låg nästan i nivå med stolparna eller stack ut upp till 4 cm. Forskarna ändrade också graden av cylinderns lutning från horisontell till vertikal. De observerade hur ormarna klarade sig när lutningen ökade och pinnarna minskade i längd. Totalt genomförde forskarna cirka 10 000 försök.

När pinnarna var långa och lutningarna grunda klättrade ormarna normalt, tryckte sig mot pinnarna och zick-zackade sig uppåt.

Den svåraste delen av försöket för alla ormarna var att klättra uppför en nästan vertikal cylinder utan några pinnar alls. Då tog de till en unik typ av förflyttning som kallas dragspel. De slingrade sig tätt runt cylindern två eller tre gånger, sträckte sig framåt och slingrade sig runt igen, samtidigt som de drog den nedre delen av kroppen uppåt. Eftersom denna gång kräver större ansträngning för att inte glida, gjorde ormarna långsamma framsteg.

Sedan forskarna gav de kortaste pinnarna, 1 mm långa, gled de bruna trädormarna i sin normala slingrande gång. Men boa contrictors och majsormar plöjde däremot i dragspelsstil tills pinnarna var tillräckligt långa för att kunna lyfta deras kroppar uppåt.

Och även om boa constrictors var långsammast använde de sin muskelstyrka för att gripa tag i och klättra uppför stången. Forskarna menar att ormar klarar av olika strukturer genom att modifiera sitt beteende.

Concertina-motion är sju gånger mer energikrävande än normal slingrande böjning. Det är förmodligen därför som bruna trädormar i Guam undviker att glänsa uppför elstolpar säger Jayne. Istället klättrar de upp i de tunna staglinor som stöder stolparna.

Trädlevande ormar föredrar att spara energi och tillgripa concertina-stilen så lite som möjligt. Vad ger bruna trädormar förmågan att klättra i branta lutningar med lite stöd?

Trädormarnas bukskallar sträcker sig över hela kroppens bredd. Hos andra ormar, som boa constrictors, är dessa fjäll kortare och täcker inte hela buken. Dessa fjäll överlappar varandra som kakelplattor arrangerade på ett tak.

Herpetologer har länge vetat att trädklättrande ormar som bronzeback-trädsormar, flygande ormar och vissa vargormar i Asien har en skåra på vardera sidan av sina bukfjäll. Bruna trädormar har dem också. Detta hjälper dem att skapa ett veck där bukskallarna möter de små skalorna som täcker deras rygg. Detta veck, som kallas ventrolateral köl, griper tag i minsta ojämnhet på träd och väggar. De överlappande fjällen fungerar som tänder på en kugghjul, förutom att de pekar bakåt.

Ventrolaterala vyer av de tre undersökta arterna som visar variationen i form och morfologin hos de ventrala fjällen. (A) Boa constrictor. (B) Majsorm. (C) Brun trädorm. Credit: Bruce Jayne

”Vår mest anmärkningsvärda upptäckt är hur kölen hjälper till att förhindra glidning och gör det möjligt för ormarna att använda en typ av krypning som inte bara är snabb utan förmodligen också sparar energi”, säger Jayne. ”Detta blir viktigare ju brantare ytan blir. De bruna trädormarna kunde till exempel klättra rakt uppför en vertikal cylinder genom att bara trycka mot pinnar som var endast 1 mm höga.”

Bergsklättrare använder säkringsanordningar för att avbryta ett fall. Ormarnas säkringsanordningar är dessa skarpa bukveck. Majsormar har också en liten kant, men den är inte lika uttalad som de bruna trädormarnas. Utan denna smarta funktion lägger boa constrictors ner sin styrka och energi på att klättra i dragspel uppför glatta stolpar.

Denna veckning förändrar ormarnas tvärsnittsform. De flesta ormar, som boa constrictors, är nästan runda i tvärsnitt. Majsormar liknar en brödlimpa – den övre delen är rundad, medan den nedre delen har hörn. Hos bruna trädormar sticker veckningen skarpt utåt från kroppen.

Rotundkroppar är inte gjorda för att klättra eftersom de skulle rulla av de små utskotten. Även smidiga bruna trädormar förlorar sin klätterförmåga när deras magar är tunga med mat eller ägg.

Resultaten från det här experimentet väcker fler frågor. ”Vissa ormar, till exempel de glidande ormarna i släktet Chrysopelea, kan bilda en ännu vassare ås längs magen än de bruna trädormarna”, säger Jayne till The Wire. ”Men vi saknar fortfarande experimentella data som testar deras förmåga att klättra på olika ytor med en stor variation av texturer.”

Jayne hoppas kunna använda resultaten från det här experimentet i verkligheten. Han föreslår att man ska utforma ett trädormssäkert material som skulle hindra bruna trädormar från att klättra upp i specifika träd eller stolpar i Guam. Om man till exempel skyddar elstolparnas staglinor kan man förhindra strömavbrott, och om man lindar materialet runt träden kan man skydda sårbara fågelbon från rovdrift.

”Bruna ormar har oerhört svårt att klättra uppför PVC-rör med en diameter på mer än 10 cm om det är brantare än 45 graders lutning”, säger Jayne. ”Några äldre studier som gjorts av andra har visat att det kan vara mycket effektivt att raka barken på trädstammar för att göra den slätare för att hindra vissa arter av nordamerikanska råttormar från att klättra och ta sig upp på trädstammar. Vi vet dock fortfarande inte om ett sådant tillvägagångssätt skulle kunna göra en trädstam tillräckligt slät för att hindra bruna trädormar från att klättra på en sådan modifierad naturlig yta. Jag anser dock att båda dessa tillvägagångssätt är mycket lovande och definitivt värda uppföljande forskning för att direkt testa effektiviteten under fältförhållanden.”

Det är dessutom Jayne som utvecklar robotar med hjälp av bioinspirerad design i samarbete med ingenjörer. Robotar som efterliknar ormar kan klättra upp i rör och trånga utrymmen som annars skulle vara svåra för människor och robotar med hjul att manövrera.

Som konsertinell förflyttning är energikrävande, skulle han då använda den i robotkonstruktioner?

”Väldigt ofta är andra parametrar för konstruktionen än energibesparing av primär betydelse”, svarar Jayne. ”Om en typ av rörelse är ekonomisk kan den vara oanvändbar om den inte gör det möjligt för ett djur eller en maskin att röra sig på en viss yta. Till exempel använde alla ormar i vår studie sig av dragspel för att röra sig på de släta, branta cylindrarna som saknade pinnar, och friktionsgrepp är en mycket effektiv strategi för att förhindra glidning under sådana omständigheter.”

Studien publicerades i Journal of Experimental Biology den 17 december 2015.

Janaki Lenin är författare till boken My Husband and Other Animals. Hon bor i en skog med ormmannen Rom Whitaker och twittrar på @janakilenin.