Узкая змея плавает в песке эффективнее короткой ящерицы
Исследование показало, что для передвижения в песке длинная и узкая змея может быть эффективнее короткой и коренастой ящерицы.
К такому выводу пришли учёные, изучив паттерны движения лопатоносой змеи (Chionactis occipitalis) из пустыни Мохаве на юго-западе США. Исследование демонстрирует, как змея использует свою удлинённую форму для плавного движения в песке, а её скользкая кожа снижает трение. Оба фактора дают преимущество в передвижении по сравнению с другой песчаной рептилией — сцинковым гекконом (Scincus scincus), или песчаной рыбой, из пустыни Сахара в Северной Африке.
Работа, опубликованная 18 декабря 2014 года в Journal of Experimental Biology, помогает понять, как эволюционное давление повлияло на форму тела у животных, обитающих в песке. Полученные данные также могут быть полезны для проектирования поисково-спасательных роботов, способных перемещаться по сыпучим материалам.
Используя рентгеновскую технологию для наблюдения за движением животных в толще песка, исследователи изучили волны, распространяющиеся по телам змей и ящериц. Для моделирования локомоции и сравнения энергоэффективности безногой змеи и четырёхногой ящерицы (которая не использует конечности при плавании в песке) была применена гранулярная теория сопротивления. Эта теория учитывает тягу, создаваемую волнами тела, и сопротивление, действующее на тело животного.
«Наша модель показывает, как и змея, и песчаная рыба движутся с максимально возможной для их формы тела скоростью, используя при этом минимум энергии. Мы обнаружили, что удлинённая форма змеи позволяет ей превзойти песчаную рыбу как в скорости, так и в энергоэффективности», — пояснил Дэн Голдман, доцент Школы физики Технологического института Джорджии.
Измерения показали, что змея генерирует бегущие волны от головы к хвосту, создавая кривизну тела и несколько волн вдоль него, что усиливает движение. В результате кинематики тело змеи в основном движется внутри одного и того же «туннеля» в песке, который создаётся движением её клиновидной головы и тела.
Поскольку змея фактически следует по собственным следам, проскальзывание минимально, что позволяет ей тратить меньше энергии, чем песчаной рыбе. Движение последней создаёт вокруг тела большую область разжиженного песка.
Исследование также подтвердило, что скользкая кожа змеи создаёт примерно вдвое меньше трения, чем кожа ящерицы, что дополнительно снижает энергозатраты.
«Если у вас правильная форма тела и скользкая кожа, вы можете добиться очень низкой стоимости перемещения», — отметил Голдман.
Для изучения подповерхностного движения на чешуйки змей прикрепляли крошечные свинцовые маркеры, позволявшие получать рентгеновские снимки. Программные алгоритмы позволили детально проанализировать формы волн на видеозаписях.
Помимо робототехники, эта работа помогает понять биологические вопросы, например, как форма тела пустынных ящериц и змей сходится для оптимизации передвижения в их среде обитания.
«Эти системы "плавания" в гранулах оказываются весьма полезными для понимания фундаментальных вопросов эволюционной биологии, биомеханики и энергетики, потому что их просто анализировать, и они могут описать множество систем», — добавил Голдман.
Исследование поддержано Национальным научным фондом (NSF) и Армейским исследовательским управлением.