Ormar är kända för sina ikoniska S-formade rörelser. Men de har en mindre märkbar skicklighet som ger dem en unik superkraft.

Ormar kan krypa i en rak linje.

Biologen Bruce Jayne från University of Cincinnati studerade ormens rörelsemekanik för att förstå exakt hur de kan driva sig själva framåt som ett tåg genom en tunnel.

"Det är ett väldigt bra sätt att röra sig i trånga utrymmen, " Sa Jayne. "Många tunga ormar använder denna rörelse:huggormar, boa constrictors, anakondor och pytonslangar."

Hans studie med titeln "Crawling without wiggling" publicerades i december i Journal of Experimental Biology .

Ormar simmar vanligtvis, klättra eller krypa genom att böja ryggraden i serpentinspiraler eller använda framkanterna för att trycka av föremål. Ett extremt exempel på deras mångfald av rörelser ger sidewinder-skallerormen sitt namn.

Jayne, en professor i biologiska vetenskaper vid UC:s McMicken College of Arts &Sciences, har redan låst upp mekaniken i tre typer av ormrörelse som kallas konsertina, serpentin och sidewinding. Men den enkla rörelsen av ormar, kallas "rätlinjig rörelse, "har fått mindre uppmärksamhet, han sa.

Denna koordinering av muskelaktivitet och hudrörelse undersöktes första gången 1950 av biologen H.W. Lissmann. Han antog att ormens muskler kombineras med dess lösa, flexibel och squishy bukhud gjorde det möjligt för den att skjuta framåt utan att böja ryggraden.

"Det har gått nästan 70 år utan att den typen av rörelse har blivit väl förstått, " sa Jayne.

Jayne och hans doktorand och medförfattare, Steven Newman, testade Lissmanns hypotes med hjälp av utrustning som inte var tillgänglig för forskare på 1950-talet. Jayne använde högupplösta digitalkameror för att filma boa constrictors samtidigt som han registrerade de elektriska impulser som genereras av vissa muskler. Detta producerade ett elektromyogram (liknande ett EKG) som visade koordinationen mellan musklerna, ormens hud och dess kropp.

För studien, Newman och Jayne använde boa constrictors, stora ormar kända för att färdas i en rak linje över skogsbotten. De spelade in högupplösta videor av ormarna som rörde sig över en horisontell yta hashårig med referensmärken. Forskarna lade också till referenspunkter på sidorna av ormarna för att spåra den subtila rörelsen av deras fjällande hud.

När ormen går framåt, huden på magen böjer sig mycket mer än huden över bröstkorgen och ryggen. Magfjällen fungerar som slitbanor på ett däck, ger dragkraft med marken när musklerna drar ormens inre skelett framåt i ett böljande mönster som blir flytande och sömlöst när de rör sig snabbt.

Ormens muskler aktiveras sekventiellt från huvudet mot svansen på ett anmärkningsvärt flytande och sömlöst sätt. Två av nyckelmusklerna som ansvarar för detta sträcker sig från revbenen (costo) till huden (kutan) vilket ger dem deras namn costocutaneous.

"Kotorn rör sig framåt med en konstant hastighet, ", sade Newman. "En uppsättning muskler drar huden framåt och sedan förankras den på plats. Och motsatta antagonistiska muskler drar på kotpelaren."

Fördelen med denna typ av rörelse är uppenbar för ett rovdjur som äter gnagare och andra djur som tillbringar tid under jorden.

"Ormar utvecklades från grävande förfäder. Du kan passa in i mycket smalare hål eller tunnlar genom att röra dig på det här sättet än om du var tvungen att böja din kropp och trycka mot något, sa Newman.

Studien stöddes delvis av ett anslag från National Science Foundation.

Jayne sa att Lissmanns beskrivning från 1950 i stort sett var korrekt.

"Men han antog att muskeln som förkortar huden var mekanismen som driver en orm framåt. Han hade fel, " sa Jayne. "Men med tanke på den tid han genomförde studien, Jag förundras över hur han kunde göra det. Jag har en enorm beundran för hans insikter."

Industrin har försökt efterlikna de lemlösa, serpentinrörelser av ormar i robotar som kan inspektera rörledningar och annan undervattensutrustning. Newman sa att robotar som kan utnyttja en orms rätlinjiga rörelse kan ha djupgående tillämpningar.

"Denna forskning skulle kunna informera robotik. Det skulle vara en stor fördel att kunna röra sig i raka linjer i små, trånga utrymmen. De kunde använda ormliknande robotar för sök-och-räddning i skräp och kollapsade byggnader, sa Newman.

Rättlinjig förflyttning är lågväxel för ormar som annars kan framkalla överraskande fart. De använder det bara när de är avslappnade. Forskarna observerade att ormar återgick till traditionella konsertina- och serpentinrörelser när de blev skrämda eller manade att röra sig.

En ivrig cyklist, Jayne har studerat cyklingens fysiologi och biomekanik i ett labb i Rieveschl. Han har pågående studier av ryttares kardiovaskulära kondition. Han mäter sin syreförbrukning på en minut per kilo kroppsvikt för att lära sig mer om hur cyklister kan öka sina musklers förmåga att bränna laktas.

Men han har alltid varit mest fascinerad av ormar. Hans arbete har publicerats i mer än 70 tidskriftsartiklar, de flesta av dem undersöker någon aspekt av ormens beteende eller biologi. Senast, Jayne har studerat orms rörelse, särskilt den fantastiska förmågan hos vissa att klättra i träd.

Jayne undervisar i ryggradsdjurszoologi och mänsklig fysiologi och biomekanik vid UC.

Jaynes livslånga intresse för ormar har gett vetenskapen angelägna insikter i många tidigare odokumenterade beteenden. Han studerade krabbätande ormar i Malaysia och testar ormens skärpa i sitt eget provisoriska optiska labb vid UC.

Genom att testa gränserna för sin rörlighet, Jayne kan lära sig mer om ormens komplexa motorkontroller. Detta kan belysa hur människor kan utföra samordnade rörelser.

"Vad som gör det möjligt för dem att gå i alla dessa olika riktningar och hantera all den tredimensionella komplexiteten är att de har en mångfald eller plasticitet av neural kontroll av musklerna, ", sa Jayne. "Även om djuret hade den fysiska styrkan att göra något, det skulle inte nödvändigtvis ha den neurala kontrollen."

Jayne vill lära sig mer om hur denna raffinerade motorstyrning bidrar till en orms fantastiska vridningar.

"De rör sig på så många fascinerande sätt. Är det för att de har en så otrolig mångfald av motoriska mönster som nervsystemet kan generera?" han sa.

"Även om alla ormar har samma kroppsplan, det finns helt vattenlevande ormar, ormar som rör sig på plana ytor, ormar som rör sig i ett horisontellt plan, ormar som klättrar. De går överallt, " sade han. "Och anledningen till att de kan gå överallt är att de har så många olika sätt att kontrollera sina muskler. Det är ganska spännande."

Fyra typer av ormrörelser:

• Serpentine:Kallas även lateral vågformning, detta är den typiska sida-till-sida-rörelsen som används av ormar över ojämn mark eller i vattnet.
• Concertina:Ormar slingrar sig i alternerande kurvor innan de rätar upp sig för att driva sig själva framåt.
• Sidewinding:Ormar böjer sig i vågor från sida till sida och i ett vertikalt plan för att lyfta kroppen för att bara bilda några få kontaktpunkter med marken. Detta hjälper skallerormar att korsa het sand eller klättra i sanddyner.
• Rättlinjig:Specialiserade muskler rör maghuden på en orm, driva den framåt i en rak linje. Detta gör att ormar kan glida genom hålor som inte är mycket större än de är.