Змеи при движении гораздо больше полагаются на трение, которое обеспечивает чешуя, нежели на инерционные силы. Работа, проведённая физиками из технологического института Джорджии (Georgia Institute of Technology), помогла понять, как рептилиям удаётся передвигаться по поверхности, на которой не от чего оттолкнуться.

Считается, что змея ползёт за счёт своего волнообразного движения. Другие исследования показали, что часто змеи отталкиваются от предметов, которые им встречаются на пути (камни, ветки, небольшие бугорки на поверхности земли). Однако о том, как им удаётся передвигаться по достаточно гладким поверхностям (песок, асфальт), было известно очень мало.

Учёные также давно знают, что змеи легче передвигаются вперёд, хуже назад, но никто никогда не пытался определить, способны ли они скользить в сторону.

С помощью поляризованного света, просвечивающего сквозь желатин, учёные смогли выяснить, где при движении змея прикладывает наибольшие силы (фото David Hu и Grace Pryor).

А Дэвид Ху (David Hu) и его коллеги решили это проверить. Физики хотели измерить, есть ли у чешуи змеи боковое трение. Для этого они спустили по наклонной поверхности десяток королевских змей Кэмпбелла (Lampropeltis triangulum campbelli ). Сначала вперёд головой, потом хвостом, а потом боком. В первой части достаточно простого эксперимента змеи скользили по грубой ткани, во второй – по менее шероховатому картону.

И если на гладкой поверхности змеи двигались одинаково практически во всех направлениях, то ткань больше всего «тормозила» боковое движение (то есть наибольшим было именно боковое трение).

Когда физики использовали эти данные в своей математической модели, «теоретическая» змея поползла по практически такой же траектории, что и настоящие змеи.

Однако сильно отличалась скорость движения модельной и реальных змей.

Немного поломав голову, учёные пришли к выводу, что настоящие змеи ко всему прочему перераспределяют вес тела в зависимости от того, какие части трутся сильнее (а значит, и замедляют движение).

Специальные мешочки из ткани, надетые поверх тела змей, помогли выяснить, что эти рептилии не могут передвигаться без помощи «цепляющихся за землю» чешуек (на фото справа). Ху сравнивает чешуйки с лезвиями коньков, на которых удобно двигать вперёд и назад, но почти невозможно в сторону (фото David Hu).

После внесения соответствующих изменений в математическую модель «теоретическая» змея стала двигаться на 35% быстрее. А это значение было гораздо ближе к скорости движения настоящих королевских змей Кэмпбелла.

Измерив соотношение инерционных сил и сил трения, американцы пришли к выводу, что вторые вносят на порядок больший вклад в движение рептилий.

Данное теоретическое исследование имеет вполне реальное применение. Многие научные группы создают роботов-змей . И им важно узнать больше о том, как передвигаются настоящие рептилии.

Некоторые робототехнические механизмы обладают колёсами, которые препятствуют движению в сторону. Однако если разработчики роботов подберут материал с такими же свойствами, как у чешуек змей, то, возможно, от колёс можно будет отказаться.

Подробнее о проведённом исследовании можно узнать из

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.

Динамическое распределение нагрузки при боковых изгибах. Верхнее фото — Змея, ползущая по зеркалу. На этой картинке видна «волна», используемая для перераспределения веса. Хотя это фото получено скорей для демонстрации (поверхность гладкая, поэтому рептилия почти не движется), тот же самый феномен наблюдался и при передвижении по шероховатым поверхностям. Ниже представлена расчетная движущая сила на модели с равномерным (средний ряд) и неравномерным (нижний ряд) распределением веса. Красной точкой отмечен центр масс, черными - места наибольшего давления на поверхность //David L.Hu et al., PNAS

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.

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.

Точно неизвестно, когда исчезли ноги в ходе эволюции у предков современных змей, но на рентгеновских снимках и сейчас можно увидеть рудиментарные остатки нижних конечностей.

Инструкция

Поскольку все змеи являются активными хищниками, отсутствие ног не повлияло на их скорость и ловкость. Конечности змеям заменяют чешуйки, которыми покрыто тело. Движения за счет сцепления чешуй с поверхностью разделяются на четыре основных типа.

Прямолинейное движение (гусеницей). Группа чешуек на брюшной стороне животного толкают тело змеи вперед, погружаясь в поверхность, подобно веслам лодки, остальные чешуи создают упор. Так одна за другой чешуи сначала оттопыриваются, затем прижимаются силой движения особой группы мышц, и змея продвигается вперед.

Волнообразное боковое движение (извивающееся). Тело змеи словно перетекает вбок, при этом происходит попеременное сокращение боковые мышц тела. Все точки тела животного, контактирующие с поверхностью, постоянно выполняют серию последовательных движений толчок, перенос, опора. За счет этих движений создается картина стремительного и легкого перемещения. Число позвонков у змей достигает 435, следовательно, и число точек изгиба примерно такое же. Чем длиннее змея, тем мощнее и стремительнее она может двигаться.

Боковой ход (скручивание). Голова пресмыкающегося уходит вбок и вперед, затем к ней подтягивается тело. При опоре на переднюю часть туловища, задняя часть выносится вперед, затем цикл повторяется наоборот. Создается ощущение, что змея ходит. Таким образом перемещается песчаная эфа.

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.

Способы передвижения

Может показаться, что двигаться без ног очень тяжело, но змеи делают это виртуозно. Фактически они 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
Один из способов движения змеи называется движением 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
С помощью движения 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. Этот же метод используют люди, когда они гребут, находясь в судне. Они погружает весла в воду точно так же, как змеи погружают чешуйки в землю.

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. Спокойно ползущая змея - удивительно красивое и завораживающее зрелище. Кажется, ничего не происходит. Движения почти незаметны. Тело вроде бы неподвижно лежит и в тоже время быстро перетекает. Ощущение легкости перемещения змеи обманчиво. В ее удивительно сильном теле синхронно и размеренно работает множество мускулов, точно и плавно переносящих тело. Каждая соприкасающаяся с землей точка тела поочередно оказывается в фазе то опоры, то толчка, то переноса вперед. И так постоянно: опора-толчок-перенос, опора-толчок-перенос... Чем длиннее тело, тем больше изгибов и тем стремительнее движение. Поэтому в ходе эволюции тело змей все удлинялось и удлинялось. В этом отношении они - рекордсмены среди позвоночных животных. Число позвонков у них может достигать 435 (у человека, для сравнения, всего 32-33).

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, причем движутся они так молниеносно, что за ними трудно уследить. 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.
При этом появляются очень странные отметины в виде косых параллельных полос с крючками на конце. Сразу и не догадаешься, что такой след могло оставить живое существо! Именно этим способом передвигается песчаная эфа - очень опасная змея, живущая у нас в Средней Азии.

Кроме указанных способов еще существуют некоторые весьма необычные техники передвижения. Например, в Индонезии, Индокитае, на Филиппинах обитают змеи из рода хризопелеа, подсемейства ложных ужей. Их за изящество и красоту называют райскими. Живет райская змея на пальмах, там и питается ящерицами. А если ей хочется переменить место жительства, она на другую пальму перелетает. При перелетах ее тело приобретает S-образную форму, а хвост служит рулем. Перед прыжком змея делает глубокий вздох, образуя внутри тела воздушную камеру, служащую ей как бы парашютом и позволяющую планировать на расстояние до 35 метров.

Некоторые змеи способны даже прыгать вперед, собрав сначала тело в кольца, как пружину, а затем резко его распрямив.