蛇鳞的微结构揭示了侧绕和抛石的秘密

研究人员用来了解他们用来攀爬沙质斜坡的独特运动时，在充满沙子的舞台上展示了​​一条响尾蛇。

倾斜地横穿沙漠沙的令人着迷的绕流器吸引了生物学家几个世纪，多年来进行了各种各样的研究，但是关于蛇如何产生其独特运动的问题仍然存在。响尾蛇是坑蛇，特别是响尾蛇，原产于美国西南部和墨西哥附近的沙漠。

科学家已经描述了蛇腹面或腹部表面皮肤的微观结构。研究的许多蛇，包括所有蛇蝎，都具有独特的向后“微粒”（鳞片上的微米大小的突起），其解释是在减小向前方向（即爬行的蛇的方向）并增加摩擦的情况下进行的。向后移动以减少打滑。

但是，从旁观者特殊运动方式的角度考虑，这些微针似乎无法以相同的方式发挥作用。但是，没有人检查过绕线机的微观结构，也没有人审查过也绕开的少数无关的非洲毒蛇。

研究人员利用从动物园的蛇中采集的天然脱落的皮肤，使用原子力显微镜对三种响尾蛇毒蛇以及许多其他毒蛇蛇种的鳞片突起进行可视化和测量，以进行比较。这项研究的结果发表在本周的《美国科学院院刊》上，结果发现，绕线者的确具有与其他蛇不同的独特结构。

该图显示了在响尾蛇上发现的鳞片微观结构。这些结构与其他蛇的结构不同，研究人员认为，这些差异可以使响尾蛇在沙子上的运动独特。

在非洲侧species物种中不存在细小斑点，而在北美侧wind中则减少为微小的核仁。所有这三条蛇还具有与众不同的陨石坑状凹陷，产生了其他蛇所没有的独特质感。

佐治亚理工学院邓恩家庭物理学教授丹尼尔·高德曼（Daniel Goldman）和珍妮弗·里瑟（Jennifer Rieser），曾在高盛研究小组担任博士后研究员，目前是埃默里大学物理系的助理教授，他们开发了数学模型来测试这两种模型的典型特征。蛇与地面互动时，向后的微刺的纹理和无针尖的坑状纹理起作用。这些模型表明，这些微斑点实际上会阻碍回旋，从而解释了它们在这些物种中的进化损失。

这些模型还揭示了出乎意料的结果，即微突起到了改善使用侧向起伏运动的蛇的性能的作用。横向起伏是大多数蛇类使用的典型的左右模式运动。“这项发现使我们对这些结构的功能性有了新的认识，比以前的想法更加复杂，”亚特兰大动物园研究主任，乔治亚理工学院生物科学副教授约瑟夫·门德尔森说。

该图显示了在墨西哥长矛头响尾蛇上发现的腹部鳞片的微观结构。其结构与其他蛇上发现的结构不同。

这些模型表明，微斑点的作用有点像灯芯绒织物。高德曼说：“当手指沿着有皱纹的织物的长度滑动时，摩擦力很低，这与以前的工作一致。但是，当手指沿织物的纹理横向移动时，皱纹会产生很大的摩擦力。”不同的陨石坑的功能仍然是个谜。

这些发现对于未来能够在松散的沙子等具有挑战性的表面上移动的机器人的发展可能具有重要意义。Rieser说：“了解融合进化示例的工作方式和原因，可能使我们能够适应自己的需求，例如构建可以在具有挑战性的环境中移动的机器人。”

孟德尔森指出，就解剖学而言，这是非洲一对蛇与北美一个远缘蛇之间趋同进化的经典例子。加利福尼亚大学河滨分校的博士生杰西卡·廷格（Jessica Tingle）进行的生物地理重建表明，非洲蛇在进化上比北美响尾蛇长得多，这表明响尾蛇代表了适应响尾蛇的早期阶段。

李泰德，当时在佐治亚理工学院的Elisa Riedo教授实验室，现在在纽约城市大学，进行了AFM测量。

该团队从进化生物学，生命系统物理学和数学建模领域汲取了经验，进行了一项研究，解释了蛇腹上的这些微结构的作用以及它们如何在蛇中进化的某些方面。

这组作者写道：“我们的研究结果突显了一种整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中行为和进化适应的见解。”

有关此研究的更多信息，请阅读有关响尾蛇的特殊响尾蛇运动的《蛇皮棚架光的物理学》。

参考：Jennifer M. Rieser，Tai-De Li，Jessica L. Tingle，Daniel I. Goldman和Joseph R.Mendelson III的“收敛演化的微观皮肤特征对蛇的运动的功能后果”，2021年2月1日，美国国家科学院学报科学.DOI：
10.1073 / pnas.2018264118

这项研究得到了佐治亚理工学院的伊丽莎白·史密斯考特·瓦茨基金的资助美国国家科学基金会生命系统物理研究基金PHY-1205878和PHY-1150760；和陆军研究办公室Grant W911NF-11-1-0514。本材料中表达的任何观点，发现，结论或建议均为作者的观点，不一定反映赞助机构的观点。