Zur Biophysik des Schlängelns

Schlangen bewegen sich auf verschiedene Weise (Siehe Blogbeitrag: Die Fortbewegungsarten von Schlangen ). Die Tiere kommen auf rauhen Oberflächen sehr gut voran, denn sie können sich an Pflanzen, Steinen etc abdrücken. Doch wie kommen die Tiere auch rasch auf glatten Oberflächen voran? Dieser Frage gingen die Mathematiker David Lu und Michael Shelley vom Georgia Institute of Technology, Atlanta und dem Courant Institute of Mathematical Science, New York nach.

Die Mathematiker vermuten, dass für die schnelle Fortbewegung der Schlange die Reibungskräfte verantwortlich sind, die während des Gleitens an den Bauchschuppen auftreten. Bauchschuppen haben ein einzigartiges Design, denn sie sind  wie Dachziegel übereinander gelappt. Aus diesem Grund kann eine Schlange auch nicht rückwärts kriechen.

Veröffentlicht wurde die Studie erstmals 2009 in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America unter dem Titel: The mechanics of slithering locomotion.

 

Experimente

Für die Überprüfung dieser These entwickelten die Forscher verschiedene Experimente.
Im ersten Experiment betäubten sie 10 junge Puebla Milchschlangen, mit einem Gewicht von 15 Gramm, und legten sie auf eine mit Stoff überzogenen Fläche. Nun wurde diese Fläche in verschiedenen Winkeln gekippt, so dass die Tiere ins Rutschen gerieten. Aus dem „Rutsch“ Winkel errechneten die Forscher den Reibungswiderstand. Insgesamt wurden die Schlangen in neun unterschiedlichen Positionen zum Rutschen gebracht (beispielsweise kopfvoran, seitlich etc.)

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Skizze zum ersten Experiment nach David Lu

Im zweiten Experiment liessen die Forscher Schlangen über ein 30 x 120 cm grosse Glasplatte kriechen sowie über eine gleichgrosse Fläche, die mit Stoff bezogen waren. Insgesamt wurden davon 70 Filme ausgewertet.
Die beobachtbaren Ergebnisse der Experimente wurden mit Hilfe von Computermodellen berechnet. Die Schlangenbewegung wurde als eine vereinfachte wandernde Wellenbewegung dargestellt. Die Wellenlänge entspricht hierbei der gesamten Körperlänge der Schlange. An diesen Modellen untersuchten die Wissenschaftler die Reibungskräfte entlang des gekrümmten Schlangenkörpers.

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Skizze nach David Lu: Schematische Darstellung der „Computerschlange“

 

Ergebnisse

Die grösste Reibungskraft lag, den Berechnungen zufolge, vor wenn das Tier quer zur Neigungsrichtung auf der Platte lag, egal welche Körperhälfte in die Abwärtsrichtung zeigte. Rutschte die Schlange aber mit dem Schwanz voran die Platte herunter, fiel der Reibungswiderstand deutlich geringer aus. Am kleinsten war der Widerstand, wenn die Schlange kopfvoran runter ruschte.
Verwendeten die Forscher statt einer Stoffplatte eine Glasplatte, waren die Reibungskräfte in allen Richtungen gleich gross. Dies erklärt warum Schlangen auf Glas nicht vorwärts kommen. Denn jeder Versuch des Tieres sich bei der Bewegung vom Boden abzudrücken wird von einer gleich grossen Reibungskraft ausgebremst. .

Die Ergebnisse mit den Computermodellen bestätigten die zuvor erworbenen experimentellen Befunde. Die Reibung ist entlang der Welle am grössten, wo sich die Schlange nach hinten vom Boden abdrückt und so bekommt der Schlangenkörper einen Schub nach vorne. Und weil die Reibungskraft nach vorne am geringsten ausfällt, überwiegt der Schub den Reibungswiderstand und die Schlange kommt vorwärts.
Zusammenfassend lässt sich sagen: grosser Winkel = mehr Reibung, kleiner Winkel= weniger Reibung

Die Computerschlangen bewegten sich übrigens immer langsamer als ihr echtes Vorbild. Schlangen besitzen nämlich einen entscheidenden Vorteil: Sie heben ihre Körper ab und verringern so die Gewichtskraft auf den Untergrund und somit auch die Reibung. Davon profitieren jene Stellen auf der Bauchseite, die gerade keine Kraft auf den Boden übertragen und dadurch wird die Schlange schneller.
Involvierten die Mathematiker diese Beobachtungen in ihre Berechnungen mit ein, stimmten die an Modellen berechneten Ergebnisse mit den Resultaten der Beobachtungen überein.
Das Geheimnis der Bewegung liegt also in der Reibung und der Gewichtsverlagerung.

 

Weiterführende Experimente

Nach den ersten Experimenten ist klar, dass die Bauchschuppen für die Fortbwewgung der Schlange elementar sind. Um diese These zu untermauern, führten Lu und Shelley ein weiteres Experiment aus. Sie zogen den Schlangen speziell angefertigte Jäckchen an, damit sie ihre Bauchschuppen für die Fortbewegung nicht einsetzen konnten und liessen sie wieder über die Platte schlängeln.

Auch dieses Experiment verifizierte die ersten beiden. In ihren Jäckchen konnten die SChlangen ihre Bauchschuppen nicht optimal einsetzen. Dies bedeutet wieder, dass alle Reibungskräfte gleich stark sind (äquivalent) und die Schlange an der Stelle kriecht. Die Bauchschuppen sind demnach der Schlüssel für die Fortbewegung. Bedeutend ist demnach bei der Fortbewegung auf rauhem natürlichen Untergrund, dass die Reibung der Bauschuppen beim Vorwärtskriechen geringer ist als in Rück-und Seitwärtsrichtung.

David Lu erklärt in einem Video der National Science Foundation seine Ergebnisse selbst. (Inklusive Schlangen in Jäckchen)

Wer die Erstveröffentlichung im Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America lesen möchte, hier der Link zum Original Paper
Das Courant Institute of Mathematical Science veröffentlichte 2012 auf ihrer eigenen Homepage ebenfalls die Studie mit dem Unterschied, dass hier sämtliche berechnungen im Detail aufgeführt werden. Wer eine mathematische Herausforderung sucht, findet sie hier: Original Paper mit Details

Literatur: Hu, David; Shelley, Michael (2009): The mechanics of slithering locomotion in: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America vol. 106 no. 25, S. 10081-10085.

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