Snake Scale MicroStructures揭示了侧壁和滑动的秘密

响尾蛇导弹蛇

图为一条响尾蛇躺在一个充满沙子的竞技场里,研究人员曾在这里研究响尾蛇攀登沙质斜坡时的独特动作。Credit: Rob Felt, Georgia Tech

侧面穿着倾斜横跨沙漠沙子的迷人流动已经为几个世纪而陷入了迷人的生物学家,多年来一直在各种各样地研究,但蛇仍然有关蛇如何产生其独特运动的问题。Sidewinders是坑毒蛇,特别是响尾蛇,原产于美国西南部和毗邻墨西哥的沙漠。

科学家已经描述了腹侧或腹部表面上皮肤的微观结构。研究的许多蛇包括所有Viper种类,在减少前向方向上的摩擦方面被解释为“微蝇”(微米尺寸的突出尺寸的微米突起) - 在向前方向 - 爬行蛇和增加摩擦方向的方向上解释在向后方向减少滑动。

然而,从响尾蛇特有的运动方式来看,这些小针状体似乎不会以同样的方式发挥作用。但没有人研究过响尾蛇的微观结构,也没有人研究过少数几种不相关的非洲蝰蛇的微观结构。

研究人员使用从动物园的蛇收集的自然棚的皮肤使用原子力显微镜,以可视化和测量三种侧壁毒蛇以及许多其他Viper物种进行比较的这些刻度突起的微观结构。本周在期刊上发表的研究结果国家科学院的诉讼程序他发现,响尾蛇确实有一种独特的结构,与其他蛇不同。

来自响尾蛇的微结构

图象显示侧壁蛇中发现的比例微结构。结构与其他蛇的结构不同,研究人员认为这些差异允许侧壁在沙滩上的独特运动。信贷:Tai-de Li

这种微针状体在非洲蛇形物种中是没有的,而在北美响尾蛇中则退化为微小的小疙瘩。这三种蛇都有独特的类似火山口的微凹陷,产生了其他蛇所没有的独特纹理。

Daniel Goldman, Dunn Family Professor of Physics at the Georgia Institute of Technology, and Jennifer Rieser, working as a postdoctoral researcher in Goldman’s group and currently an assistant professor in the Department of Physics at Emory University, developed mathematical models to test how both the typical texture of rearward-directed microspicules and spicule-less cratered texture function as snakes interact with the ground. The models revealed that the microspicules would actually impede sidewinding, explaining their evolutionary loss in these species.

该模型还揭示了一个意想不到的结果,即微针状体的作用是提高蛇利用横向波动移动的性能。横向波动是大多数蛇类使用的一种典型的侧对侧运动方式。“这一发现为我们对这些结构功能的认识增加了一个新的维度,比之前的想法更加复杂,”亚特兰大动物园研究主任、佐治亚理工生物科学学院副教授约瑟夫·门德尔松(Joseph Mendelson)说。

响尾蛇的麻烦

图为墨西哥长枪头响尾蛇腹部鳞片的显微结构。这些结构与其他蛇类身上发现的不同。信贷:Tai-de Li

该模型表明微初刺起来像灯芯绒面料一样。“当你沿着皱纹的织物的长度与以前的工作符合褶皱的长度来说,摩擦力很低 - 但是当你在织物质地上移动手指时,沟槽会产生显着的摩擦力,”Goldman说。独特的陨石坑的功能仍然是一个谜。

这些结果对于开发未来几代机器人的机器人都很重要,这种机器人能够穿过挑战的表面,如松散的沙子。“了解如何以及为什么这种融合演进工程的例子可能允许我们为自己的需求进行调整,例如可以在充满挑战环境中移动的建筑机器人,”Rieser说。

门德尔松指出,从解剖学角度来看,这是非洲一对蛇类和北美一种远亲蛇类之间趋同进化的经典例子。加州大学河滨分校(University of California Riverside)的博士生杰西卡·汀格尔(Jessica Tingle)进行的生物地理重建表明,非洲蛇的进化年龄要比北美响尾蛇久远得多,这表明响尾蛇代表了适应响尾蛇的早期阶段。

Tai-de Li,然后在Elisa Riedo实验室的Georgia Tech,现在在纽约城市大学,做了AFM测量。

从进化生物学、生命系统物理学和数学建模等领域出发,该团队进行了一项研究,解释了蛇yabo124腹部这些微观结构的某些方面,以及它们是如何在蛇体内进化的。

作者写道:“我们的结果强调了一种综合方法如何能够提供结构-功能关系的定量预测,以及对生物系统的行为和进化适应的洞见。”

有关此研究的更多信息,请阅读Snakeskin的物理揭示了Sidewinder Snakes专业的侧壁运动

参考文献:Jennifer M. Rieser, Tai-De Li, Jessica L. Tingle, Daniel I. Goldman and Joseph R. Mendelson III, 2021年2月1日国家科学院的诉讼程序
DOI:10.1073 / PNAS.2018264118

这项研究得到了乔治亚理工学院伊丽莎白·史密斯加尔·沃茨基金的支持;国家科学基金生命系统物理项目PHY-1205878和PHY-1150760;和陆军研究办公室拨款W911NF-11-1-0514。本材料中表达的任何意见、发现、结论或建议都是作者的观点,不一定反映主办机构的观点。

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