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    蛇为什么以一条直线爬行?

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      【博科园-科学科普】蛇以其标志性的s形运动而闻名。但他们有一种不那么引人注目的技能,让他们成为独一无二的超级大国。蛇可以在一条直线上爬行。辛辛那提大学的生物学家布鲁斯·杰恩(Bruce Jayne)研究了蛇运动的机理,以了解它们是如何像火车通过隧道一样推动自己前进的。这是在密闭空间中移动的好方法。很多强壮的蛇都使用这种运动:毒蛇、蟒蛇、水蟒和蟒蛇。

      在《实验生物学杂志》(Journal of Experimental Biology)上发表了一篇名为《不摆动的爬行》的研究报告。蛇通常会游泳、攀爬或爬行,它们会弯曲脊柱进入蛇形线圈,或者利用前缘来推掉物体。他们的运动多样性的一个极端例子就是响尾蛇响尾蛇的名字。Jayne是UC McMicken艺术与科学学院(McMicken College of Arts & sciences)的生物科学教授,他已经解开了三种蛇移动的机械装置,称为“风琴”、“蛇形”和“侧绕”。这种被称为“直线运动”的蛇的直接运动已经得到了较少的关注。

      蛇为什么以一条直线爬行?

      加州大学生物学教授布鲁斯·杰恩在他的实验室里养了一条藤蛇。图片版权:oseph Fuqua II/UC Creative Services

      1950年生物学家H.W. Lissmann首次对肌肉活动和皮肤运动的协调进行了研究。他推测,蛇的肌肉与松散的、柔软的、粘糊糊的腹部皮肤结合在一起,使它能够在不弯曲脊柱的情况下向前移动。已经有近70年没有这种运动了。杰恩和他的研究生、合著者史蒂文·纽曼(Steven Newman)在20世纪50年代用设备无法使用的设备测试了Lissmann的假设。杰恩用高清数码相机拍摄了蟒蛇,同时记录了特定肌肉产生的电脉冲。这产生了一个肌电图(类似于EKG),显示了肌肉、蛇的皮肤和身体之间的协调。

      在这项研究中,Newman和Jayne使用了蟒蛇,一种以在森林地面上直线行走而闻名的大蟒蛇。他们录制了高清晰度视频,视频中蛇在水平面上移动,并带有参考标记。研究人员还在蛇的两侧添加了参考点,以追踪它们鳞状皮肤的细微运动。当蛇向前移动时,它腹部的皮肤比它的胸腔和背部的皮肤更容易弯曲。腹部鳞片的作用就像轮胎上的踏板,随着肌肉拉着蛇的内部结构,在一个起伏的模式中前进,当它们快速移动时,就会变得流畅和无缝。

      蛇的肌肉以一种非常流畅和无缝的方式从头部向尾部依次激活。其中两个主要的肌肉负责从肋骨(costo)到皮肤(皮肤)给他们命名为costocu。脊柱以恒定的速度向前移动。一组肌肉将皮肤向前拉,然后固定在原地。而相反的对抗性肌肉则拉在脊柱上。这种运动的好处是显而易见的,食肉动物吃啮齿动物和其他在地下活动的动物。

      蛇是由穴居祖先进化而来的。你可以通过这样的移动来适应更窄的洞或隧道,而不是你必须弯曲你的身体并推动一些东西。这项研究部分得到了国家科学基金会的资助。Lissmann在1950年的描述大体上是正确的。

      缩短皮肤的肌肉是推动一条蛇向前的机制。但考虑到他进行这项研究的时间,惊叹于他是如何做到这一点的。工业已经尝试模仿在机器人中蜿蜒的蛇形运动,可以检查管道和其他水下设备。纽曼说,能够利用蛇的直线运动的机器人可以有很好的应用。这项研究可以告诉机器人技术。能够在狭小的密闭空间中直线移动将是一个很大的优势。可以使用蛇形机器人在废墟和倒塌的建筑物中进行搜救。

      直线运动是蛇的低齿轮,否则可以召唤惊人的速度。只有在放松的时候才使用它。研究人员观察到,当蛇被惊吓或被驱使移动时,蛇会恢复到传统的蛇纹和蛇形动作。

      作为一名狂热的自行车爱好者,杰恩在Rieveschl的一个实验室里研究了自行车运动的生理学和生物力学。他一直在研究骑手的心血管健康状况。他测量了他们每公斤体重的耗氧量,以了解更多关于骑自行车者如何提高肌肉燃烧乳糖酶的能力。但他一直最着迷于蛇。他的研究发表在70多篇期刊文章上,其中大部分都在研究蛇的行为或生物学的某些方面。最近,杰恩研究了蛇的运动,特别是一些爬树的惊人能力。

      詹在加州大学教授脊椎动物动物学和人体生理学和生物力学。杰恩一生对蛇的兴趣,让科学敏锐地洞察到许多以前无证的行为。他在马来西亚研究了吃螃蟹的蛇,并在他自己的临时光学实验室里测试蛇视力。通过测试其流动性的极限,杰恩可以了解更多关于蛇的复杂运动控制。这可以揭示人类如何执行协调的运动。

      让他们在所有这些不同的方向上行走,并处理所有这些三维的复杂性,是他们对肌肉的神经控制具有多样性或可塑性。”“即使动物有体力做某事,它也不一定有神经控制。杰恩想要了解更多关于这种精细的运动控制是如何导致蛇的惊人扭曲的。他们有很多迷人的举动,这是因为它们的运动模式如此多样以至于神经系统都能产生吗?

      尽管所有的蛇都有相同的身体计划,但有完全的水生蛇类,在平面上移动的蛇,在水平面上移动的蛇,爬的蛇,他们到处跑的原因是,他们有很多不同的方法来控制肌肉,这是非常有趣的。


      • 知识:科学无国界,博科园-科学科普

      • 参考:Journal of Experimental Biology

      • 内容:“博科园”判定符合今主流科学

      • 来自:辛辛那提大学

      • 编译:双螺旋

      • 审校:博科园

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