Biophysik

Das Schlängeln der Schlangen

Von Markus Breidenich

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Eine Boa constrictor. Mittlere Körperlänge: 60 cm

18. Juni 2009 Nahezu lautlos gleiten viele Schlangenarten dank der wellenförmigen Bewegung ihres Körpers über den Boden. So leicht und elegant diese Form der Fortbewegung auch wirkt, Wissenschaftlern bereitet sie seit langem Kopfzerbrechen. Dass die Tiere auf rauhen Oberflächen vorankommen, ist noch verständlich, denn hier können sich die Reptilien an Steinen, Pflanzen und anderen Unebenheiten abdrücken. Wie aber können sich Schlangen auf glatteren Oberflächen - etwa auf Stoff - rasch vorwärtsbewegen? Forscher des Georgia Institute of Technology in Atlanta und der New York University sind dieser Frage nachgegangen und haben dabei die besondere Rolle der Bauchschuppen aufgedeckt.

Auf der schiefen Ebene

Seit längerem wird vermutet, dass für das rasche Vorankommen der Schlangen die Reibungskräfte verantwortlich sind, die während des Gleitens über den Untergrund an den Schuppen auftreten. Die Forscher um David Hu und Michael Shelley haben die These an jungen Puebla-Milchschlangen überprüft, die sie betäubten und bäuchlings auf eine mit Stoff überzogene geneigte Fläche legten. Die Wissenschaftler vergrößerten anschließend die Schräge der Unterlage, bis die rund 35 Zentimeter und 15 Gramm schweren Tiere ins Rutschen gerieten.

Auf einer spiegelglatten Fläche fehlt die Reibung. Hier eine Kornnatter, deren ungefähre Körperlänge 40 cm beträgt.

Aus dem Winkel, bei dem dies geschah, ermittelten sie den Reibungswiderstand, und zwar für neun verschiedene Ausgangspositionen der Schlangen. Hu und seine Kollegen fanden heraus, dass die größte Reibungskraft auftrat, wenn die Schlange quer zur Neigungsrichtung auf der Platte lag. Dabei spielte es keine Rolle, ob die rechte oder linke Körperseite in Abwärtsrichtung zeigte. Glitt die Schlange dagegen in Längsrichtung mit dem Schwanz voran, fiel der Reibungswiderstand geringer aus. Am kleinsten war er, wenn die Schlange vorwärts, also mit dem Kopf voran, nach unten rutschte.

Kein Vorankommen auf Glas

Verwendeten die Forscher statt der Stoffplatte einen glatten Untergrund, machte es keinen Unterschied, in welcher Lage die Schlange hinunterrutschte. Offenkundig waren hier die Reibungskräfte in allen Richtungen gleich groß. Das erklärt nach Ansicht der Forscher, warum die Reptilien auf äußerst glattem Untergrund - auf Glas zum Beispiel - so gut wie nicht vorankommen.

Durch Gelatine schlängeln im Gegenlicht: Die hellen Stellen zeigen größere Krafteinwirkung

Jeder Versuch, sich bei der Schlangenbewegung vom Boden abzudrücken, wird von einer entgegengerichteten, gleich großen Reibungskraft gebremst und misslingt daher. Diesen Mechanismus konnten die Forscher anhand von Videoaufnahmen an lebenden, nicht betäubten Schlangen auf einer fest montierten Glasplatte beobachten. Bestand der Untergrund dagegen aus Stoff, bewegten sich die Tiere in ihrer typischen wellenförmigen Bewegung mit fast konstantem Tempo vorwärts.

Die Bauchschuppen machen's möglich

Offenbar ist es von Bedeutung, dass auf rauherem Untergrund wie Stoff die Reibung an den Bauchschuppen beim Vorwärtsgleiten geringer ist als in Rück- und Seitwärtsrichtung. Zum besseren Verständnis dieses Mechanismus zogen die Forscher Computerberechnungen zu Rate. Hu und seine Kollegen nahmen vereinfachend an, dass sich die Bewegung des Schlangenkörpers als wandernde Welle darstellen lässt. Die Wellenlänge entspricht dabei der Körperlänge der Schlange. Die Welle pflanzt sich ausgehend vom Kopf zum Schwanz fort. Die Forscher untersuchten nun die Reibungskräfte entlang des gekrümmten Schlangenkörpers.

Wie sie in den "Proceedings" der amerikanischen Nationalen Akademie der Wissenschaften (doi: 10.1073/pnas. 0812533106) schreiben, bestätigten sich die experimentellen Befunde: Da die Reibung an denjenigen Stellen entlang der Welle am größten ist, wo sich die Schlange nach hinten vom Boden abdrückte, bekommt der restliche Schlangenkörper einen Schub nach vorn. Und da in Vorwärtsrichtung - wie die Experimente an der schiefen Ebene gezeigt hatten - die Reibung geringer ausfällt, überwiegt der Schub den Reibungswiderstand, und die Schlange kommt voran.

Dass sich die virtuellen Reptilien des Computermodells langsamer fortbewegten als ihre lebenden Vorbilder, erklären die Forscher mit einer zusätzlichen Fertigkeit der Schlangen. Auf den Videoaufnahmen war zu erkennen, dass während der Fortbewegung nicht alle Stellen des Schlangenkörpers gleichmäßig auf dem Untergrund auflagen. Dort, wo sich der Körper anhob, verringerte sich die Gewichtskraft auf den Untergrund - und somit auch die Reibung. Davon profitierten jene Stellen auf der Bauchseite, die gerade keine Kraft auf den Boden übertrugen, wodurch die Schlangen insgesamt schneller vorankamen.

Text: F.A.Z.
Bildmaterial: Grace Pryor and David Hu/New York University

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