Bruce Jayne, professeur de biologie à l'UC, tient un serpent de vigne dans son laboratoire. Crédit :Joseph Fuqua II/UC Creative Services
Les serpents sont connus pour leurs mouvements emblématiques en forme de S. Mais ils ont une compétence moins perceptible qui leur donne un super pouvoir unique.
Les serpents peuvent ramper en ligne droite.
Le biologiste de l'Université de Cincinnati, Bruce Jayne, a étudié la mécanique du mouvement des serpents pour comprendre exactement comment ils peuvent se propulser vers l'avant comme un train dans un tunnel.
"C'est un très bon moyen de se déplacer dans des espaces confinés, " a dit Jayne. " Beaucoup de serpents au corps lourd utilisent cette locomotion :les vipères, boa constricteur, anacondas et pythons."
Son étude intitulée « Crawling without Wiggling » a été publiée en décembre dans le Journal de biologie expérimentale .
Les serpents nagent généralement, grimper ou ramper en pliant leur colonne vertébrale en serpentins ou en utilisant les bords d'attaque pour repousser des objets. Un exemple extrême de leur diversité de mouvement donne son nom au serpent à sonnettes sidewinder.
Jayne, professeur de sciences biologiques au McMicken College of Arts &Sciences de l'UC, a déjà débloqué les mécanismes de trois types de locomotion de serpent appelés concertina, serpentine et sidewinding. Mais le simple mouvement des serpents, appelé "locomotion rectiligne, " a reçu moins d'attention, il a dit.
Cette coordination de l'activité musculaire et du mouvement de la peau a été examinée pour la première fois en 1950 par le biologiste H.W. Lissmann. Il a émis l'hypothèse que les muscles du serpent combinés avec son lâche, la peau du ventre souple et spongieuse lui a permis de se faufiler en avant sans plier sa colonne vertébrale.
« Cela fait près de 70 ans sans que ce type de locomotion soit bien compris, " dit Jayne.
Jayne et son étudiant diplômé et co-auteur, Steven Newman, testé l'hypothèse de Lissmann à l'aide d'équipements inaccessibles aux chercheurs dans les années 1950. Jayne a utilisé des caméras numériques haute définition pour filmer des boas constricteurs tout en enregistrant les impulsions électriques générées par des muscles particuliers. Cela a produit un électromyogramme (semblable à un ECG) qui a montré la coordination entre les muscles, la peau du serpent et son corps.
Pour l'étude, Newman et Jayne ont utilisé des boa constrictors, serpents à gros corps connus pour se déplacer en ligne droite sur le sol de la forêt. Ils ont enregistré une vidéo haute définition des serpents se déplaçant sur une surface horizontale hachée avec des repères. Les chercheurs ont également ajouté des points de référence sur les côtés des serpents pour suivre le mouvement subtil de leur peau écailleuse.
Quand le serpent avance, la peau de son ventre fléchit beaucoup plus que la peau de sa cage thoracique et de son dos. Les écailles du ventre agissent comme les bandes de roulement d'un pneu, fournissant une traction avec le sol alors que les muscles tirent le squelette interne du serpent vers l'avant dans un motif ondulant qui devient fluide et sans couture lorsqu'ils se déplacent rapidement.
Les muscles du serpent sont activés séquentiellement de la tête vers la queue d'une manière remarquablement fluide et homogène. Deux des principaux muscles responsables de cela s'étendent des côtes (costo) à la peau (cutané) leur donnant leur nom costocutané.
"La colonne vertébrale avance à vitesse constante, " Newman a déclaré. "Un ensemble de muscles tire la peau vers l'avant, puis elle s'ancre en place. Et des muscles antagonistes opposés tirent sur la colonne vertébrale."
L'avantage de ce type de mouvement est évident pour un prédateur qui se nourrit de rongeurs et d'autres animaux qui passent du temps sous terre.
"Les serpents ont évolué à partir d'ancêtres fouisseurs. Vous pouvez entrer dans des trous ou des tunnels beaucoup plus étroits en vous déplaçant de cette façon que si vous deviez plier votre corps et pousser contre quelque chose, " a déclaré Newman.
L'étude a été financée en partie par une subvention de la National Science Foundation.
Jayne a déclaré que la description de Lissmann en 1950 était en grande partie correcte.
Bruce Jayne, professeur de biologie à l'UC, tient dans son laboratoire un serpent brun légèrement venimeux. Ces serpents grimpants sont connus pour décimer les populations d'oiseaux sauvages à Guam. Comprendre comment ils grimpent est essentiel pour aider les gestionnaires de la faune à mettre en place de meilleures barrières pour protéger les espèces vulnérables. Crédit :Joseph Fuqua II/UC Creative Services
"Mais il a émis l'hypothèse que le muscle qui raccourcit la peau était le mécanisme qui propulse un serpent vers l'avant. Il s'est trompé, " Jayne a dit. "Mais étant donné le temps qu'il a mené l'étude, Je m'émerveille de la façon dont il a pu le faire. J'ai une immense admiration pour ses idées."
L'industrie a essayé d'imiter les sans membres, mouvements sinueux de serpents dans des robots capables d'inspecter les pipelines et autres équipements sous-marins. Newman a déclaré que les robots capables d'exploiter le mouvement rectiligne d'un serpent pourraient avoir des applications profondes.
"Cette recherche pourrait éclairer la robotique. Ce serait un gros avantage de pouvoir se déplacer en ligne droite dans de petits, espaces confinés. Ils pourraient utiliser des robots ressemblant à des serpents pour rechercher et secourir les débris et les bâtiments effondrés, " a déclaré Newman.
La locomotion rectiligne est à faible vitesse pour les serpents qui, autrement, peuvent invoquer une vitesse surprenante. Ils ne l'utilisent que lorsqu'ils sont détendus. Les chercheurs ont observé que les serpents revenaient aux mouvements traditionnels de l'accordéon et de la serpentine lorsqu'ils étaient surpris ou poussés à bouger.
Bruce Jayne, professeur de biologie à l'UC, tient un serpent arboricole brun dans son laboratoire. Ces serpents grimpants sont connus pour décimer les populations d'oiseaux sauvages à Guam. Comprendre comment ils grimpent est essentiel pour aider les gestionnaires de la faune à mettre en place de meilleures barrières pour protéger les espèces vulnérables. Crédit :Joseph Fuqua II/UC Creative Services
Un cycliste passionné, Jayne a étudié la physiologie et la biomécanique du cyclisme dans un laboratoire à Rieveschl. Il a des études en cours sur la forme cardiovasculaire des coureurs. Il mesure leur consommation d'oxygène en une minute par kilogramme de poids corporel pour en savoir plus sur la façon dont les cyclistes peuvent augmenter la capacité de leurs muscles à brûler la lactase.
Mais il a toujours été le plus fasciné par les serpents. Son travail a été publié dans plus de 70 articles de revues, la plupart d'entre eux examinant certains aspects du comportement ou de la biologie des serpents. Plus récemment, Jayne a étudié la locomotion des serpents, en particulier l'étonnante capacité de certains à grimper aux arbres.
Jayne enseigne la zoologie des vertébrés, la physiologie humaine et la biomécanique à l'UC.
L'intérêt de longue date de Jayne pour les serpents a permis à la science de mieux comprendre de nombreux comportements auparavant non documentés. Il a étudié les serpents mangeurs de crabes en Malaisie et teste l'acuité de la vision des serpents dans son propre laboratoire optique de fortune à l'UC.
En testant les limites de sa mobilité, Jayne peut en apprendre davantage sur les commandes motrices complexes du serpent. Cela peut faire la lumière sur la façon dont les humains peuvent exécuter des mouvements coordonnés.
"Ce qui leur permet d'aller dans toutes ces directions différentes et de gérer toute cette complexité tridimensionnelle, c'est qu'ils ont une diversité ou une plasticité du contrôle neuronal des muscles, " dit Jayne. " Même si l'animal avait la force physique de faire quelque chose, il n'aurait pas nécessairement le contrôle neuronal."
Jayne veut en savoir plus sur la façon dont ce contrôle moteur raffiné contribue aux incroyables contorsions d'un serpent.
"Ils se déplacent de tant de manières fascinantes. Est-ce parce qu'ils ont une telle diversité de modèles moteurs que le système nerveux peut générer ?" il a dit.
"Même si tous les serpents ont le même plan corporel, il y a des serpents entièrement aquatiques, des serpents qui se déplacent sur des surfaces planes, serpents qui se déplacent dans un plan horizontal, serpents qui grimpent. Ils vont partout, " dit-il. " Et la raison pour laquelle ils peuvent aller partout, c'est qu'ils ont tellement de façons différentes de contrôler leurs muscles. C'est assez intriguant."
Quatre types de mouvement de serpent :
