El profesor de biología de la UC Bruce Jayne sostiene una serpiente enredadera en su laboratorio. Crédito:Joseph Fuqua II / UC Creative Services
Las serpientes son conocidas por sus icónicos movimientos en forma de S. Pero tienen una habilidad menos notable que les otorga un superpoder único.
Las serpientes pueden gatear en línea recta.
El biólogo Bruce Jayne de la Universidad de Cincinnati estudió la mecánica del movimiento de las serpientes para comprender exactamente cómo pueden impulsarse hacia adelante como un tren a través de un túnel.
"Es una muy buena forma de moverse en espacios reducidos, "Dijo Jayne." Muchas serpientes de cuerpo pesado usan esta locomoción:víboras, boa constrictora, anacondas y pitones ".
Su estudio titulado "Gatear sin moverse" se publicó en diciembre en la Revista de biología experimental .
Las serpientes normalmente nadan, trepar o gatear doblando su columna en serpentinas o usando los bordes de ataque para empujar objetos. Un ejemplo extremo de su diversidad de movimientos le da su nombre a la serpiente de cascabel sidewinder.
Jayne, profesor de ciencias biológicas en la Facultad de Artes y Ciencias McMicken de la UC, ya ha desbloqueado la mecánica de tres tipos de locomoción de serpiente llamada concertina, serpentina y de lado. Pero el sencillo movimiento de las serpientes, llamado "locomoción rectilínea, "ha recibido menos atención, él dijo.
Esta coordinación de la actividad muscular y el movimiento de la piel fue examinada por primera vez en 1950 por el biólogo H.W. Lissmann. Él planteó la hipótesis de que los músculos de la serpiente combinados con sus sueltos, La piel del vientre flexible y blanda le permitió deslizarse hacia adelante sin doblar la columna.
"Han pasado casi 70 años sin que se entienda bien ese tipo de locomoción, "Dijo Jayne.
Jayne y su estudiante de posgrado y coautor, Steven Newman, probó la hipótesis de Lissmann utilizando equipos que no estaban disponibles para los investigadores en la década de 1950. Jayne usó cámaras digitales de alta definición para filmar boa constrictoras mientras registraba los impulsos eléctricos generados por músculos particulares. Esto produjo un electromiograma (similar a un EKG) que mostró la coordinación entre los músculos, la piel de la serpiente y su cuerpo.
Para el estudio, Newman y Jayne usaron boas constrictoras, serpientes de gran cuerpo conocidas por viajar en línea recta sobre el suelo del bosque. Grabaron un video de alta definición de las serpientes moviéndose a través de una superficie horizontal con marcas de referencia. Los investigadores también agregaron puntos de referencia a los lados de las serpientes para rastrear el movimiento sutil de su piel escamosa.
Cuando la serpiente avanza lentamente, la piel de su vientre se flexiona mucho más que la piel de la caja torácica y la espalda. Las escamas del vientre actúan como huellas de un neumático, proporcionando tracción con el suelo a medida que los músculos tiran de la estructura interna de la serpiente hacia adelante en un patrón ondulado que se vuelve fluido y sin costuras cuando se mueven rápidamente.
Los músculos de la serpiente se activan secuencialmente desde la cabeza hacia la cola de una manera notablemente fluida y sin fisuras. Dos de los músculos clave responsables de esto se extienden desde las costillas (costo) hasta la piel (cutánea) dándoles su nombre costocutáneo.
"La columna vertebral avanza a un ritmo constante, ", Dijo Newman." Un grupo de músculos tira de la piel hacia adelante y luego se ancla en su lugar. Y los músculos antagónicos opuestos tiran de la columna vertebral ".
La ventaja de este tipo de movimiento es obvia para un depredador que come roedores y otros animales que pasan tiempo bajo tierra.
"Las serpientes evolucionaron a partir de ancestros excavadores. Puedes caber en agujeros o túneles mucho más estrechos moviéndote de esta manera que si tuvieras que doblar tu cuerpo y empujar contra algo, "Dijo Newman.
El estudio fue apoyado en parte por una subvención de la National Science Foundation.
Jayne dijo que la descripción de 1950 de Lissmann era en gran parte correcta.
El profesor de biología de la UC Bruce Jayne sostiene una serpiente de árbol marrón ligeramente venenosa en su laboratorio. Estas serpientes trepadoras son conocidas por diezmar las poblaciones de aves silvestres en Guam. Comprender cómo trepan es clave para ayudar a los administradores de la vida silvestre a encontrar mejores barreras para proteger las especies vulnerables. Crédito:Joseph Fuqua II / UC Creative Services
"Pero planteó la hipótesis de que el músculo que acorta la piel era el mecanismo que impulsa a una serpiente hacia adelante. Se equivocó, ", Dijo Jayne." Pero dado el tiempo que llevó a cabo el estudio, Me maravilla cómo pudo hacerlo. Tengo una enorme admiración por sus ideas ".
La industria ha tratado de imitar a los sin extremidades, movimientos serpentinos de serpientes en robots que pueden inspeccionar tuberías y otros equipos submarinos. Newman dijo que los robots que pueden aprovechar el movimiento rectilíneo de una serpiente podrían tener aplicaciones profundas.
"Esta investigación podría informar a la robótica. Sería una gran ventaja poder moverse en línea recta en pequeños, espacios confinados. Podrían usar robots con forma de serpiente para buscar y rescatar en escombros y edificios derrumbados, "Dijo Newman.
La locomoción rectilínea es una marcha baja para las serpientes que, de otro modo, pueden alcanzar una velocidad sorprendente. Solo lo usan cuando están relajados. Los investigadores observaron que las serpientes volvían a los movimientos tradicionales de acordeón y serpentina cuando se asustaban o empujaban a moverse.
El profesor de biología de la UC Bruce Jayne sostiene una serpiente de árbol marrón en su laboratorio. Estas serpientes trepadoras son conocidas por diezmar las poblaciones de aves silvestres en Guam. Comprender cómo trepan es clave para ayudar a los administradores de la vida silvestre a encontrar mejores barreras para proteger las especies vulnerables. Crédito:Joseph Fuqua II / UC Creative Services
Un ciclista ávido, Jayne ha estudiado la fisiología y biomecánica del ciclismo en un laboratorio en Rieveschl. Tiene estudios en curso sobre la aptitud cardiovascular de los ciclistas. Mide su consumo de oxígeno en un minuto por kilogramo de peso corporal para aprender más sobre cómo los ciclistas pueden aumentar la capacidad de sus músculos para quemar lactasa.
Pero siempre le han fascinado más las serpientes. Su trabajo ha sido publicado en más de 70 artículos de revistas, la mayoría de ellos examina algún aspecto del comportamiento o la biología de las serpientes. Más reciente, Jayne ha estudiado la locomoción de las serpientes, particularmente la asombrosa habilidad de algunos para trepar a los árboles.
Jayne enseña zoología de vertebrados y fisiología y biomecánica humana en la UC.
El interés de toda la vida de Jayne en las serpientes le ha dado a la ciencia un conocimiento profundo de muchos comportamientos previamente indocumentados. Estudió serpientes cangrejeras en Malasia y está probando la agudeza visual de las serpientes en su propio laboratorio óptico improvisado en la UC.
Poniendo a prueba los límites de su movilidad, Jayne puede aprender más sobre los complejos controles motores de la serpiente. Esto puede arrojar luz sobre cómo los humanos pueden ejecutar movimientos coordinados.
"Lo que les permite ir en todas estas direcciones diferentes y lidiar con toda esa complejidad tridimensional es que tienen una diversidad o plasticidad de control neuronal de los músculos, "Dijo Jayne." Incluso si el animal tuviera la fuerza física para hacer algo, no necesariamente tendría el control neuronal ".
Jayne quiere aprender más sobre cómo este refinado control motor contribuye a las asombrosas contorsiones de una serpiente.
"Se mueven de tantas formas fascinantes. ¿Es porque tienen una diversidad tan increíble de patrones motores que el sistema nervioso puede generar?" él dijo.
"Aunque todas las serpientes tienen el mismo plan corporal, hay serpientes totalmente acuáticas, serpientes que se mueven sobre superficies planas, serpientes que se mueven en un plano horizontal, serpientes que trepan. Van a todas partes ", dijo." Y la razón por la que pueden ir a todas partes es que tienen tantas formas diferentes de controlar sus músculos. Eso es bastante intrigante ".
Cuatro tipos de movimiento de serpientes:
