Ученые раскрыли секрет того, как змеи удерживают вертикальное положение

«Три вещи непостижимы для меня, и четырех я не знаю: пути орла на небе, пути змея на скале, пути корабля среди моря и пути мужчины к девице», — сказано в Книге Притчей Соломоновых. Спустя тысячи лет это загадочное животное продолжает завораживать не только зоологов, но и физиков, изучающих динамику сложных систем.

В новой статье, опубликованной в журнале Interface Лондонского королевского общества, описываются изощренные способы, позволяющие змее выпрямляться и преодолевать силу тяжести при отсутствии конечностей. Исследователи во главе с биофизиком Лакшминараянаном Махадеваном из Гарвардского университета утверждают, что змея затрачивает основные усилия на поддержание устойчивости, а не на сам процесс подъема.

Экспериментальный подход

Ученые исследовали способности к вертикальному лазанию у двух видов змей: коричневой бойги (Boiga irregularis) и молодого аметистового питона (Simalia amethistina). В ходе эксперимента змей побуждали подниматься с низкой полки на более высокую, которую постепенно перемещали на высоту от 30 до 80 сантиметров. Оба вида успешно удерживали большую часть тела в воздухе, используя преимущественно остистые и полуостистые мышцы спины.

Для анализа данных исследователи построили модель «активной упругой нити» (Active Elastic Filament) и проверили два способа управления телом:

1. Проприоцептивная обратная связь: локальная реакция мышц на степень кривизны тела в конкретной точке. Если змея чувствует изгиб, она напрягает мышцы в этом месте для выпрямления.

2. Оптимальное управление: более сложный метод, при котором змея синхронизирует работу всех систем организма, минимизируя затраты энергии на поддержание устойчивости. Этот подход рассматривает змею как целостную механическую систему, что, по мнению ученых, является результатом эволюционной адаптации.

Змея как перевернутый маятник

Результаты показали, что чем выше поднимается змея, тем меньше усилий требуется ее мышцам. Она эффективно использует силу тяжести, совершая небольшие колебания, подобные балансировке перевернутого маятника на кончике пальца. В основании тела змеи формируется так называемый «пограничный слой» — область, где концентрируется основная мышечная нагрузка, обеспечивающая устойчивость всей вертикальной конструкции.

Практическое применение

Понимание этих механизмов имеет важное значение для инженерии и технологий. Исследователи полагают, что полученные данные помогут в разработке мягких роботов и передового медицинского оборудования, например, эндоскопов. Усовершенствованные устройства смогут перемещаться внутри человеческого тела более плавно и устойчиво, имитируя естественные движения змей.

Йонатан Баркхайм, Институт научной педагогики им. Дэвидсона, образовательное подразделение Института Вейцмана.