Почему змеи и ящерицы имеют различные модели движения тела

Координация передвижения ящериц и змей различна. Ящерицы наклоняются из стороны в сторону, когда они передвигают ноги, чтобы ходить или бегать. Змеи, с другой стороны, скользят и волнообразно, как волна, которая движется вниз по телу. Тем не менее, есть виды ящериц, которые имеют длинные, змееподобные тела и конечности, настолько крошечные, что даже ученые задавались вопросом об их предназначении.

Понимание того, как движутся эти гибридные ящерицы, может дать представление о том, почему произошел эволюционный переход от ящерицообразного к змееподобному движению, пишет «phys.org».

Используя биологические эксперименты, модели роботов и геометрическую теорию передвижения 1980-х годов, исследователи из Технологического института Джорджии изучали, как и почему промежуточные виды ящериц с их удлиненными телами и короткими конечностями, например Brachymeles могут использовать свои тела для перемещения.

Во главе с профессором физики живых систем Дэниелом Голдманом исследовательская группа изучила координацию тела и конечностей в разнообразной выборке тел ящериц. Их междисциплинарный подход раскрыл существование ранее неизвестного спектра движений тела у ящериц, выявив континуум динамики передвижения между ящероподобными и змееподобными движениями.

Обычно считалось, что организмы либо качаются, как змеи, либо сгибаются, как ящерицы, либо вообще не используют изгиб тела. Однако при анализе отснятого материала исследователи увидели большое разнообразие змееподобных волн (бегущих волн) и ящероподобных движений (стоячих волн), представленных в различных видах ящериц.

Программное обеспечение для оценки позы животных без маркеров значительно улучшилось, что позволило гораздо лучше понять кинематику организмов.

Следующий вопрос заключался в том, как понять разнообразие волновых паттернов. По словам Чонга, хотя существуют бесконечные способы думать о волнах и о том, что они означают, информация настолько сложна, что людям почти невозможно понять ее без использования трудоемких уравнений.

Используя геометрическую механику, Чонг создал диаграммы, которые визуализировали данные координации тела и конечностей, заменив сложные вычисления гораздо более простым диаграммным анализом. Они смогли увидеть и показать преимущество змееподобных волн в локомоции короткошестных удлиненных ящериц и предсказать, что преимущество возникает по мере того, как первичная генерация тяги смещается от конечностей к телу.

Результаты отслеживания нейронной сети и геометрической механики позволили группе сформировать теорию: что стиль движения ящериц — независимо от того, движутся ли они, используя стоячие волны для бега или бегущую волну, чтобы скользить — тесно связан со степенью размера конечностей и удлинения тела.

Исследователи проверили теорию двумя способами. Во-первых, они изменили окружающую среду, поместив обитающих в песок ящериц то, с чем они никогда бы не столкнулись естественным образом: песок с воздухом, дующим через него. Они заметили, что короткотелые ящерицы с сильными ногами были вынуждены выкручиваться наружу в движении, известном как «наземное плавание». По сути, они смогли обмануть ящериц, чтобы они использовали змееподобную локомоцию для движения, что еще больше поддерживает существование спектра моделей передвижения.

Исследователи обнаружили, что, когда больший вес тела распределялся по животу, а не по конечностям, змеиное движение тела имело явное преимущество у ящериц там, даже для короткотелых с самыми сильными ногами.

Результаты исследователей позволили им сделать вывод, что эволюция действовала не только для удлинения тел или укорочения конечностей, но и для того, и другого — и очень скоординированным и функциональным образом.