Разное

Движение змей: Биологи объяснили, как змеям удается двигаться по прямой

Содержание

Стало ясно, как змеи двигаются вперед, не используя позвоночник // Смотрим

Более 70 лет биологи не могли точно описать механизм, при помощи которого некоторые змеи двигаются вперёд, не изгибая своё тело. Но теперь с помощью современных инструментов учёные раскрыли эту загадку.

Змеи используют различные способы передвижения, которые позволяют им незаметно подкрадываться к жертве или скрываться от врагов. Чаще всего мы представляем их изгибающимися в форме латинской буквы S. Некоторые обитатели пустынь, такие как гремучие змеи, ползают по сыпучим пескам боком. Но до сих пор учёные не до конца понимали, как питонам, анакондам и гадюкам удаётся ползать прямолинейно без каких-либо изгибов тела.

Профессор Брюс Джейн (Bruce Jayne) из Университета Цинциннати давно занимается исследованием динамики пресмыкающихся. Ранее учёный раскрыл механику трёх видов локомоции змей, и теперь пришло время внимательно рассмотреть самую загадочную технику передвижения.

В далёком 1950 году британский биолог Ганс Лиссман (Hans Lissmann) первым обратил внимание на прямолинейное движение змей. Он предположил, что ключевую роль в способности пресмыкающихся ползать без помощи позвоночника играет работа мышц в сочетании с рыхлой, гибкой и мягкой кожей на животе. Но технологии середины двадцатого века не позволили подтвердить эту гипотезу.

Теперь Джейн и его коллега Стивен Ньюман (Steven Newman) использовали цифровые камеры высокой чёткости для записи движения ползущего удава и одновременно регистрировали электрические импульсы в отдельных мышцах. На тело змеи были нанесены контрольные точки, с помощью которых учёные фиксировали мельчайшие движения чешуйчатой кожи. Это позволило создать электромиограмму, которая отражала взаимодействие между мышцами, кожей и телом змеи.

Исследователи выяснили, что у ползущего удава кожа на животе сжимается и растягивается немного сильнее, чем на боках и спине. Чешуя на нижней части тела действует как протектор автомобильной шины, обеспечивая сцепление с землёй, а волновая работа мышц непрерывно тянет позвоночник вперёд.

Основную роль в этом процессе играют два типа мышц, связывающих рёбра с кожей. Сначала один набор мускулов тянет кожу вперёд, затем она закрепляется на земле и вторая группа подтягивает позвоночник. При этом мускулатура змеи разбита на сегменты, которые последовательно активируются от головы к хвосту. В результате позвоночный столб перемещается с постоянной скоростью, а тело в каждый момент времени опирается на несколько участков кожи.

 

“Змеи эволюционировали от роющих предков и, двигаясь таким образом, они могут проникать в узкие отверстия или туннели, где невозможно сгибать тело и отталкиваться”, — объясняет Ньюман в пресс-релизе.

Учёные говорят, что 70 лет назад Лиссман в целом правильно описал прямолинейное движение змей, но, не имея высокоточных инструментов, он предположил, что ключевую роль играют только те мышцы, что отвечают за сокращение кожи.

Результаты исследования, опубликованные в издании The Journal of Experimental Biology, могут быть полезны не только биологам, но и инженерам-робототехникам, которые давно работают над созданием роботизированных змей и червей. В будущем такие устройства смогут проникать в труднодоступные пещеры, искать людей под завалами и даже исследовать другие планеты. И техника прямолинейного движения, позаимствованная у удава, будет им весьма полезна.

Осторожно-змеи! – правила, симптомы, рекомендации

Осторожно-змеи!

Летом мы часто выезжаем за город – проводим время на даче, отдыхаем у водоемов, ходим в лес за грибами и ягодами. Находясь на природе, следует помнить об осторожности. Активность змей начинается в большинстве регионов России поздней весной и длится до осени. Будьте внимательны – несмотря на то, что змея не нападает первой и всегда пытается уползти от потенциальной для себя опасности, потревоживший ее человек не застрахован от укуса. Как вести себя на природе и что делать при укусе змеи? 

Змеи – хладнокровные существа, и температура их тела зависит от температуры окружающей среды. Если внешняя температура падает, то и температура змеи понижается до состояния анабиоза, то есть спячки. Как правило, змеи чувствуют приближение морозов, поэтому заранее находят себе место для зимовки под землей. Весной они выползают наружу. В средней полосе России это чаще всего происходит во второй половине апреля. Наибольшую агрессивность змеи проявляют в период размножения, который приходится на середину лета. Но и в это время змея не преследует цели напасть на человека, так как вырабатываемый ею яд, если речь идет о ядовитых змеях, она копит прежде всего для охоты и умерщвления животных, служащих ей пищей: мелких грызунов, птенцов, лягушек, ящериц. Причина нападения змеи на человека одна – самозащита. Яд змей токсичен, он вызывает у пострадавшего мощнейшую аллергическую реакцию, которая может привести к летальному исходу. Укус неядовитых змей опасен инфекциями, которые могут присутствовать в ротовой полости пресмыкающегося.

В России к наиболее распространенным видам змей относятся гадюки, щитомордники, ужи, гюрзы, полозы. С детства мы знаем, что ужи не ядовиты, и отличить эту змею можно по ярким пятнышкам на голове. Однако в жизни при встрече с пресмыкающимися мало кто успевает хорошо рассмотреть животное. Если укуса удалось избежать, большинство из нас предпочтет ретироваться с «места встречи», не тратя время на более близкое знакомство. 

Встретить змею можно и в лесу, и на дачном участке, дремучий  лес или открытое поле для них не представляют большого интереса, но в какой бы малолюдной местности вы не находились – не теряйте бдительность и всегда смотрите под ноги.

Чтобы минимизировать последствия встречи со змеей, важно соблюдать стандартные правила посещения леса:

  • Не ходите в лес в открытой одежде и обуви;
  • Надевайте высокие ботинки из плотных материалов или резиновые сапоги, которые не сможет прокусить змея;
  • Если заметили змею, не трогайте ее, спокойно отойдите в противоположную сторону;
  • При сборе ягод и грибов, прежде чем зайти в траву и наклониться к земле, пошевелите растительность вокруг палкой;
  • Если гадюка заметила вас раньше, чем вы ее, она может обозначить свое присутствие шипением – будьте внимательны;
  • Возьмите с собой в лес антигистаминный (противоаллергический) препарат.

Если укусила змея:

  • Вопреки бытующему среди обывателей мнению, специалисты-серпентологи (специалисты по изучению змей) утверждают, что отсасывать яд ненужно. В яде есть фермент гиалуронидаза, который уводит яд из точки укуса почти практически моментально. Манипуляции вроде отсасывания или надрезов могут привести к дополнительным неприятным последствиям.
  • Не накладывайте на пострадавшую конечность жгут. Яд может вызвать некроз ткани, а жгутом вы сосредоточите его в одном месте.
  • Яд гадюки недостаточно сильный для того, чтобы взрослый здоровый человек умер, несмотря на это, пострадавший должен максимально быстро обратиться за медицинской помощью для введения сыворотки, которая облегчит симптомы;
  • Яд выводится из организма через почки, поэтому необходимо больше пить. Используйте любые мочегонные средства;
  • Ни в коем случае не употребляйте алкоголь;
  • Сохраняйте спокойствие.

Симптомы после укуса змеи:

  • Головная боль
  • Рвота
  • Диарея
  • Слабость, озноб
  • Повышенная температура
  • Спутанность и потеря сознания
  • Кровоточивость слизистых оболочек
  • Сильный отек пострадавшей конечности

Главным условием быстрого выздоровления после укуса змеи является правильное и своевременное лечение. А если вы хотите обезопасить от змей свой дачный участок от змей, максимально расчистите его – уберите мусор, подгнившие доски, сваленные ветки и т.д., тем самым вы лишите змей возможных укромных мест.

 


Памятка поведения при встрече со змеей и в случае укуса змеи / Официальный сайт городского округа Егорьевск

Увеличение популяции ядовитых змей в Подмосковье. Эта тема ежегодно на слуху в последние годы. Вероятно, действительно существует некоторая тенденция того, что участились встречи людей с ядовитыми змеями.

Под садоводческие товарищества и дачную застройку нередко выделялись болотистые, опушечные участки, удобные для змей, что повлекло за собой участившиеся встречи со змеями.

Ежегодно Московским серпентарием отлавливалось около 10 тысяч змей. В 90-е годы система серпентариев в Подмосковье была разрушена. Поэтому и встречи участились, что могло повлечь и увеличение числа укусов.

Вид ползущей змеи вызывает страх у любого, кто не знает какие змеи ядовитые, а какие нет.

На территории Московской области можно увидеть представителей трёх видов отряда чешуйчатых – это медянка, обыкновенные уж и гадюка. Первые два вида совершенно безвредны, а вот последний, может быть, для человека опасным.

Обыкновенная гадюка (Viperidae berus) – наиболее распространенная ядовитая змея в средней полосе России. Чаще встречается в смешанных лесах, на полянах, болотах, заросших гарях, по берегам рек, озер и ручьев. Плотность расселения гадюк очень неравномерна. В подходящих местах гады образуют большие скопления – змеиные очаги, где их плотность может достигать 90 особей на 1 га, но чаще не превышает 3 – 8 на 1 га. После зимовки появляются на поверхности земли обычно в апреле – мае. Летом убежищами для гадюк служат норы различных животных, пустоты в гнилых пнях и между камнями, кусты, копны сена.

1. Как ее распознать?

Обыкновенная гадюка – небольшая змея длиной до 75 сантиметров. Тело относительно толстое. Голова округло-треугольная, четко отграничена от шеи, на верхней части имеются три крупных (лобный и два теменных) щитка. Зрачок вертикальный. Кончик морды закруглен, а носовое отверстие прорезано в середине носового щитка. На переднем крае верхней челюсти – крупные подвижные трубчатые ядовитые зубы.

Конечно, при внезапной встрече все это разглядеть сложно. Зато окрас не перепутаешь ни с чем. Он варьирует от серого до красно-бурого, с характерной темной зигзагообразной линией вдоль хребта и иксообразным рисунком на голове.

Как раз сейчас у змей – брачный период. К августу появится потомство, оно рождается немаленьким – длиной до 17 сантиметров – и уже ядовитым. Активны гадюки в основном днем. Любят погреться на солнышке, причем им все равно, где нежиться – будь то тропинка, по которой вы сотни раз ходили от огорода до речки, или парочка пеньков, на которых вы сидели, жаря шашлыки. Охотятся же змеи обычно ночью.

Не думайте, что гадюка – агрессивное существо, так и желающее оттяпать вам полноги. При встрече с человеком змея, как правило, пытается скрыться, но при угрозе занимает активную оборону: шипит, совершает угрожающие броски и наиболее опасные броски-укусы, которые легче всего провоцируются движущимся объектом.

2. Как уберечься от гадюки?

Смотрите под ноги. Наткнувшись на змею, не делайте резких движений.

Отправляясь в лес, одевайтесь соответственно. Высокие сапоги; толстые шерстяные носки, плотные, не обтягивающие тело брюки, заправленные в обувь. Собирая грибы-ягоды, пользуйтесь длинной палкой, чтобы пошурудить ею в зарослях. Если там залегла змея, она обнаружит себя, или уползет. Помните, что у гадюки слабое обоняние и от природы она глуховата. Внезапное появление человека может спровоцировать ее.

Походникам не следует устраивать ночлег возле прогнивших пней, деревьев с дуплами, у входов в норы или пещеры, рядом с кучами мусора или валежника. В теплые летние ночи змеи активны и могут тусоваться у вашего костра. Из праздного любопытства змеюка может заползти в палатку – закрывайте вход. Если же это не было сделано, перед сном внимательно проверьте свой спальный мешок – воспользовавшись неожиданным гостеприимством, твари могут приползти к вам на ночевку всем семейством.

3. Как узнать, что вас укусила гадюка?

Прежде всего резкая боль – чаще всего в нижней части ноги – обязательно должна вас насторожить. На месте укуса гадюки видны две маленькие ранки от ядовитых зубов. Укус вызывает сильную нарастающую боль. За кровоизлиянием распространяется отек.

При попадании яда в кровь общая реакция может развиваться по-разному. Чаще всего через 15 – 20 минут появляются головокружение, вялость, головная боль, тошнота, иногда рвота, одышка, частый пульс. Яд обыкновенной гадюки по механизму токсического действия является преимущественно геморрагического (вызывающего кровоизлияние), свертывающего кровь и местного отечно-некротического действия. Чем ближе место укуса к голове, тем он опаснее.

4. Что делать после укуса?

Специалисты отвечают однозначно: «Надо обратиться к врачу». Однако зачастую встреча со змеей происходит в местах, далеких от поликлиник. По информации доктора Токсикологического информационно-консультативного центра Минздрава России Капитолины Ильяшенко: ни в коем случае нельзя отсасывать яд из ранки, поскольку во рту могут быть маленькие ранки, в которые и попадет яд. Прежде всего надо обездвижить пораженную конечность. Если это нога – наложить шину, если рука – повесить на косынку, как при переломе. Сразу после укуса можно только чуть-чуть выдавить яд из ранки. И как можно скорее – в медпункт. Если он далеко, можно самостоятельно выпить тавегил, димедрол, супрастин… Обработайте укус перекисью водорода, слабым раствором марганцовки или йодом. Ни в коем случае не накладывайте жгут: бинт может сильно нарушить кровообращение, а в ране и без того развивается отек.

Зоологи описали новый способ передвижения змей

Коричневая бойга карабкается по металлическому столбу (видео ускорено в пять раз).

Julie A. Savidge et al. / Current Biology, 2021

Коричневые бойги, небольшие древесные змеи, могут взбираться по вертикальным металлическим столбам. Для этого они формируют из своего тела аналог лассо, плотно охватывая опору и оплетая хвостом середину туловища, а затем медленно карабкаются вверх. Как отмечается в статье для журнала Current Biology, ранее такой способ передвижения был для змей неизвестен. Пока его зарегистрировали только у бойг с острова Гуам, куда они попали благодаря человеку в конце Второй мировой войны, однако, возможно, он распространен и в естественных популяциях в Австралии, на Новой Гвинее и соседних островах.

Предки змей лишились конечностей десятки миллионов лет назад. Однако это не помешало данной группе рептилий освоить разнообразные виды перемещения в пространстве, от простого ползания и лазания по ветвям деревьев до рытья и плавания. А некоторые древесные змеи даже адаптировались к планирующему полету.

Команде ученых во главе с Джулией Сэвидж (Julie A. Savidge) из Университета штата Колорадо удалось описать еще один, новый вид передвижения змей. Исследователи работали на тихоокеанском острове Гуам, где пытались создать безопасные искусственные гнездовья для микронезийских скворцов (Aplonis opaca). Основную угрозу для выживания этих птиц на острове представляют коричневые бойги (Boiga irregularis) — небольшие древесные змеи, которые попали на Гуам с островов у побережья Новой Гвинеи в конце Второй мировой войны и полностью уничтожили дикие популяции одиннадцати из тринадцати видов аборигенных лесных птиц, в том числе нескольких эндемичных видов. 

Местной популяции скворцов удалось выжить, однако ее численность сильно сократилась. В попытке защитить птенцов этих птиц от инвазивных змей, исследователи в 2016 году разместили дуплянки для них на высоких столбах, заключенных в металлические цилиндры диаметром 15-20 сантиметров. Предполагалось, что бойги не смогут взобраться по их гладкой поверхности. Чтобы убедиться в этом наверняка, Свэвидж и ее коллеги с помощью камеры ночного видения записывали активность змей около столбов, а потом изучали полученные видеоматериалы.

Для подавляющего большинства змей столб оказался непреодолимым препятствием. Однако исследователи отметили одну особь, которая смогла подняться по нему, добраться до гнезда и убить двух птенцов и взрослую птицу. Бойга применила способ передвижения, который ранее был неизвестен для змей. Она использовала заднюю часть тела как лассо, плотно обхватив ею цилиндр и оплетя хвостом середину туловища. Благодаря этой петле змея не соскальзывала со столба и постепенно поднималась за счет небольших изгибов тела вправо-влево. При этом голова и передняя часть ее тела оставались свободными и ощупывали поверхность в поисках зацепок.

В 2019 году исследователи вернулись на Гуам, чтобы лучше изучить способности бойг. Они поймали пятнадцать змей и по одной запускали их в вольер с установленной внутри вертикальной металлической трубой, на вершине которой была размещена приманка — мертвая мышь. Пять особей смогли взобраться по трубе, используя тот же способ, которые ученые наблюдали при атаке на гнездо скворцов.


Авторы отмечают, что, хотя такой способ передвижения может привести бойгу к труднодоступной добыче, он требует значительных затрат энергии. Змеи, взбиравшиеся по столбу, тяжело дышали и регулярно делали длительные остановки. Кроме того, скорость их подъема составляла всего четыре миллиметра в секунду. Чтобы достичь трехметровой высоты, бойге с учетом пауз пришлось бы потратить около двух часов.

Ранее герпетологи делили все змеиные передвижения на четыре типа: прямолинейное, извивающееся, боковой ход (им пользуются змеи, живущие на песчаных поверхностях) и движение гармошкой. Движение по типу «лассо», которое демонстрируют бойги, больше всего напоминает последний способ, однако заметно отличается от него в деталях. В частности, при перемещении гармошкой, в том числе по вертикальным опорам, змее требуется обхватить поверхность ветки или столба в двух местах, а затем подтянуть заднюю часть тела к передней. Такой метод не позволяет небольшой змее подняться по слишком толстой опоре, ведь она не сможет оплести ее своим телом нужное число раз. Напротив, при движении по типу «лассо» достаточно всего одного захвата, благодаря чему даже небольшая змея может взобраться по толстому столбу или стволу дерева.

Возможно, способность взбираться на столбы появилась у коричневых бойг уже на Гуаме, как одна из адаптаций к новой среде обитания. Однако авторы не исключают, что она может быть характерной чертой всего вида, в том числе популяций из Австралии, Новой Гвинеи и близлежащих островов. Как бы то ни было, навык бойг следует учитывать при планировании мероприятий по охране гуамских птиц, а также строительстве опор для линий электропередач, по которым эти змеи часто взбираются и устраивают короткие замыкания, чреватые масштабными отключениями электричества. Например, вместо цилиндрических кожухов для столбов можно использовать их аналоги в виде перевернутого конуса.

Некоторые змеи ведут скрытный образ жизни, так что герпетологам приходится приложить много усилий, чтобы их обнаружить. Например, недавно специалисты описали новый вид и род мелких змей с Филиппин. Эти рептилии ведут подземный образ жизни и, вероятно, питаются дождевыми червями. 

Сергей Коленов

Змеи ползают за счет неравномерного коэффициента трения и постоянного перераспределения веса

Ученые выяснили, что змеи ползают за счет неравномерности силы трения между телом и земной поверхностью, а также постоянного перераспределения своего веса, и на основе этого предлагают создать мобильных роботов для работ при разборе завалов или даже в разведке.

В том, что фантазия природы существенно превосходит человеческую, сомневаться не приходится: удивительные формы, яркие цвета, всевозможные размеры живущих и вымерших представителей флоры и фауны зачастую просто не вписываются в рамки нашего восприятия. Но, в отличие от персонажей фантастических книг и фильмов, у реальных организмов каждая из этих выразительных черт необходима для выполнения той или иной функции. Особенно это сказывается на способе передвижения.

Гладкие чешуйки рыб, покрытые тонким слоем слизи; прочные и при этом легкие перья птиц; тонкие кожистые перепонки летающих ящеров; когти кошачьих; отстоящий большой палец у приматов; многочисленные «находки» для прямохождения, которыми так гордится человек; шесть, а то и больше пар ног у членистоногих. А ведь каждой из этих конечностей надо управлять, да ещё и балансировать остальным телом, чтобы вновь не пришлось его поднимать.

В этом плане змеи, черви и безногие амфибии сделали правильный выбор — если ты уже находишься на поверхности, то и падать тебе, собственно, некуда. А вот механика их передвижения оказалась гораздо сложнее, чем казалось. Дэвид Ху из Университета Нью-Йорка и его коллеги

доказали, что характерное ползание обеспечивается неравномерным распределением силы трения по контактирующей с землей поверхности тела и постоянным перераспределением веса.

Этим они принципиально отличаются от своих «собратьев» по несчастью — червей и безногих амфибий. Последние синтезируют обильное количество слизи, черви — проталкивают себя вперед, цепляясь небольшими волосками. А вот в случае со змеями до недавнего времени оставалось лишь полагаться на гипотезы.

Согласно одной из них, сила трения в продольном направлении была значительно меньше таковой в поперечном. Если добавить сюда способность извиваться, то петли будут обеспечивать необходимую устойчивость, при этом движение будет продолжаться вперед. Демонстрация этого подхода — колесные змейки-роботы, тело которых легко двигается вперед и совсем не двигается вбок. Тем не менее, и им требуются точки опоры, от которых можно отталкиваться. В случае с песком или голым камнем такой подход не сработает.

Авторы публикации в Proceedings of the National Academy of Sciences существенно расширили существующие представления о движении этих рептилий. Их подопечными стали 10 молодых молочных змей (королевская змея Кэмпбелла или Lampropeltis triangulum campbelli). Эти змейки, обитающие в Северной Америке, известны тем, что внешне очень напоминают ядовитых коралловых аспидов, хотя сами гораздо менее опасны.

Для начала экспериментаторы усыпили пресмыкающихся и измерили силу трения во всех направлениях.

Как и предполагалось, при движении в сторону она оказалась почти в два раза больше, а назад — в полтора, чем при движении вперед.

Но это лишь в том случае, если поверхность шероховатая. Если же в роли подложки выступало что-нибудь сверхгладкое, то сила трения во всех направлениях стремилась к нулю. Впрочем, чуда от змей и не ждали — было бы странным полагать, что чешуйки по-разному цепляются за то, за что в принципе зацепиться невозможно.

Полученная модель объясняет и способность змей передвигаться по наклонной поверхности и дает расчетные скорости, почти приближающиеся к реальным.

close

100%

Недостающие «километры в час» ученые объясняют своеобразной волной, которую змея пускает по своему телу. Её удалось зарегистрировать при видеозаписи движения на зеркальной поверхности. При этом рептилии не полностью отрывают свое тело, а лишь уменьшают нагрузку на те или иные участки, постоянно перемещая центр масс.

Авторы даже рассчитывают найти своей находке практическое применение — подобные роботы в ряде случаев существенно превосходят колесных и даже «шестипалых». Колеса будут абсолютно бесполезны, если высота препятствия больше половины диаметра колеса, а конечности требуют гораздо больше места для маневра, чем тонкое гибкое тело. Так что при разборе завалов или в разведке такие змеи-роботы могут принести немало пользы. Осталось только научиться изготавливать чешую, подобную змеиной.

Феномен летающих змей объяснен научно — Российская газета

Украшенные древесные змеи, или золотистые древесные ужи (Chrysopelea paradisi), способны преодолевать расстояние по воздуху – до 10 метров и даже дальше. Движения змей при планировании не похожи на те, с помощью которых они передвигаются по земле. Ученые из США выяснили, какой аэродинамический принцип помогает рептилиям летать. Результаты исследования опубликованы в Nature Physics.

Исследования удивительных способностей украшенных древесных змей проводятся с 1970 года – ученые изучают аэродинамические механизмы скольжения рептилий. Ранние эксперименты показали, что перед полетом змея доползает до конца ветки и свешивается с нее. Выбрав направление, она отталкивается оставшейся на ветке частью хвоста и бросается в воздух “одним прыжком”. Во время полета обычно круглое тело змеи становится удивительно плоским и сплющивается так, что напоминает в сечении треугольник, и при этом извивается.

Зачем она так делает? Этим вопросом задалась команда инженеров-физиков под руководством Джона Сочи из Политехнического университета Виргинии (США). Изучив технику движения Chrysopelea paradisi во время полетов, они пришли к выводу: такое преображение делает тело рептилий более совершенным в аэродинамическом смысле – увеличивается дальность полета и способность змей маневрировать.

Физики, изучив планирование змей с помощью технологии захвата движений, разработали “трехмерную математическую модель полета змеи, которая включает аэродинамические и инерционные эффекты”.

Чтобы зафиксировать движения змеи, которые она совершает во время прыжков, ученые прикрепили к спинам рептилий маркеры, а для съемок использовали высокоскоростные камеры, которые передавали точную информацию об их движениях.

Авторы обнаружили: при взлете змеи делают серию сложных движений – они извиваются не только горизонтально, но и вертикально. Компьютерное моделирование, созданное на основе данных эксперимента, показало, что именно такие движения необходимы для стабильности полета – без них змея начинает бесконтрольно поворачиваться.

По мнению ученых, обнаруженные способности змей могут использоваться для создания змееподобных летающих роботов. К слову, змеи давно уже стали “музами” робототехники: гибкие подводные робозмеи помогают исследовать подводные конструкции. В этом контексте результаты нового исследования, уверены его авторы, вдохновят на создание змееподобных летающих роботов.

Ученые выясняют, насколько скользкие змеи разных видов

Некоторые виды змей скользят по земле, а другие карабкаются по деревьям, ныряют в песок или скользят по воде. Сегодня ученые сообщают, что химический состав поверхности змеиной чешуи варьируется у разных видов, обитающих на разных территориях. Полученные данные могут иметь значение для разработки прочных материалов, а также роботов, которые имитируют движения змеи, пересекая поверхности, которые в противном случае были бы непроходимыми, передает портал EurekAlert!. Исследователи представят свои результаты на весеннем собрании Американского химического общества (ACS).

Сперва авторы работы обнаружили, что наземные змеи покрыты липидным слоем. Этот масляный слой настолько тонкий – всего один или два нанометра, – что его раньше никто не замечал. Команда также выяснила, что молекул в этом слое нет на чешуе на спине змеи, но зато их много и они плотно упакованы на чешуе живота, что обеспечивает смазку и защиту от износа.

«Некоторые люди боятся змей, потому что думают, что они склизкие, но биологи говорят, что змеи не склизкие – они сухие на ощупь, – отмечают авторы работы. – Это одновременно правда и неправда, потому что в наномасштабе, которое мы обнаружили, они на самом деле жирные и слизистые, хотя вы этого не чувствуете. Они “наносклизкие”».

В новом исследовании команда хотела выяснить, различается ли химия этой нанослойной поверхности у видов, адаптированных к различным средам обитания. Для этого они изучили недавно сброшенные шкуры наземной, древесной и песчаной змей и сравнили их химический состав. Ученые использовали лазерную спектроскопию и технику электронной микроскопии, которая исследует химический состав поверхности, выбивая из нее электроны с помощью рентгеновских лучей.

Результаты показали, что у древесной змеи есть слой упорядоченных молекул липидов на животе, как и у наземной змеи. Но змея, ныряющая в песок, имеет упорядоченный липидный слой как на передней, так и на задней стороне. Это логично – так снижается трение и кожа дольше служит. Далее исследователи хотят выяснить, откуда берутся липиды, и посмотреть на различия между другими видами змей, включая тех, которые живут в воде.

Работа может иметь широкое применение. Скользящее движение змеи требует постоянного контакта с поверхностью, которую она пересекает – отсюда высокие требования к трению, износу и механической устойчивости. Изучение того, как змеи поддерживают целостность своей кожи при столкновении с острыми камнями, горячим песком и другими препятствиями, может помочь в разработке более прочных материалов.

Вдобавок, по словам исследователей, сегодня разрабатывают роботов, которые имитируют скольжение змеи и, в отличие от роботов с колесами, поэтому могут преодолевать труднопроходимую местность, такую ​​как крутые песчаные склоны. Разработчики недавно начали принимать во внимание микроструктуру змеиной чешуи, но химический состав поверхности чешуи также имеет решающее значение для их работы. Объединение этих полей может однажды привести к появлению змееподобных роботов, способных помочь в спасательных операциях или освободить застрявший в песке марсоход.

[Фото: ru.123rf.com]

змея | Описание, факты и типы

Популярные вопросы

Как передвигаются змеи?

Четыре различных способа движения змей: змеевидное движение, движение «гармошкой», «гусеничное» или «прямолинейное» движение и движение по бокам.

Есть ли у змей уши?

У змей нет наружных ушей, но они сохраняют некоторые остатки внутреннего уха, которые соединены с другими костями черепа таким образом, чтобы обеспечить передачу некоторых земных и, возможно, нескольких воздушных звуковых волн. низкой частоты.

Как быстро растут змеи?

Скорость роста змей коррелирует с доступностью пищи и температурой, достаточно высокой, чтобы обеспечить полную метаболическую активность. Когда все факторы оптимальны, змеи растут на удивление быстро. Было высказано предположение, что все змеи быстро растут, пока не достигнут половой зрелости, после чего рост замедляется, но очень редко полностью прекращается.

Что линяет у змей?

При линьке у змей замещающие клетки кожи растут по одному и тому же циклу и сливаются в единое целое.Когда это устройство работает, глаза змеи становятся молочно-голубыми, старая кожа разрыхляется по всему телу, и змея растирает старую кожу вокруг рта и носа, а затем выползает из остальной части.

Какая физическая черта отличает змей от других рептилий?

Змеи отличаются от других рептилий отсутствием конечностей и сильно вытянутым телом и хвостом. У змей также отсутствуют подвижные веки и ушные раковины.

змея , (подотряд Змеи), также называемая змея , любой из более чем 3400 видов рептилий, отличающихся отсутствием конечностей и сильно удлиненным телом и хвостом.Змеи, классифицированные с ящерицами отряда Squamata, представляют собой ящерицу, которая в ходе эволюции претерпела структурное сокращение, упрощение и утрату, а также специализацию. У всех змей отсутствуют внешние конечности, но не все безногие рептилии – змеи. Некоторые роющие ящерицы могут иметь только передние или задние конечности или быть полностью безногими. В отличие от ящериц, у змей нет подвижных век, что приводит к постоянному и часто сбивающему с толку взгляду. У змей также отсутствуют отверстия для наружного уха.Внутренне они потеряли мочевой пузырь. Висцеральные органы удлиненные, с уменьшением левого члена по отношению к правому; левое легкое сильно уменьшено или даже полностью потеряно. Тем не менее, змеи обладают увеличенным числом позвонков и разработали две новинки среди позвоночных: легкое трахеи в области шеи и ядопроводящую систему для подчинения добычи.

подотряд Serpentes

Snakes (подотряд Serpentes). Щелкните отдельный рисунок, чтобы увидеть увеличенное изображение.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Считается, что змеи произошли от наземных ящериц еще в среднеюрскую эпоху (174,1–163,5 миллиона лет назад). Самая старая из известных ископаемых змей, Eophis underwoodi , была маленькой змеей, которая жила на юге Англии около 167 миллионов лет назад.

Змеи и люди

Змей неправильно понимают и часто клевещут, прежде всего из-за незнания их истинной природы и положения в мире природы.Все змеи – хищники, но ядовитые змеи (то есть кусающие змеи, которые используют свои клыки, чтобы вводить токсины в своих жертв) создали неточную репутацию всей группе, поскольку большинство людей не могут отличить опасное от безвредного. Лишь небольшой процент (менее 300 видов) ядовиты, и только половина из них способны нанести смертельный укус. Хотя смертность от укусов змей во всем мире оценивается в 80 000–140 000 человек в год, большинство смертей происходит в Юго-Восточной Азии, главным образом из-за плохого лечения, недоедания жертв и большого количества ядовитых видов.Хотя в Соединенных Штатах ежегодно происходит около 8000 укусов ядовитых змей, среднее количество смертей в год составляет менее 10 или около того в год – меньше, чем от укусов пчел и ударов молний. В Мексике от укусов пчел ежегодно умирает в 10 раз больше людей, чем от укусов змей.

Взгляните на погремушку гремучей змеи, которая, как полагают, является сигнальным устройством для других организмов

Погремушка гремучей змеи.

Encyclopædia Britannica, Inc. Посмотреть все видео к этой статье

Змеи могут контролировать количество вводимого ими яда и могут агрессивно кусать в пищу или защищаться для защиты.У змей есть ограниченное количество яда, доступного в любой момент времени, и они не хотят тратить его на организмы, не являющиеся жертвами. В результате около 40 процентов укусов человека носят защитный характер и являются «сухими» (без отравления). Статистика показывает, что подавляющее большинство укусов змей происходит либо при ловле и обращении со змей в неволе, либо при попытке приставать или убить диких. В любом случае змея только защищается. Гремучие змеи, например, ядовиты, а большие довольно опасны из-за количества яда, которое они могут ввести.Однако большинство из них застенчивы и отступают, и никто не нападет на человека без присмотра. При приближении или приставании они сворачиваются и грохочут, предупреждая, что их нужно оставить в покое, нанося удары только в крайнем случае. Большинство случаев предполагаемого нападения змей основано на вторжении человека на территорию змеи, из-за чего она чувствует себя пойманной или загнанной в угол, или провокацией змеи в период размножения. Даже в этих сценариях только две змеи имеют репутацию опасных агрессоров: черная мамба ( Dendroaspis polylepis ) из Африки и королевская кобра ( Ophiophagus hannah ) из Юго-Восточной Азии.Тем не менее змеи безобидны в подавляющем большинстве случаев. Люди редко относятся к ним равнодушно, обычно проявляя эмоции от религиозного трепета и суеверного страха до отвращения и неконтролируемого страха. Интересно отметить, что, хотя большинство людей заявляют, что боятся или ненавидят змей, одним из самых посещаемых мест любого зоопарка является змеиный дом – доказательство того, что змеи таинственны и очаровательны, даже если их ненавидят. Учитывая их изысканные цвета, узоры и изящные движения при ползании, плавании или лазании, некоторые змеи могут считаться одними из самых красивых животных.

В просторечии ядовитых змей часто называют «ядовитыми змеями». Эта фраза технически неверна, потому что термин «ядовитый» применяется только к организмам, которые выгружают свои токсины, когда их потребляет другой организм. Очень немногие змеи действительно ядовиты. Одной из самых распространенных, но безобидных ядовитых змей в Северной Америке является подвязочная змея ( Thamnophis ), тело которой способно поглощать и накапливать токсины тритонов, саламандр и другой ядовитой добычи, которую он ест.

Почти каждая культура с доисторических времен (включая различные современные культуры) поклонялась, почитала или боялась змей. Поклонение змею – одна из самых ранних форм почитания, с некоторыми резными фигурками, датируемыми 10 000 годом до нашей эры. Хотя сатана изображен в виде змея в библейском повествовании о Сотворении мира, в большинстве обществ змеи почитаются. Возник обширный глобальный сборник суеверий и мифов о змеях. Многие проистекают из биологических особенностей змей: их способность сбрасывать кожу связана с бессмертием; их всегда открытые глаза олицетворяют всеведение; их склонность к внезапному появлению и исчезновению союзников змей с магией и привидениями; фаллическое подобие олицетворяет способность к воспроизводству; а способность убивать одним укусом вызывает страх перед любым змееподобным существом.

Адам и Ева

«Адам и Ева», фрагмент Джулио Кловио из «Книги часов » кардинала Алессандро Фарнезе , завершен в 1546 году; в Библиотеке Пирпонта Моргана, Нью-Йорк (MS 69, fol. 27).

Предоставлено библиотекой Пирпонта Моргана, Нью-Йорк

Шкуры шести видов змей (особенно питонов и бородавчатых змей) обычно покупаются и продаются в торговле шкурами. По сравнению с этим количество гремучих змей, используемых для изготовления их шкур, невелико. Сотни тысяч живых змей собираются для продажи в международной торговле домашними животными.Ежегодно в Соединенные Штаты импортируется около 100 000 шаровидных питонов и 30 000 удавов. Удаление такого огромного количества змей из дикой природы угрожает выживанию этих видов, и многие популяции змей сокращаются в результате отлова и разрушения среды обитания. Выпуск в дикую природу домашних змей, не являющихся местными, также привел к появлению нескольких инвазивных видов, в том числе бирманских питонов, которые опустошили популяции мелких млекопитающих в Эверглейдс Флориды.

змеиная кожа

Женские сапоги из змеиной кожи.

© LanaMais / stock.adobe.com Van Wallach

Естественная история

Узнайте, как хищная черная змея-пилот поражает, задыхается и съедает свою добычу целиком

Черная змея-пилот ( Elaphe obsoleta ) задыхает такую ​​добычу. как крысы и мыши, прежде чем проглотить их целиком.

Encyclopædia Britannica, Inc. Посмотреть все видео к этой статье

Большинство змей не тратят много времени ни на что, кроме как на отдых. Основная деятельность змеи связана либо с терморегуляцией, либо с поиском живой пищи, что часто связано с пассивным ожиданием, а не с активным поиском.Проблема терморегуляции зависит от широты и высоты. Действия и реакции змеи в умеренном климате Северной Америки отличаются от действий и реакции змеи, живущей в тропических низинах Америки, но похожи на действия другой змеи, живущей на больших высотах в Андах Эквадора. Независимо от того, где они живут, змеи подвергаются давлению со стороны живых (биотических) частей окружающей среды, а также физических, неживых (абиотических) частей. Но количество или степень опасности, брошенной змее из разных сегментов окружающей среды, резко меняется в зависимости от региона, в котором она обитает.Человек, живущий в жарких влажных тропиках Африки со сравнительно постоянными температурами, близкими к оптимальным в течение всего года, и достаточной влажностью как от дождя, так и от окружающей среды, сталкивается с экологическими проблемами, которые в подавляющем большинстве являются биотическими, включая конкуренцию с другими представителями своего собственного вида за пища, вызов со стороны других видов змей и, возможно, других позвоночных за обладание экологической нишей, и постоянное давление со стороны хищников, которые находят это лакомым кусочком.С другой стороны, обыкновенная гадюка, или европейская гадюка ( Vipera berus ), обитающая к северу от Северного полярного круга в Европе, является единственной змеей, обитающей в этом районе и практически не имеющей аналогов в своей нише. Однако его выживанию постоянно угрожает физическая среда, и смерть от перегрева, замораживания или обезвоживания представляет собой повторяющуюся угрозу. Эти различия между животными из разных частей мира отражаются в их жизненных историях, и невозможно и не правомерно говорить об «истории жизни змеи», если не говорить только об одном регионе или виде.

Исследования змей могут способствовать продвижению робототехники через узкие туннели после катастрофы – ScienceDaily

Змеи известны своими знаковыми S-образными движениями. Но у них есть менее заметный навык, который дает им уникальную суперсилу.

Змеи могут ползать по прямой.

Биолог из Университета Цинциннати Брюс Джейн изучил механику движения змей, чтобы точно понять, как они могут двигаться вперед, как поезд через туннель.

«Это очень хороший способ передвижения в ограниченном пространстве», – сказала Джейн. «Многие змеи с тяжелым телом используют это движение: гадюки, удавы, анаконды и питоны».

Его исследование под названием «Ползание без покачивания» было опубликовано в декабре в журнале Journal of Experimental Biology .

Змеи обычно плавают, карабкаются или ползут, сгибая свой позвоночник в виде змеевиков или используя передние края для отталкивания предметов. Ярким примером разнообразия движений является название гремучей змеи Sidewinder.

Джейн, профессор биологических наук Колледжа искусств и наук Макмикена Калифорнийского университета, уже открыла механику трех видов движения змей: гармошки, змеевика и бокового движения. Но прямолинейное движение змей, называемое «прямолинейное движение», привлекло меньше внимания, сказал он.

Эта координация мышечной активности и движения кожи была впервые исследована в 1950 году биологом Х.В. Лиссманн. Он предположил, что мускулы змеи в сочетании с ее рыхлой, гибкой и мягкой кожей на животе позволяли ей двигаться вперед, не сгибая позвоночник.

«Прошло почти 70 лет, но этот тип передвижения не получил должного понимания», – сказала Джейн.

Джейн и его аспирант и соавтор Стивен Ньюман проверили гипотезу Лиссмана, используя оборудование, недоступное для исследователей в 1950-х годах. Джейн использовала цифровые камеры высокого разрешения, чтобы снимать удавов, записывая электрические импульсы, генерируемые отдельными мышцами. В результате была получена электромиограмма (похожая на ЭКГ), которая показала координацию между мышцами, кожей змеи и ее телом.

Для исследования Ньюман и Джейн использовали удавов, змей с большим телом, известных тем, что они путешествуют по прямой линии по лесной подстилке. Они записали видео высокой четкости, на котором змеи движутся по горизонтальной поверхности, отмеченной отметками. Исследователи также добавили контрольные точки на боках змей, чтобы отслеживать тонкие движения их чешуйчатой ​​кожи.

Когда змея продвигается вперед, кожа на ее животе изгибается намного сильнее, чем кожа на грудной клетке и спине.Чешуя на животе действует как ступеньки на шине, обеспечивая сцепление с землей, поскольку мышцы тянут внутренний скелет змеи вперед по волнообразной схеме, которая становится плавной и плавной при быстром движении.

Мышцы змеи последовательно активируются от головы к хвосту удивительно плавным и плавным образом. Две ключевые мышцы, ответственные за это, простираются от ребер (ребер) до кожи (кожные), что дало им название реберно-кожные.

«Позвоночный столб движется вперед с постоянной скоростью, – сказал Ньюман.«Один набор мышц тянет кожу вперед, а затем она фиксируется на месте. А противоположные антагонистические мышцы тянут позвоночник».

Преимущество такого движения очевидно для хищника, поедающего грызунов и других животных, которые проводят время под землей.

«Змеи произошли от норных предков. Вы можете поместиться в гораздо более узкие норы или туннели, двигаясь таким образом, чем если бы вам приходилось сгибать свое тело и давить на что-то», – сказал Ньюман.

Исследование было частично поддержано грантом Национального научного фонда.

Джейн сказала, что описание Лиссманна 1950 года в основном было правильным.

«Но он предположил, что мышца, укорачивающая кожу, – это механизм, который толкает змею вперед. Он ошибся», – сказала Джейн. «Но учитывая время, которое он провел исследование, я поражаюсь тому, как он смог это сделать. Я испытываю огромное восхищение его идеями».

Индустрия пыталась имитировать безногие, извилистые движения змей в роботах, которые могут проверять трубопроводы и другое подводное оборудование.Ньюман сказал, что роботы, которые могут использовать прямолинейное движение змеи, могут найти широкое применение.

«Это исследование может помочь робототехнике. Было бы большим преимуществом возможность двигаться по прямым линиям в небольших замкнутых пространствах. Они могли бы использовать змееподобных роботов для поиска и спасения в обломках и разрушенных зданиях», – сказал Ньюман. .

Прямолинейное движение – это низкая скорость для змей, которые в противном случае могут вызвать удивительную скорость. Они используют его только тогда, когда расслаблены. Исследователи заметили, что змеи возвращались к традиционным движениям гармошки и змеи, когда их пугали или заставляли двигаться.

Заядлый велосипедист, Джейн изучала физиологию и биомеханику езды на велосипеде в лаборатории в Ривешле. Он постоянно занимается исследованиями сердечно-сосудистой системы райдеров. Он измеряет их потребление кислорода за одну минуту на килограмм веса тела, чтобы узнать больше о том, как велосипедисты могут повысить способность своих мышц сжигать лактазу.

Но больше всего его всегда очаровывали змеи. Его работа была опубликована в более чем 70 журнальных статьях, большинство из которых посвящены каким-либо аспектам поведения змей или биологии.Совсем недавно Джейн изучала передвижение змей, особенно удивительную способность некоторых лазать по деревьям.

Джейн преподает зоологию позвоночных, физиологию и биомеханику человека в Калифорнийском университете.

Неизменный интерес Джейн к змеям позволил науке проникнуть в суть многих ранее недокументированных форм поведения. Он изучал змей, питающихся крабами, в Малайзии и проверяет остроту зрения змей в своей импровизированной оптической лаборатории в Калифорнийском университете.

Проверяя пределы ее подвижности, Джейн может больше узнать о сложных механизмах управления движениями змеи.Это может пролить свет на то, как люди могут выполнять скоординированные движения.

«Что позволяет им идти во всех этих различных направлениях и справляться со всей этой трехмерной сложностью, так это то, что они обладают разнообразием или пластичностью нейронного контроля над мышцами», – сказала Джейн. «Даже если бы у животного была физическая сила, чтобы что-то сделать, у него не обязательно был бы нейронный контроль».

Джейн хочет узнать больше о том, как этот усовершенствованный моторный контроль способствует удивительным изгибам змеи.

«Они двигаются таким увлекательным образом. Это потому, что у них такое невероятное разнообразие двигательных паттернов, которые может генерировать нервная система?» он сказал.

«Несмотря на то, что у всех змей одинаковый план тела, есть полностью водные змеи, змеи, которые движутся по плоской поверхности, змеи, которые движутся в горизонтальной плоскости, змеи, которые лазают. Они летают повсюду», – сказал он. «И причина, по которой они могут ходить повсюду, заключается в том, что у них так много разных способов контролировать свои мышцы. Это довольно интригующе.«

Четыре типа движения змеи:

Змеиный: Также называемый боковой волнистостью, это типичное движение из стороны в сторону, используемое змеями по неровной земле или в воде.

Концертина: змеи извиваются в чередующиеся изгибы, прежде чем выпрямиться и двинуться вперед.

Боковое движение: Змеи изгибаются волнами из стороны в сторону и в вертикальной плоскости, чтобы приподнять тело и образовать лишь несколько точек контакта с землей. Это помогает гремучим змеям преодолевать горячий песок или подниматься по дюнам.

Прямолинейный: Специализированные мышцы перемещают кожу живота змеи, продвигая ее вперед по прямой линии. Это позволяет змеям проскользнуть через норы, не намного большие, чем они есть.

Как движется змея?

Словарь определяет «змейку» как «движение или распространение с вращательным движением змеи». Это довольно неоднозначное определение, если учесть, что змеи демонстрируют до четырех различных механизмов (или типов) движения:

  • Змеиный: наиболее характерное движение и то, которое позволяет им двигаться с наибольшей скоростью.Змея движется, как волна, благодаря синусоидальному движению своего тела.
  • Концертина или аккордеон: змея образует завитки или изгибы, при этом ее тело сжимается и расширяется последовательно, как пружина или аккордеон, перемещаясь от одной точки привязки или импульса к другой.
  • Боковое смещение или боковое движение: типично для видов, населяющих пустыню (и в частности гремучей змеи). Змея образует вертикальные волны, чтобы минимизировать области контакта с опаляющей поверхностью, и таким образом перемещается вбок.
  • Прямолинейный: этот механизм был недавно раскрыт, и это единственный механизм, который не соответствует первоначальному определению, поскольку змея ползет по прямой линии с вытянутым телом. Это типично для самых крупных и объемных представителей вида, поскольку позволяет им проникать в узкие норы их потенциальной добычи.

Особые движения этих рептилий послужили вдохновением для игры волнистых змей :

Поместите тело змеи на решетку.Два черных квадрата указывают на два конца тела. Змея простирается по доске от одного квадрата к другому, вертикально или горизонтально (но не по диагонали). Она может занять каждый квадрат только один раз, и змея не может коснуться себя ни в какой точке. Цифры на полях обозначают квадраты, занятые змеей в этой строке или столбце.


Наименее известный механизм

Перед тем, как искать решения, мы узнаем немного больше о последнем и наиболее неизвестном из механизмов движения змей, о прямолинейном.Он был впервые описан и исследован герпетологом Х.В. Лиссманном в 1950 году, который выдвинул гипотезу о том, что этот тип движения достигается за счет комбинированного действия мощных мышц змеи и ее кожи, гибких и достаточно «рыхлых», чтобы позволить ей двигаться вперед, не сгибаясь.

Но только несколько месяцев назад внутренний механизм, позволяющий змеям двигаться вперед, был полностью раскрыт. Брюс Джейн, профессор биологии Университета Цинциннати и один из ведущих мировых экспертов по перемещению этих рептилий, сумел объяснить, как змеи могут ползать по прямой, в исчерпывающем исследовании и анализе, опубликованном в декабре 2017 года.

Джейн подтвердила, что по мере продвижения змеи кожа вентральной зоны сгибается гораздо сильнее, чем спинная. Брюшные чешуи действуют как следы или протектор шины, обеспечивая сцепление с землей, в то время как кожно-реберные мышцы, идущие от ребер к коже спины, толкают скелет вперед внутрь рукава, составляющего кожу, которую они одновременно перетащить. Это создает плавное движение, при котором позвоночник движется в постоянном темпе, что предотвращает его необходимость сгибаться.

Ответ:

Посмотреть ответ


Мигель Баррал
@ migbarral

Как передвигаются змеи? (Объяснение 4 типов движения змей)

У змей нет конечностей, что заставит вас задуматься, как им удается передвигаться, когда возникает необходимость. Змеи передвигаются по-разному, и некоторые из них движутся на удивление быстро. Итак, как это происходит?

Змеи передвигаются, используя комбинацию мускулов и чешуи.Методы движения включают «S-образный змеевик» и «метод прямолинейного ползания». Эти методы используются разными видами змей, в зависимости от ландшафтов, которые им необходимо пересечь.

Изучение движения змей не только дает нам информацию о здоровье и способностях змей, но также может научить нас новым способам ориентироваться в мире. Давайте узнаем о том, как движутся змеи.

Наука за движением змеи

Учитывая, что у змей нет ног, они должны использовать другие части своего тела, чтобы передвигаться в дикой природе.Они используют следующие части тела:

Ребра и мышцы

У змей невероятно гибкие тела. В зависимости от вида змеи, к их длинному позвоночнику могут прикрепляться сотни ребер. Каждое ребро связано с сильными мышцами, которые змея может использовать, чтобы подтолкнуть себя.

Весы

Еще одним фактором движения змей является их чешуя на животе. Змеи могут перемещаться по любым поверхностям, очевидно, не обращая внимания на гравитацию, когда они взбираются по стенам .

Чешуя змеи позволяет им цепляться за текстурированную вертикальную поверхность.У них может не быть рук, но эти змеи могут держаться крепко.

Precise Friction

Согласно Университета штата Аризона , змеи могут сдвигать чешую на животе, чтобы активно изменять силу трения, которую они испытывают с поверхностью.

Они сравнили способность змей в сознании и без сознания сохранять равновесие на гибкой опоре. Там, где бессознательные змеи упали, сознательные змеи смогли удвоить свой коэффициент трения и удержаться.

Движение Змеи Patterns

Легко предположить, что все змеи движутся одинаково.В анимационных фильмах они, кажется, всегда используют одно и то же вращательное движение. Это закономерность, о которой мы думаем, когда используем слово «змейка».

Однако на самом деле существует 4 основных типа движения змеи. Давайте посмотрим на различные шаблоны.

Змеиный метод

Когда вы представляете себе змею, вы, вероятно, представляете себе животное, движущееся волнообразными движениями. Змея, перемещаясь, кажется, образует на земле форму буквы S. Это змеиный узор движения.Этот вид движения также называется боковым волнообразным движением или иногда волнообразным движением.

Движущиеся таким образом змеи будут отталкиваться от поверхностей, чтобы заставить себя двигаться. Это может быть любая неровность на объекте, например, на дереве или камне, или вмятина в земле.

Таким образом, серпантин неэффективен для перемещения по гладким поверхностям, таким как стекло, но он очень хорошо работает на неровной лесной подстилке. Змея отталкивается чешуей от неровностей и выгибается вперед, изгибаясь.

Это наиболее распространенная форма движения змеи. Таким образом движется большинство наземных и водных змей. Из всех форм движения змеи змеиное движение позволяет ей двигаться чрезвычайно быстро.

Концертина Метод

Технику гармошки часто называют «аккордеонным» движением. Этот потому что змея сжимается и расширяет свое тело, как аккордеон.

А движущаяся таким образом змея подтягивает задний конец своего тела, а затем толкает голову вперед, поворачивая и вытягивая переднюю часть тела вверх и наружу.Далее змея опускает переднюю часть своего тела на землю, выпрямляется и тянет за собой заднюю часть.

Пока другие методы движения змеи отлично работают на плоских, горизонтальных поверхностях, гармошке движение – вот как змеи умудряются карабкаться. Захват его весов, когда он подтягивается сам по себе достаточно силен, чтобы держаться за вертикальную поверхность.

Sidewinding

Sidewinding змеи, кажется, бросаются по земле. Сначала они бросают голову вперед. Затем остальная часть его тела отбрасывается за ним.

Этот вид движения змейки эффективен для помощи змее в передвижении по неустойчивой или скользкой поверхности, такой как грязь или песок пустыни.

Вы увидите, что следы этих змей разъединены, как длинные тощие следы на песке, а не одна соединенная тропа. При боковом ветре большая часть тела змеи отрывается от земли.

Прямолинейный метод

слово «ползучий» приходит на ум, когда наблюдаешь, как змея движется прямолинейно. метод. Эти змеи движутся не из стороны в сторону, а прямо вперед.Многие люди называют эту технику «методом гусеницы» из-за ее схожести этим насекомым и тому, как они путешествуют.

В этом волнистые движения, чешуя на животе змеи крепко держится за землю, в то время как другие весы используются, чтобы толкать змею вперед. Тело змеи изгибается вверх-вниз, а не из стороны в сторону.

прямолинейный метод встречается реже, чем другие змеиные движения. Таким образом, это только в последние годы были проведены исследования, чтобы лучше понять это способ путешествия для змей.

Змеи, использующие прямолинейный метод, обладают специальными мышцами, которые перемещают кожу живота. Это движение позволяет змеям проникать в узкие норы более мелких хищных животных, где нет места, чтобы махать из стороны в сторону.

Змеи, которые движутся таким образом, значительно медленнее, чем другие змеи, но у них есть необычная способность двигаться по прямой линии.

Различия в Движение Змеи

Почему одни змеи используют один вид движения, а другие – другой?

Эти передвижения различаются у разных видов змей по всему миру.Есть много факторов, которые заставляют определенные виды выбирать свой собственный уникальный подход к путешествию, но их размер и тип местности, по которой они перемещаются, играют огромную роль. Давайте исследуем эти основные факторы.

Различия в размерах

Большинство змеи чередуются между ребрами и чешуей на животе, которые они используют, чтобы толкать свое тело вместе. Сначала они будут давить с одной стороны, а затем с другой. Этот создает то обычное движение из стороны в сторону, которое мы называем змеевиком.

Больше змеи, однако, могут толкать обеими сторонами своего живота чешую и ребра в то же время.Это создает более прямое и прямое движение.

Как в результате вы с большей вероятностью увидите движение более крупной и тяжелой змеи в прямолинейная мода, чем у змеи меньшего размера. Пример тяжелой змеи, использующей этот метод – бирманский питон, который, кажется, скользит по земле, как он по очереди поднимает каждую часть своего тела.

Меньше змеи более склонны двигаться змеиным путем. Ведь у них меньше сила и масса тела, которые нужно использовать.

Виды Различия

Лазающие и роющие змеи с большей вероятностью будут двигаться как гармошка, чем из стороны в сторону.

Эти змеи сначала вытягивают переднюю часть своего тела, а затем тянут заднюю часть вперед, чтобы соединиться с ней. Это позволяет им двигаться по вертикальным поверхностям и в прямом направлении – полезно, если они попытаются подняться на дерево или спуститься в землю. Например, зеленый древесный питон использует метод гармошки, чтобы ловко втыкаться в ветки.

Пустынные змеи, такие как метко названная гремучая змея sidewinder , с большей вероятностью будут использовать боковые движения. Частично это связано с тем, что движение помогает им двигаться дальше по песчаной поверхности без особого сцепления.Боковой ветер также не дает змее набирать слишком много веса за раз и не проваливается в песок.

Другие Змеи пустыни , как и гремучая змея, предпочитают этот метод благодаря одному главному фактору: он сводит к минимуму количество времени, в течение которого их тело касается горячего дна пустыни. Пески пустыни могут быть палящими даже для рептилий.

Вода змеи сильно отдают предпочтение змеевидному движению. Каждый раз, когда змея сокращается его тело, изгибаясь из стороны в сторону, его тело толкает воду вокруг себя.Это быстро продвигает змею вперед и решительно.

Известная водяная змея, использующая змеевидный метод, – это анаконда, самая тяжелая змея в мире. Эта змея использует змеиные движения, чтобы продвигаться по южноамериканским рекам и болотам.

Разница скоростей

Змейка скорости сильно различаются у разных видов. Самая быстрая из известных змей, черная мамба, был зарегистрирован при движении со скоростью до двенадцати миль в час! Это больше, чем достаточно, чтобы преследовать большую часть добычи (и даже людей).

На другом конце шкалы скорости розовый удав не может развить достаточную скорость, чтобы преследовать свою добычу, как другие змеи. Вместо этого эта змея лежит в засаде , поражая, когда еда оказывается в пределах досягаемости.

Летающие змеи

Есть несколько змей, которые бросают вызов всем ожиданиям, установленным поведением других змей. Это заслуживает отдельной категории.

Летающие змеи водятся в Юго-Восточной Азии и на Шри-Ланке. Эти змеи на самом деле не летают вверх, как птицы, но они прекрасные планеры.

Они свисают с высоких веток деревьев, далеко взмываясь в воздух. Один раз В воздухе змея расширяет ребра и расплющивает тело. Тогда змея выполняет извилистые движения из стороны в сторону, что помогает поддерживать ее время зависания, как оно скользит.

Что может двигаться Узнать о здоровье змеи?

Змеи имеют тенденцию двигаться медленно, поэтому бывает сложно определить, что в их движении или другом поведении что-то не так.

Кроме того, разные виды змей имеют разный уровень активности, поэтому трудно сделать однозначный вывод.Тем не менее, следующие основные признаки помогут вам в оценке:

Grip

Healthy у змей хороший мышечный тонус и хорошая чешуя. Когда вы поднимете эти змеи, они могут держаться за вашу кожу.

Решающие движения

Они будут также передвигайтесь сами по себе, когда поднимаете их, сильными и решительными движениями.

Исправление положения

Если вы перевернете здоровую змею вверх ногами в воздухе, она попытается поправиться скользит по твоей руке.

Плохие знаки

С другой стороны, больная змея обычно остается безвольной, когда вы ее поднимаете. Если перевернуть больную змею вверх ногами, она может и не попытаться вылечиться.

Нездоровые змеи также имеют тенденцию принимать новую жесткую позу, из-за чего змея может выглядеть так, будто она постоянно держит голову вверх, чтобы смотреть в небо, вместо того, чтобы держать голову близко к земле.

Если вы регулярно берете змею на руки, вы привыкнете к тому, как двигаются ее ребра и чешуя, когда она здорова.Если что-то внезапно изменится в движениях или уровне активности вашей змеи, обязательно покажите это ветеринару ветеринарному врачу .

Чему мы можем научиться на примере движения змей?

Исследователи из Университета Ибараки в Японии проявили особый интерес к движению змей. Изучая ползучее прямолинейное движение, они выяснили, как воспроизвести это движение в робототехнике.

Эти инженеры создали змееподобного робота. Он не только может двигаться без ног, но и также может двигаться по прямой и входить в небольшие замкнутые пространства.

Это творение революционное. Робот, который может легко проникать в небольшие пространства, может оказаться незаменимым для поисково-спасательных операций после стихийных бедствий.

Змеиоподобные роботы не имеют ног, которые можно зацепить в ямы или мусор, что позволяет им перемещаться по пересеченной местности. Эти роботы также могут подниматься по вертикальной поверхности аналогично живым змеям, расширяя досягаемость до новых высот (в прямом и переносном смысле).

Таким образом, движение змей важно не только для змей, но и для человека.Это доказывает нам совершенно новый способ познания мира.

Механика скользящего передвижения

Аннотация

В этом экспериментальном и теоретическом исследовании мы исследуем скольжение змей по плоской поверхности. Предыдущие исследования скольжения основывались на предположении, что змеи скользят, толкаясь сбоку о камни и ветви. В этом исследовании мы разрабатываем теоретическую модель скользящего передвижения, наблюдая кинематику движения змеи и экспериментально измеряя коэффициенты трения змеиной кожи.Наши прогнозы скорости тела хорошо согласуются с наблюдениями, демонстрируя, что движение змеи по плоской земле, и, возможно, в целом, критически зависит от фрикционной анизотропии их чешуек. Мы также подчеркнули важность распределения веса при поперечной волнистости, которую раньше трудно было визуализировать и, следовательно, предполагалось однородной. Способность перераспределять вес, что очевидно важно, когда придатки находятся в воздухе при движении конечностей, имеет гораздо более широкое распространение, о чем свидетельствует ее роль в улучшении передвижения без конечностей.

Безногие существа тонкие и гибкие, что позволяет им использовать методы передвижения, которые в корне отличаются от более широко изучаемых методов полета, плавания, ходьбы и бега, используемых организмами с такими же размерами и плавниками. Эти методы могут быть такими же эффективными, как передвижение на ногах (1), и, кроме того, особенно универсальны при перемещении по неровной местности или через узкие щели, для которых владение конечностями было бы препятствием (2, 3). Беспозвоночные без конечностей, такие как слизни, двигаются за счет создания смазывающих сил своим покрытым слизью телом; дождевые черви передвигаются с помощью храпового механизма: движение достигается за счет вцепления своих волос в землю по мере того, как они удлиняются и укорачивают свое тело (4, 5).Земные змеи передвигаются, используя различные техники, в том числе скольжение за счет бокового волнообразного движения тела, прямолинейное продвижение за счет одностороннего сокращения / вытягивания живота, движение гармошки путем складывания тела, как складки гармошки, и движение боковым изгибом путем складывания аккордеона. бросание тела в серию спиралей. В этом отчете основное внимание будет уделено боковой волнистости, полезность которой для передвижения змей была ранее описана на основе точек толчка: змеи скользят, нанося боковые удары боками по соседним камням и веткам, расположенным вдоль земли (6–11).Это ключевое предположение послужило основой для многочисленных теоретических исследований (12–17) и облегчило разработку роботов-змей для поисково-спасательных операций. Предыдущие исследователи (7, 9, 18, 19) предположили, что анизотропия трения чешуек живота змеи может играть роль в перемещении по плоским поверхностям. Однако детали этого основанного на трении процесса еще предстоит понять; следовательно, роботы-змейки, как правило, создавались для скольжения по плоской поверхности с использованием пассивных колес, прикрепленных к телу, которые сопротивляются боковому движению (18, 20–22).В этом отчете мы представляем теорию о том, как скользят змеи или как можно спроектировать безколесных роботов-змей, чтобы скользить по относительно безликой местности, такой как песок или голая скала, которая не дает очевидных точек толчка.

Модель

Мы моделируем змей (рис.1 A и B ) как нерастяжимые одномерные кривые X ( s , t ) = ( x ( s , t ) , y ( s , t )) фиксированной длины L и однородной массы на единицу длины ν (рис.1 С ). Здесь s – длина дуги кривой, отсчитываемая от головки, а t – время. Движение змей возникает за счет уравновешивания инерции тела в каждой точке кривой с суммой сил трения на единицу длины, f трения , и внутренних сил f int , создаваемых змеи. Это, где – ускорение в каждой точке тела змеи.Чтобы избежать сложных проблем моделирования мышц и тканей, определено, что f int необходимо моделирующей змеи для создания наблюдаемой кинематики формы. Мы используем закон трения скольжения, в котором сила трения на единицу длины равна f = −μ k ν g û , где μ k – коэффициент трения скольжения, û = u / ∣ u ∣ – направление скорости, а ν g – нормальная сила, приложенная змеей к земле на единицу длины.Мы предполагаем, что коэффициенты трения скольжения μ k равны (или, по крайней мере, пропорциональны) соответствующим статическим, которые мы измерили [(μ f k , μ t k , μ b k ) = α (μ f , μ t , μ b )]. Применительно к нашей измеренной анизотропии трения мы моделируем f fric просто как средневзвешенное значение независимых фрикционных реакций на движения вперед ( ŝ ), назад (- ŝ ) и поперечных направлениях ( ).Это, где H = 12 [1 + sign ( x )] – это ступенчатая функция Хевисайда, используемая для различения компонентов в направлениях ŝ и – ŝ . Уравнения. 1 и 2 можно сделать безразмерными путем масштабирования длин на длине тела змеи L и времени на периоде волнистости змеи τ вместе с переопределением силы f = μν g , где μ – характеристический коэффициент трения скольжения, принимаемый равным 0.2. Ур. 1 тогда становится где Fr определено ниже. Мы задаем форму тела с точки зрения кривизны тела κ ( s , t ), которая является величиной без привязки к абсолютному положению или ориентации в плоскости. Баланс сил, уравнение. 3 , используется для нахождения динамики центра масс змеи X и средней ориентации θ̄ посредством требования, чтобы общая внутренняя сила и крутящий момент, создаваемые змеей для выполнения ее заданной динамики формы, были равны нулю.Эти ограничения: ∫ 0 1 int ( s ) ds = 0 и 0 1 ( X ( s , ) t ) – ) × f int ( s ) ds = 0 , сгенерируйте уравнения для X̄̈ и θ̄̈. Полученная система обыкновенных дифференциальных уравнений легко эволюционирует численно, единственными параметрами являются число Фруда Fr , часто используемое при моделировании наземного передвижения (23), и коэффициенты трения μ f, b, t .Естественным определением механического КПД является отношение силы, необходимой для волочения прямой змейки, к активной мощности, обусловленной трением скользящей змейки, η = Ū avg / [∫ 0 1 fric · ds ] avg , где нижний индекс avg обозначает среднее время за период.

Критическим параметром, возникающим в нашей теории, является так называемое «число Фруда», Fr = ( L / τ 2 ) / μ г , которое измеряет относительную важность сил инерции по отношению к силам трения ( которые оба масштабируются с массой).По нашим наблюдениям, мы оцениваем, что силы трения на порядок больше, чем силы инерции (т. Е. Fr ≈ 0,1, используя μ = 0,2; см. Рис. 1), что дает важный результат, заключающийся в том, что в отличие от большинства других земных организмов такого размера инерция тела не играет ключевой роли в скользящем движении. Вместо этого движение возникает в результате взаимодействия поверхностного трения и внутренних сил тела. Даже красный гонщик (24), одна из самых быстрых змей в мире, имеет Fr ≈ 1 – 1,5 ( L = 60 – 130 см, U = 130 см / с), что указывает на то, что инерция его тела не соответствует действительности. преобладающий.В нулевом пределе Fr силы преобразуются непосредственно в скорости, а не в ускорения, что также является признаком передвижения микроорганизмов через жидкость с низким числом Рейнольдса (25). Еще одним упрощающим аспектом для нашей конкретной модели является то, что для движения с малым Fr на горизонтальных поверхностях динамика зависит только от двух соотношений коэффициентов трения, скажем, μ f / μ t и μ b / μ т .

Результаты

Широко перекрывающиеся чешуйки на животе этих змей имеют важную функцию: они цепляются за неровности земли, явление, которое было слышно во время экспериментов (Рис. 1 B ). В результате эти чешуйки обеспечивают змейке предпочтительное направление скольжения по поверхностям с достаточной шероховатостью и податливостью, о чем может свидетельствовать явная анизотропия коэффициентов трения на поверхности ткани (рис. 1 E ). Коэффициент статического трения μ будет наименьшим, если змеи скользят вперед (μ f = 0.11 ± 0,011), промежуточный при скольжении назад (μ b = 0,14 ± 0,015) и самый высокий к его бокам (μ t = 0,20 ± 0,015). С другой стороны, гладкая поверхность, которая обеспечивает небольшое количество неровностей, если они вообще есть, чтобы чешуйки могли зацепиться, показывает коэффициенты трения, которые почти не зависят от ориентации (μ f ≈ 0,14, μ t ≈ 0,16, μ б ≈ 0,14). Значения этих коэффициентов немного меньше, чем измеренные в другом месте (7) для мертвых змей на различных поверхностях (μ f и μ b между 0.24 и 1.30). Мы также наблюдаем, что, когда змеи оправлялись от бессознательного состояния, они начали индивидуально подергивать чешуей. Этот уровень контроля соответствует их нервно-мышечной анатомии (2), которая показывает, что каждая чешуя имеет собственное мышечное прикрепление.

Рисунок 1.

Анизотропия трения змеиной кожи. ( A и B ) Одна из молочных змей, использованных в наших экспериментах ( A ), и ее брюшные щитки ( B ), ориентация которых позволяет им сцепляться с неровностями земли.(Масштабные линейки, 1 см.) ( C ) Схематическая диаграмма для нашей теоретической модели, где X ̄ обозначает центр масс змеи, θ̄ – ее среднюю ориентацию, а ŝ и n̂ – векторы касательной и нормали к телу, взятые в направлении голова. ( D ) Экспериментальная установка, наклонная плоскость, используемая для измерения коэффициента статического трения μ змей без сознания. ( E ) Связь между коэффициентом статического трения μ и углом θ̄ по отношению к направлению движения для прямолинейных змей без сознания.Закрашенные символы указывают размеры на ткани; открытые символы на гладком ДВП; сплошная кривая, полученная из теории (уравнение 2 ) с использованием μ f = 0,11, μ t = 0,19 и μ b = 0,14. Планки погрешностей указывают на стандартное отклонение измерения.

Анизотропия трения змеи о поверхность критична для ее движения, по крайней мере, на горизонтальных поверхностях (угол наклона φ = 0). На рис. 2 a ‘показаны покадровые фотографии змеи, безуспешно пытающейся скользить вперед, когда ее кладут на гладкую поверхность.Такие трудности не возникают, когда змею кладут на шероховатую поверхность, как показано на рис. 2 a ″. Кинематика движения змей также была снята и оцифрована ( n = 20), а белые кружки на рис. 2 A – C показывают измеренные положения центра масс змей во время устойчивой волнистости, где величины были измерены. нормализовано длиной тела L = 30 см и временем, нормированным на период волнистости τ = 2 с. Примечательно, что тогда как кинематика тела волнообразная (с безразмерной длиной волны 0.4 ± 0,1 и амплитуда A = 0,1 ± 0,03) движение центра масс ( X , Ȳ ) является почти чисто поступательным. Скорость движения змей почти постоянна ( Ū = 0,22 ± 0,08), тогда как их скорости поперек направления движения пренебрежимо малы ( = 0,0 ± 0,03; см. Рис.2 A и B ). . Средний угол ориентации змей θ̄ существенно поворачивается (20 ± 5 °) во время скольжения (рис. 2 C ).Заметим, что волнообразность змей не всегда стабильна, о чем свидетельствуют небольшие изменения в их периодах волнистости, показанные на рис. 2 C . Мы также наблюдаем, что, по крайней мере, на горизонтальных поверхностях, змеи способны к коротким всплескам скорости 0,4 или почти вдвое больше постоянной скорости (как показано полосами погрешностей на рис.2 A и в данных скорости для φ = 0 на рис.2 D ).

Рис. 2.

Динамика движения змей. ( A – C ) Положение ( X , Ȳ ) и ориентация θ̄ змей на горизонтальной поверхности.Светлые кружки показывают экспериментальные результаты; сплошные линии показывают теоретические результаты для модели поднятой змеи, пунктирные линии – для модели с равномерным весом. Планки погрешностей показывают стандартное отклонение измерения. ( Вставки, ) ( a ‘и a ″) показывают фотографические последовательности змей, движущихся по гладкой и шероховатой поверхности соответственно. ( D ) Скорость змей вперед Ū на плоскости, наклоненной под углом φ. Гладкие кривые представляют собой теоретические предсказания установившихся скоростей с использованием μ f , приведенных на рисунке, и анизотропии трения μ t = 1.8 μ f , μ b = 1,3 μ f . Существуют три режима движения: при φ <0 ° змея успешно скользит под гору; при 0 ° <φ <7 ° змея успешно скользит в гору; при φ> 7 ° змея скользит назад при скольжении в гору.

Эксперименты ( n = 70) были выполнены для определения скорости змей на тканевых поверхностях, установленных под наклоном φ к горизонтали между -20 ° и 20 °, углы, соответствующие ползанию змеи вниз и вверх по склону, соответственно (рис.2 D ). При наклонах ниже критического угла φ * = 7 ± 2 ° змеи успешно скользят вперед по боковым волнам; при наклонах φ * змеи скользят на месте; при наклонах ниже φ * змеи пытаются скользить вперед, но вместо этого скользят назад.

Теперь мы сравним наши экспериментальные наблюдения с предсказаниями нашей теоретической модели, сначала используя нашу модель для описания измеренной анизотропии трения. Средние коэффициенты трения для наших прямых змей даются формулой. 2 как μ̄ = μ t sin 2 θ̄ + [μ f H (cosθ̄) + μ b (1 – H (cosθ̄))] cos 2 θ̄. Используя данные на рис.1 D , оценки по методу наименьших квадратов для коэффициентов трения: μ f = 0,11, μ t = 0,19 и μ b = 0,14. Поскольку эти значения обеспечивают фрикционную зависимость от ориентации, которая приблизительно соответствует нашим данным, впредь они будут использоваться в наших расчетах.

Затем мы используем наблюдаемую динамику формы змеи для изучения движений, предсказываемых нашей моделью. В качестве анзаца мы предполагаем, что волнистость змей описывается простой бегущей волной по кривизне: κ ( s , t ) = αcos k π ( s + t ) (в безразмерных единицах). Типичные значения из нашего наблюдения – α = 7 и k = 2, которые мы используем в нашем численном моделировании. Во-первых, чтобы понять наши наблюдения за движением змеи на гладкой поверхности, мы устанавливаем μ f = μ b = μ t и практически не находим движения змеи.С другой стороны, используя измеренную анизотропию трения, мы предсказываем траектории модели змейки на горизонтальной поверхности, достаточно согласующиеся с наблюдаемыми: в частности, Ȳ и θ̄ на рис. 2 A – C хорошо учтены, и скорость движения вперед Ū 0,17 ниже среднего, но в пределах стандартной ошибки, обнаруженной в экспериментах.

Наш прогноз скорости тела змей на склоне также хорошо согласуется с наблюдениями. На рис.2 D показаны измеренные скорости змеи в сравнении с 3 теоретическими прогнозами, данными нашей моделью, полученными путем изменения коэффициента трения вперед μ f от 0.От 1 до 0,3, а остальные коэффициенты сохраняются в соотношении μ t = 1,8 μ f , μ b = 1,3 μ f . Мы обнаружили, что этот диапазон коэффициентов трения объясняет наблюдаемые тенденции.

Обсуждение

Наша простая теоретическая модель, основанная на коэффициентах трения змеи, отражает общие тенденции, обнаруженные в наших экспериментах, хотя прогнозируемые скорости обычно несколько ниже измеренных.Мы предлагаем несколько возможных источников расхождения между наблюдаемыми и прогнозируемыми скоростями. Мы считаем, что наибольший вклад в эти различия вносит динамическая балансировка нагрузки, которую мы наблюдали при перемещении змей. Предыдущие исследователи (8, 9, 18) наблюдали, что на высоких скоростях змеи приподнимают изогнутые части своего тела от земли, когда они перемещаются по боковым волнам и боковому изгибу (26). Это хорошо видно на рис. 3 A , на котором изображена кукурузная змея, скользящая по зеркальной поверхности.Через призму нашей модели мы интерпретируем это поведение как змею, динамически распределяющую свой вес, так что ее живот периодически нагружается (сжимается) и разгружается (поднимается), концентрируя свой вес на определенных точках контакта. Мы заметили, что эти точки контакта приблизительно соответствуют точкам нулевой кривизны тела. Включая в силу трения нашей модели неравномерное распределение веса, которое концентрирует вес на точках с нулевой кривизной тела, мы обеспечиваем механическое обоснование подъема тела.Скорости поднятой модели змеи и модели змеи с равномерным весом показаны сплошной и штриховой кривыми, соответственно, на рис. 2 A – C . Эти расчеты показывают, что разгрузка тела модели змей приводит к увеличению скорости движения Ū avg с 0,17 до 0,23, что на 35% больше, чем наблюдаемые скорости. Более того, мы обнаружили, что поднятая змея имеет механический КПД η, равный 0,29, по сравнению с 0,20 для неподъемной змеи, то есть увеличение почти на 50%, хотя эта оценка не учитывает работу, необходимую для поднятия тела змеи.На рис. 3 B и C сравниваются распределения силы трения вдоль модели змейки как при походке без подъема, так и при подъеме. Это показывает, что подъем изменяет направление сил трения частей змеи, которые остаются в плотном контакте с землей. В частности, точки перегиба по форме (отмеченные черными точками), где нагрузка наибольшая, имеют повышенную составляющую тяги. Даже с подъемом мы не полностью учитываем большой диапазон скоростей змейки, наблюдаемый в данных ( Ū = 0.15–0.4, рис. 2), хотя мы не пытались оптимизировать модель распределения веса. Есть несколько других возможных источников ошибок или упущений при моделировании. Например, мы смоделировали, что хвост имеет такое же поперечное сечение и массу на единицу длины, что и тело; если мы включим фактическое сужение хвоста, эффективная длина L змеи уменьшится, что ухудшит наш прогноз скорости.

Рис 3.

Распределение динамической нагрузки змейки при поперечной волнистости. ( A ) Змея, волнообразно движущаяся по зеркальной поверхности, приподнимая изгибы своего тела.Хотя этот метод использовался для облегчения визуализации, а не для непосредственного изучения передвижения, подобное поведение наблюдается на более грубых поверхностях, по которым змея легко передвигается. (Масштабная линейка, 1 см.) ( B и C ) Визуализация расчетных движущих сил на модельной змее с равномерным ( B ) и неравномерным ( C ) распределением веса. Стрелки указывают направление и величину движущей силы трения, прикладываемой змеей к земле.Красные линии обозначают участки тела с нормальной силой <1; красная точка указывает центр масс. Точки перегиба формы тела, показанные черным цветом, показывают, где нагрузка наибольшая. Обратите внимание, что в этих симуляциях, хотя распределение веса неоднородно, тело змеи остается в контакте с землей по всей длине тела.

Еще один аспект, который мы не учли, заключается в том, что змеи, вероятно, способны динамически изменять свои фрикционные взаимодействия с поверхностью, регулируя положение своих чешуек, возможность, которая имеет место при нашем предположении о независимых коэффициентах трения в уравнении. 2 . Согласно теоретическим предсказаниям движения на рампе на рис. 2 D , которые лучше соответствуют экспериментальным данным с коэффициентами прямого трения 0,3, а не 0,1, змеи могут изменять свои фрикционные свойства при движении вверх и вниз. склон.

Статистические методы

Животные.

Десять молодых молочных змей пуэблан ( Lampropeltis triangulum campbelli , рис.1 A и B ) массой 15.2 ± 2,6 г (среднее значение ± стандартная ошибка) и длиной L 36 ± 2,3 см были получены от производителя рептилий (Змеи Статен-Айленда). Животных содержали поодиночке в 2-литровых террариумах в учреждении по уходу за животными и кормили водой и мышей с мизинцами. Животных освещали в течение 12 часов в день и содержали при температуре 80 ± 3,6 ° F и влажности 23 ± 10%.

Измерение трения.

Змеи прошли общую анестезию с использованием 5% изофлурана, предоставленного 1,0 л / мин O 2 в камере объемом 1 л. Змеи в бессознательном состоянии располагались в 9 ориентациях от θ̄ = 0 ° до θ̄ = 180 ° на наклонной плоскости (рис.1 D ), покрытый двумя материалами: ( и ) ткань, характерный масштаб шероховатости по длине (0,2 мм) сравним с толщиной чешуек на животе змеи (0,1 мм) и ( II ) гладкой древесноволокнистой плиты. , масштаб шероховатости которого 20 мкм (27) намного меньше, чем у змеиной чешуи. Край наклонной плоскости поднимали вручную до достижения наклона φ, при котором змеи начинали скользить; геометрия показывает, что коэффициент статического трения μ = tanφ.Испытания, в которых змея катилась вместо скольжения, не анализировались; Всего было выполнено 90 измерений трения.

Скользящие наблюдения.

С помощью видеокамеры (Sony) мы наблюдали, как змеи скользят по доске 30 × 120 см, покрытой тканью или ДВП, установленной под разными углами наклона. Скорости центра масс определяли путем оцифровки и анализа изображений с помощью MATLAB. Фильмы, в которых змея меняла направление или походку, не анализировались; Всего было проанализировано 70 фильмов с движениями змей.

Благодарности

Все условия содержания и экспериментальные процедуры были одобрены Нью-Йоркским университетом и Технологическим институтом защиты животных Джорджии в протоколах 06-1276 и A09004, соответственно. Мы благодарим Дж. Келлера, Дж. Буша, С. Чилдресса и Дж. Чжана за полезные обсуждения; К. Мареку за раннюю работу над экспериментами; и Г. Прайор за фотографирование рис. 1 A и 3 A . Эта работа была поддержана кафедрой прикладной математики Лилиан и Джорджа Литтлов Нью-Йоркского университета.

Сноски

  • 1 Кому корреспонденцию следует направлять по адресу:
    Технологический институт Джорджии, ATTN: David Hu, 801 Ferst Drive, MRDC 1308, Atlanta, GA 30332-0405.
    Эл. Почта: hu {at} me.gatech.edu
  • Вклад авторов: D.L.H., J.N., T..S. и M.J.S. проведенное исследование; D.L.H. проанализированные данные; и D.L.H. и M.J.S. написал газету.

  • Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

  • Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.

Куда скользит?, Университет Цинциннати

В его лаборатории есть несколько коричневых древесных змей, широко известных инвазивных видов, которые обычно не встречаются в коллекциях американских герпетологов. Коричневые древесные змеи истребили популяции диких птиц в таких местах, как американская территория Гуама, где они, как полагают, укрылись на самолетах или грузовых судах после Второй мировой войны. Официальные представители дикой природы во всем мире принимают крайние меры, чтобы не дать древесным змеям вторгнуться на новую территорию в качестве безбилетных пассажиров.

«Они заманивают их в ловушку на Гуаме. Но их количество настолько ошеломляет, что это всего лишь палец в дамбе, – сказала Джейн. «Самый главный приоритет – убедиться, что их больше нигде не представят. Одна из наиболее многообещающих превентивных мер – научить собак вынюхивать их в грузовых отсеках ».

Джейн использовала змеиный крючок, чтобы вытащить 5-футовую коричневую древесную змею из стеклянного вольера. Змеи с задними клыками умеренно ядовиты, но не представляют опасности для людей. Змея оливкового цвета была крепкой, сильной и потрясающе большой для древесного животного.Исследования передвижения Джейн показали, что древесные змеи могут достигать ветвей на 90% длины своего тела. И они могут подняться практически на все, что угодно.

«Есть ключевая мышца, которая поддерживает спину змей, например удавы, которые обычно охватывают около 14 позвонков. Но у коричневой древесной змеи эта же мышца охватывает 30 позвонков, – сказала Джейн. «Это выгодно для поддержки их веса при преодолении пропастей».

Он позволил змее болтаться в одной руке и наблюдал, как ее цепкий хвост обвился вокруг его запястья.Не испугавшись, змея начала исследовать свой вертикальный мир, вытянув тело параллельно земле, пытаясь добраться до столешницы.

Было легко увидеть, как такая ловкая и большая змея может нанести ущерб экосистеме, которая развивалась без естественной защиты от лазящих змей. По словам Джейн, официальные лица по охране дикой природы очень заинтересованы в понимании их способностей.

«Как только вы выясните, что они могут сделать, вы можете попытаться использовать то, что они не могут», – сказал он.

Неизменный интерес Джейн к змеям позволил науке проникнуть в суть многих ранее недокументированных форм поведения.Он изучал змей, питающихся крабами, в Малайзии и проверяет остроту зрения змей в своей импровизированной оптической лаборатории в Калифорнийском университете.

«Коричневые древесные змеи действительно хорошо растягиваются. Но самое забавное, что удавы и питоны тоже чертовски хороши, потому что они такие мускулистые. Они используют грубую силу, в то время как другие змеи изощряют ее », – сказала Джейн. «Есть статистически значимые различия в перемещении этих видов, но они намного меньше, чем я ожидал».

ученых открыли совершенно новый способ передвижения змей, и это так странно

Ученые определили совершенно новый способ передвижения змей.Недавно задокументированное поведение при лазании сложно, но позволяет змеям впечатляюще взбираться по большим гладким цилиндрам.

Исследователи окрестили это «движением лассо», потому что змея карабкается по полюсам, лассируя свое тело вокруг цилиндрических структур, крепко сжимая их петлей от туловища до хвоста.

Явление, которое расширяет известный репертуар змей в лазании, кажется, позволяет коричневой древесной змее ( Boiga irregularis ) подниматься по гладким цилиндрам гораздо большего размера, чем любое ранее известное поведение при лазании, и может представлять собой первую совершенно новую форму движения змей. выявлено в новейшей истории.

«На протяжении почти 100 лет все движения змей традиционно делятся на четыре режима: прямолинейное, поперечное волнообразное, боковое и гармоничное», – объясняет в новой статье исследовательская группа под руководством биолога-эколога Джули Сэвидж из Университета штата Колорадо.

(Savidge et al., Current Biology, 2020)

Другой вид движения змей, скольжение-толкание, также признается некоторыми в научном сообществе как отдельная форма передвижения и происходит на плоских поверхностях.В то же время некоторые считают, что существующие классификации должны быть более разнообразными, чем предполагалось ранее.

В любом случае, движение лассо сильно отличается от всех известных форм движения змеи и было случайным открытием, сделанным во время природоохранного проекта на Гуаме, где коричневая древесная змея – инвазивный вид, случайно занесенный на территорию острова США. в середине 20 века – опустошил местные популяции птиц (и не только).

При просмотре видеозаписи экспериментальных металлических перегородок, предназначенных для защиты птиц путем предотвращения попадания змей в защищенные птичьи ящики, команда заметила кое-что уникальное.

«Мы просмотрели около четырех часов видео, а потом внезапно увидели, как эта змея образует нечто похожее на лассо, вращающееся вокруг цилиндра, – объясняет исследователь медицины дикой природы Томас Зайберт.

«Мы посмотрели эту часть видео примерно 15 раз. Это был шок. Ничто из того, что я когда-либо видел, не сравнится с этим».

В наблюдаемом движении змеи карабкались по гладким вертикальным цилиндрам, используя отчетливую позу тела, напоминающую лассо, с головой и шеей, ориентированными над задней петлей тела, которая окружает и захватывает цилиндр.

Хотя эта техника позволяет коричневой древесной змее подниматься по цилиндрам, диаметр которых вдвое больше, чем у других методов, таких как движение гармошкой, которое также включает трение и используется для подъема по деревьям и строениям, это нелегко.

«Низкая скорость, скольжение, частые паузы и тяжелое дыхание во время пауз – все указывает на то, что передвижение лассо требует значительных усилий», – пишут исследователи.

«Даже несмотря на то, что они могут лазить в этом режиме, он доводит их до предела возможностей», – говорит биолог Брюс Джейн из Университета Цинциннати.«Змеи делают длительные паузы для отдыха».

(Томас Зайберт)

Теперь, когда мы знаем о движении лассо, исследователи надеются сделать это усилие еще более сложным для змей, с помощью новых видов барьеров и препятствий, специально разработанных для противодействия этой неожиданной форме вертикального движения. .

Это может показаться неприятным, но все это для того, чтобы дать сокращающимся популяциям птиц Гуама – наряду с другими членами экосистемы, которые от них зависят – надежду на выживание перед лицом смертельной угрозы, которая может ускользнуть так, как мы даже не подозревали. .

«Большинство местных лесных птиц исчезли на Гуаме», – говорит Сэвидж.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Back To Top