Ученые выяснили, почему змеи ползают быстро

МОСКВА, 18 февраля. Наука долгое время не могла найти ответ на вопрос, почему змеи способны так быстро передвигаться, ведь ползание является достаточно сложным способом перемещения. Считалось, что во время изгибов тело змеи отталкивается от неровностей на земле и от различных растений, что дает ей возможность ползти быстрее, пишет Science.YoRead.ru .

Ученые провели ряд исследований и опровергли это мнение. Они выяснили, что секрет быстрого передвижения змеи состоит в строение ее чешуи. Чешуйки на коже брюха змеи расположены так, что не дают смещаться ей в сторону хвоста и вбок, тем самым, определяя направление вперед как предпочтительное. Схожий способ передвижения используется в лыжах и коньках. Подобное неравномерное трение при разных направлениях движения принято называть фрикционной анизотропией.

Для доказательства своей теории исследователи построили математическую модель передвижения змеи, где приняли скорость, с которой перемещается центр массы змеи, за функцию от размера и скорости фрикций, появляющихся при изгибании ее тела.

Изучение построенной математической модели доказало правоту ученых и показало, что чешуя помогает создавать неоднородное трение тела змеи о различные поверхности, что помогает змее передвигаться быстро даже по скользким поверхностям.

Ранее сообщалось, что в Китае обнаружена змея с одной когтистой лапой посреди туловища, похожей на конечность ящерицы или лягушки. Странный мутант «объявился» в полночь в спальне 66-летней жительницы города Суинин юго-западной провинции Сычуань. Змея длиной 40,5 см и толщиной с мизинец карабкалась по вертикальной поверхности, ловко цепляясь за нее когтями единственной ноги. Китаянка говорит, что была сильно перепугана, но тем не менее ей хватило «отваги», чтобы забить существо насмерть тапочкой. Более того, удостоверившись, что змея мертва, женщина еще и поместила ее в бутыль со спиртом. Благодаря ее почти профессиональным действиям, рептилию-мутанта заполучили китайские ученые, и уже проводят необходимые исследования. Один из них, специалист по змеям, признался газете, что увиденное шокировало даже его. Причину мутации он надеется выяснить только по результатам вскрытия.

Самая распространенная ныне мутация среди змей — это «двухголовость». Она формируется по такому же принципу, как и удвоение частей организма у сиамских близнецов. Такие особи имеют мало шансов выжить в условиях дикой природы — хотя бы потому, что обе головы то и дело норовят атаковать друг друга.

О змеях и их движениях

Движение змей полно чарующего своеобразия. Вид бесшумно скользящей извивающейся ленты производит на зрителя неизгладимое впечатление и доставляет эстетическое наслаждение. Однако типичное, так называемое «змеевидное» движение отнюдь не является единственным способом, который используют змеи. В разных условиях обитания, на разном субстрате различные змеи выработали целый ряд особых типов движения. При «змеевидном» типе движения туловище волнообразно изгибается и образующиеся волны как бы пробегают вдоль тела от головы до хвоста. Выгибающийся участок тела, поставленный наискось к направлению движения, опирается на субстрат и создает толкающую силу. Она направлена под углом к движению, но может быть разложена на две составляющие - перпендикулярную и параллельную линии движения. Первая составляющая гасится сопротивлением опоры, а вторая толкает тело вперед.

Таким образом, чем больше изгибов, тем больше суммарная движущая сила. Поэтому змеи, использующие такой способ движения, имеют обычно длинное, гибкое и стройное тело. Таковы, например, ужи и полозы - активные змеи, выслеживающие и догоняющие свою добычу. Заметим, однако, что скорость, развиваемая Змеей даже при самом быстром скольжении, не превышает, как правило, 6-8 км в час, а у многих видов не достигает и 5 км в час. Поэтому человек без труда может догнать любую змею, если соревнование происходит на открытом пространстве. Многих читателей интересует, вероятно, также и обратный результат: можно с уверенностью гарантировать, что змея не может догнать человека, если даже очень захочет это сделать. Однако этот вариант имеет лишь теоретический интерес, так как змеи никогда не преследуют человека.

Поскольку при змеевидном типе движения используется опора на субстрат, то эффективность движения зависит от шероховатости опоры. Так, по гладкому стеклу змея не может двигаться: тело извивается, а животное остается на месте. Помимо гладкого субстрата, плохую опору для тела представляет и сыпучий субстрат - подвижные пески пустынь, не закрепленные растительностью. В этих условиях у некоторых видов змей (песчаная эфа, хвостатая гадюка, рогатый гремучник) выработался особый тип движения - «боковой ход». Действительно, глядя на движущуюся эфу, убеждаешься, что она ползет не вперед, а как бы вбок. Подтягивая вперед заднюю часть туловища, она перебрасывает ее, не касаясь субстрата, вперед и затем, опираясь на весь бок тела, подтягивает переднюю часть. След при таком движении получается не сплошной, а состоящий из отдельных параллельных полос с крючковатыми концами, расположенных под углом к линии движения. Опора при таком способе движения получается более основательная, и от одного следа к другому змея буквально «перешагивает».

Этот тип движения асимметричен, поэтому нагрузка на мышцы оказывается неравномерной. Чтобы уравнять ее, змее приходится периодически менять «рабочую сторону» тела - ползти то левым, то правым боком вперед. Некоторые виды змей не преследуют добычу, а сторожат ее, лежа неподвижно в засаде. Такие змеи малоподвижны, и тело их обычно толстое и короткое. Они неспособны на изящные змеевидные движения, и им приходится отказаться от этого способа, перейдя к прямолинейному или гусеничному типу передвижения. Особенно ярко он выражен у крупных и кургузых африканских гадюк (кассава, шумящая гадюка).

Тело ползущей гадюки совсем не изгибается, и при взгляде сверху кажется, что она просто плывет по поверхности. Сбоку же хорошо видно, как по брюшной стороне пробегает серия сокращений и растяжений, движущая змею вперед. Зигзагообразный рисунок на боках туловища как будто оживает, углы его то уменьшаются, то увеличиваются, и создается впечатление, что гадюка «идет» на дюжине пар коротких ног. В движении змей, особенно при последнем способе, важную роль играют расширенные брюшные щитки. Они могут плотно прилегать друг к другу, образуя гладкую поверхность, или сокращением брюшной мускулатуры их задний край опускается, и создается хорошая опора. Маневрируя брюшными щитками, змея может создавать сцепление или, наоборот; обеспечивать скольжение на разных участках тела. Значение брюшных щитков подтверждается тем, что морские змеи, живущие всю жизнь в водной среде, утратили их. Брюхо их покрыто такой же мелкой чешуей, как и спина. И вот, если такую змею вытащить на сушу, она извивается, но почти не может двигаться по твердому субстрату. У роющих, плавающих и древесных змей возникают особые специфические приспособления к передвижению, о которых будет сказано при описании этих видов.

Мышечная система пресмыкающихся представлена жевательной, шейной мускулатурой, мускулатурой брюшного пресса, а также мускулатурой сгибателей и разгибателей. Присутствуют характерные для высших позвоночных межрёберные мышцы, играющие важную роль при акте дыхания. Подкожная мускулатура позволяет изменять положение роговых чешуй.

Мышцы головы.

В связи с тем, что змеи не пережевывают добычу, а заглатывают ее целиком, жевательная мускулатура у них не достигает сильного развития и служит для размыкания, смыкания челюстей и удержания добычи при помощи многочисленных мелких зубов. Лицевая мускулатура недоразвита, поэтому губы и верхушка носа змей практически неподвижны и имеют прочную соединительнотканную основу.

Мышцы позвоночного столба.

Эта группа мышц сильно развита и хорошо дифференцирована. У змей имеются следующие группы многосегментных мышц:

Длиннейшие мышцы туловища и хвоста (m. longissimus trunci et coccygey) - Эти мышцы обеспечивают разгибание позвоночного столба и боковые движения туловища.

Межостистые мышцы (m. interspinales) - Они способствуют разгибанию позвоночного столба.

Короткие межпоперечные мышцы (m. intertransversarii) - обеспечивают боковые движения туловища змей.

Подниматели ребер m. levatori costarum) - Эти мышцы наиболее развиты у кобр в шейном отделе и обеспечивают расширение шеи с образованием "капюшона".

змея подотряд ядовитая скелет

Оттягиватели ребер m. retractors costarum) - начинаются на проксимальном конце ребра, оканчиваются на дужке позадилежащего позвонка.

Опускатели ребер (m. depressores costarum) - начинаются на вентральной поверхности проксимального конца ребра, оканчиваются на вентральной поверхности тела позвонка.

Межреберные мышцы (m. intercostals) - расположены между ребрами, сильно развиты.

Сгибатели позвоночного столба (m. flexores) - сильно развиты, особенно у удавов и питонов, располагаются на вентральной поверхности тел позвонков, перебрасываясь через несколько сегментов - это длинные мышцы туловища и хвоста.

Сильное развитие и эластичность описанных групп мышц обеспечивает змеевидный тип движения, то есть движения при помощи изгибов тела и ребер, не замкнутых вентрально. Иначе говоря, змеи, извиваясь, "ходят на ребрах". Когда змея делает изгиб, длиннейшие и межпоперечные мышцы стороны изгиба напряжены, а со стороны, противоположной изгибу - расслаблены. Во время выпада вперед указанные мышцы находятся в противоположном функциональном состоянии.

Передвижение

При движении змеи каждый брюшной щиток при помощи соответствующих мышц занимает положение под прямым углом к коже. Щитком, находящимся в таком положении, животное опирается о землю. Одно движение мышц - щиток прижат к коже, а на его место вступает следующий. Во время движения змеи щиток за щитком становятся мгновенной точкой опоры и отталкивания и только благодаря им возможно поступательное движение. Щитки служат змее как бы сотней крохотных ног.

Движения позвонков, ребер, мышц и щитков строго координированы; они происходят в горизонтальной плоскости. Приподнятая голова змеи опускается на землю, затем подтягивается петля передней трети тела; лотом змея опять переносит голову вперед, чтобы снова опереться ею о землю, совершить очередное поступательное движение и подтянуть за собой все тело. До тех пор, пока змея не получит точки опоры, она не в состоянии передвигаться. Змея не сможет двигаться по гладкой поверхности стекла, поскольку поперечные щитки будут лишь скользить по нему.

Если проследить за змеей во время просвечивания ее рентгеновскими лучами, можно убедиться в том, насколько сложны координированные движения ее скелета. Позвоночник легко изгибается в любом направлении и благодаря этому тело змеи может то свертываться кольцом, то приподниматься почти на треть своей длины над землей, то с невероятной быстротой устремляться вперед.

Способы передвижения змеи

Фактически змеи умеют передвигаться по земле четырьмя основными способами. Если один способ не подходит, то они применяют другой. Иногда, особенно на очень ровной поверхности, им приходится перепробовать все четыре способа. Ползание змей может быть достаточно стремительным, и некоторые из них способны даже погнаться за своей добычей. Однако даже самые быстрые змеи редко развивают скорость, превышающую 8 км/час. Рекорд скорости ползания составляет 16-19 км/час и принадлежит черной мамбе.

1. Движение гармошкой.

Сначала змея собирает тело в складки. Затем, удерживая кончик хвоста на месте, толкает переднюю часть тела вперёд. И наконец подтягивает заднюю часть тела.

2. Движение гусеницей.

Змея может двигаться по прямой линии. Она использует это движение, когда надо преодолеть какое-нибудь узкое место. При этом змея передвигает крупные чешуйки, расположенные на брюхе. Одна за другой чешуйки погружаются в землю, как маленькие лопатки. Как только чешуйка погрузилась в землю, мышцы сдвигают её по направлению к хвосту. Одна за другой чешуйки отталкиваются от земли, и за счёт этого змея движется.

3. Извивающееся движение.

Предназначено для перемещения по жёсткой земле. Чтобы продвинуться вперёд, змея изгибает тело в сторону, упираясь в камни, корни, палки или другие твёрдые предметы. При этом движении змеи попеременно сокращают мышцы у себя на боках, так что их туловище S-образно изгибается: змея извивается и ползет.

Волнообразные изгибания тела - самый распространенный способ ползания змей.

4. Скручивание или боковой ход - это способ движения, которым пользуются только некоторые виды змей, живущие в пустыне. Используя этот способ, они могут быстро передвигаться по рыхлому песку. При этом голова змеи уходит вбок и вперед, а затем подтягивается туловище. Змеи начинают почти ходить, если так можно сказать о совершенно безногих существах: опираясь на заднюю часть тела, они выносят вперед переднюю, затем - наоборот.

5. Роющий ход.

К их числу, например, относятся слепозмейки.

У многих видов слепозмеек имеются крошечные глаза, способные отличать свет от тьмы; у некоторых видов глаз нет вообще. Прокладывать туннели в толще рыхлой почвы слепозмейкам помогает прочный череп и крупные щитки на передней части головы.

Нередко змеи спасаются под землёй от жары или холода. Другие отыскивают норки мелких зверьков и, залезая в них, поедают их хозяев. Для некоторых пустынных змей песок служит отличным укрытием. Выставив над его поверхностью только голову, они терпеливо поджидают добычу.

6. Древесный вид.

Хорошо лазать по веткам деревьев и кустарников умеют многие змеи. Но некоторые виды змей проводят в кронах деревьев всю жизнь. Такие змеи называются древесными. Во время охоты на ящериц мексиканская остроголовая змея нередко перебрасывает своё тело с ветки на ветку. Готовясь к "полёту", змея сплющивает тело, сильно растопыривая рёбра. Это и позволяет ей плавно скользить в воздухе.

Нужно отметить, что змеи редко развивают действительно внушительную скорость. Большинство видов двигается не быстрее восьми километров в час, но черная мамба, например, умеет ползать со скоростью от шестнадцати до девятнадцати километров в час.

Один из основных способов движения - движение гармошкой. Змея сначала собирает все свое тело в складки, потом, закрепив кончик хвоста на одном месте, она толкает себя вперед. После этого она подтягивает заднюю часть тела, снова собираясь в складки.

Второй способ перемещения - движение гусеницей. Таким образом змеи двигаются по прямой линии и преодолевают какие-то узкие места. При этом способе змея задействует расположенные у нее на брюхе крупные чешуйки. Она погружает их в землю словно небольшие лопатки. Когда чешуйка оказывается в , змея мышцами сдвигает ее к хвосту. В итоге чешуйки по очереди отталкиваются от земли, что позволяет змее двигаться. Этот метод схож с греблей, которую люди используют для передвижения в лодках. Движение чешуи похоже на движениями .

Потрясающее зрелище

Характерное извивающееся движение используется змеями для перемещения по достаточно жесткой земле. Чтобы продвинуть себя вперед, змея упирается в корни, камни, палки и другие твердые предметы, изгибая тело в сторону. При этом способе передвижения змея сокращает боковые мышцы попеременно, что и позволяет ей ползти вперед.

Такие волнообразные движения являются основой ползания змей. Со стороны это зрелище завораживает. Пресмыкающееся будто бы неподвижно лежит, но при этом для глаза перетекает вперед. Это ощущение легкости и незаметности движения обманчиво. Змеи - удивительно сильные создания, их плавные движения обеспечиваются синхронной и размеренной работой мускулатуры.

Четвертым типом движения называют боковой ход или скручивание. Он характерен в основном для змей, обитающих в пустыне. При помощи этого типа движения они по рыхлому песку, причем делают это удивительно быстро. Боковой ход называется так, поскольку сначала голова змеи смещается по диагонали вперед и в сторону, а уже затем она подтягивает тело. Сначала она опирается на заднюю часть тела, затем - на переднюю. Такой вид передвижения оставляет на песке странные параллельные отметины с характерными крючками на концах отрезков.

Существуют и другие способы передвижения змей. Райские змеи, обитающие в Индокитае, Индонезии и на Филлипинах, живут на пальмах. Если им хочется сменить место обитания, они просто перелетают на другое дерево. На самом деле они, конечно, прыгают. Перед прыжком райская змея делает очень глубокий вздох, чтобы создать воздушную камеру внутри тела, которая работает в качестве парашюта. Это позволяет ей планировать на впечатляющее расстояние до тридцати с небольшим метров.

Ключ к ловкости змей (сотни позвонков и ребер) тесно связан с ключом к их движению - вентральными чешуйками. Эти специализированные прямоугольные элементы выстилают нижнюю сторону тела, соответствующую непосредственно количеству ребер. Как ползает змея? Нижние края брюшных чешуек функционируют подобно протектору на шине, захватывая поверхность и продвигая пресмыкающееся вперед.

Форма и функции

Наиболее характерным аспектом змеиной формы является удлиненное тело и хвост, а также отсутствие конечностей. В мире еще существует змея, у которой остатки конечностей все еще сохраняют функцию движения, но полные или уменьшенные элементы таза и бедра остаются во многих семействах, включая боа и питона. Тело обычно стройное, хотя есть некоторые сравнительно короткие и толстые виды.

Форма тела коррелирует с уровнем активности, с тонкими видами, движущимися все время, и тяжелыми формами, ведущими сидячий образ жизни. Гадюки, например, хотя и не всегда длинные, часто большие. Представляется вероятным, что эти змеи развивались в направлении тяжести только после развития теплочувствительных навыков, лореальной ямы, специального органа, расположенного между глазом и ноздрей, и ядовитого аппарата, что позволяло им оставаться на одном месте и ждать свою добычу, а не заниматься непрерывным активным поиском пищи.

Некоторые из крупнейших змей (боа, анаконды и питоны) имеют лабиальные ямы, которые функционируют так же, как и лореальная яма гадюк, поэтому они тоже могут быть не очень подвижными и большими. Древесные змеи являются самыми удлиненными и стройными из всех, с хвостом, который занимает половину длины всего тела. Тело сильно сжато с боков, что позволяет повысить жесткость каркаса тела, пока ползают из ветки на ветку. Роющие норы змеи редко бывают большими. Хвост морских змей сплющен, образуя весло, используемое для гребли через водные массы. Морские змеи почти полностью беспомощны на суше и могут передвигаться только с большим трудом.

Строение змеи: скелет

Позвоночный столб змей сильно вытянут и имеет больше позвонков, чем любое другое живое животное — до 600 у австралийского питона (Morelia oenpelliensis). Поскольку со скелетом не связаны конечности, нет хороших разделителей областей тела, змеи, как правило, считаются имеющими только два вида позвонков: телесные (precaudal) и хвостовые (caudal). В теле 100-450 позвонков, в хвосте 10-205. Пара ребер связана с каждым позвонком тела, за исключением нескольких сразу за головой.

То, как ползает змея, обусловлено строением ее тела. На хвостовых позвонках нет ребер. Это дает возможность бокового и вертикального вращения без переплетения позвоночного столба, таким образом достигая повышенной гибкости. Позвонок может нести на своей вентральной поверхности длинную апостериорно направленную проекцию, называемую гипапофизом. Наличие или отсутствие этой структуры на позвонках задней трети тела имеет большое значение в классификации змей, поскольку большие группы видов показывают это как общую характеристику.

Кожа

Кожа змеи покрыта чешуйками, которые представляют собой ороговевшие складки в эпидермальных слоях кожи. Эти чешуи обычно располагаются рядами вдоль тела, вид и расположение которых являются характерными для определенного вида. Они могут быть большими и щитовидными, в этом случае количество рядов невелико (от 10 до 30), или они могут быть очень маленькими, округлыми, а иногда и с приподнятым центром, в этом случае количество рядов может достигать 180.

Кожа змеи может быть очень гладкой и блестящей (как у радужных змей), иметь приподнятый гребень (киль) вдоль его центра, быть сильно полосатой или даже иметь приподнятый позвоночник в центре, как у Яванской бородавчатой змеи. Чешуя у некоторых видов имеет сенсорные структуры. На брюшной поверхности тела она в большинстве видов видоизменена в широкие пластины и используется для передвижения.

Способы передвижения змей

У змей есть четыре способа передвижения. Поскольку у них нет ног, они используют свои мышцы и кожу для "ходьбы".

Змеиный метод: отталкивание от поверхности, камней, деревьев. Они двигаются волнистыми движениями. Для этого способа не подойдет скользкая и гладкая поверхность, например, стекло. Это движение известно как боковая волнистость. Начиная с шеи, змея сжимает свои мышцы, толкая свое тело из стороны в сторону, создавая ряды кривых. В воде это движение легко продвигает змею вперед, потому что каждое сокращение толкает против воды. На суше змея обычно находит точки сопротивления на поверхности такие, как камни, ветви или вмятины, использует свое тело, чтобы нажать на все точки сразу, толкая змею вперед.
Метод сплющивания: это более трудный путь для движения, но является эффективным в плотных пространствах. Этот метод хорошо работает для горизонтальных поверхностей, но змеи поднимаются с использованием техники гармошка. Змея протягивает голову и переднюю часть тела вдоль вертикальной поверхности, а затем находит место для захвата брюшной чешуей. Чтобы дотянуться, она пучками в центре своего тела сцепляется с поверхностью, тянет его обратно до конца, а затем снова возвращается вперед, чтобы найти новое место для захвата.
Удар сбоку: это трудное движение, которое часто используют змеи для того, чтобы перемещаться на свободных или скользких поверхностях таких, как песок или грязь. Сжимающий мышцы и бросающий тела удар сбоку создает S-форму которая только имеет 2 пункта контакта с землей. Кажется, что змея бросает голову вперед, а остальная часть тела устремляется за ней.
Прямолинейный (гусеница) метод: это медленное, ползущее, прямое движение. Как ползает змея при этом? Животное использует некоторые из широких чешуек на животе, чтобы захватить землю, продвигаясь вперед. Это гораздо более медленный метод передвижения, волны намного меньше и изгибаются вверх и вниз, а не из стороны в сторону. Когда змея использует движение гусеницы, вершины каждой кривой поднимаются над землей в то время, как вентральные чешуйки на днищах толкаются против земли, создавая эффект ряби, похожий на то, как это происходит у гусеницы.

Может ли змея ползти в обратном направлении?

Птицы не летают задом наперед, рыбы не плавают, антилопы не бегут назад. Пресмыкающихся это тоже касается. Как ползает змея? Каждая из частей живота имеет свои собственные мышцы, которые змея может использовать для перемещения вперед. Могут ли змеи двигаться по прямой? Да, могут, но это зависит от типа поверхности, по которой они должны ползать, их скорости и различных других внешних факторов. Единственная причина, почему это обычно не наблюдается у большинства змей, - в этом просто нет необходимости.