Jak utknąć w nauce języków żab? Nasze badania nad lepkim, oślizgłym światem żab rozpoczęły się humorystycznym filmem przedstawiającym prawdziwą afrykańską żabę rzucającą się na fałszywe owady w grze mobilnej. Ta żaba była wyraźnie ekspertem w grach; szybkość i dokładność języka może rywalizować z kciukami nastolatków wysyłających SMS-y.
Dalsze badania na YouTube przyniosły niesamowite filmy z żabami jedzącymi myszy, ptasznikami, a nawet innymi żabami.
Wszechstronny język żaby może równie łatwo chwytać mokre, włochate i śliskie powierzchnie. Robi to znacznie lepiej niż nasze kleje techniczne - nawet taśmy domowe nie mogą mocno przykleić się do mokrych lub zakurzonych powierzchni. Tym, co czyni ten język jeszcze bardziej imponującym, jest jego szybkość: ponad 4000 gatunków żab i ropuch żeruje szybciej niż człowiek może mrugnąć.
Co sprawia, że język żaby jest wyjątkowo lepki? Nasza grupa chciała się dowiedzieć.
Wczesna współczesna uwaga naukowa dotycząca języków żab pojawiła się w 1849 roku, kiedy biolog August August Waller opublikował pierwsze udokumentowane badanie języka żaby na nerwach i brodawkach - mikrostruktur powierzchniowych znalezionych na języku. Waller był zafascynowany miękką, lepką naturą żabiego języka i czymś, co nazwał „szczególnymi zaletami języka żywej żaby… wyjątkowa elastyczność i przejrzystość tego narządu skłoniły mnie do poddania go mikroskopowi”.
Przewijamy do przodu o 165 lat, kiedy badacze biomechaniki Kleinteich i Gorb jako pierwsi zmierzyli siły języka u rogatej żaby Ceratophrys cranwelli . W 2014 r. Odkryli, że siły przyczepności żaby mogą osiągnąć nawet 1, 4-krotność masy ciała. Oznacza to, że lepki język żaby jest wystarczająco silny, aby podnieść prawie dwukrotnie swoją wagę. Postulowali, że język zachowuje się jak taśma klejąca lub samoprzylepny klej - trwale lepka powierzchnia, która przylega do podłoży pod lekkim naciskiem.
Żaby język trzyma szalkę Petriego tylko dzięki swojej lepkości. (Alexis Noel / Georgia Tech, CC BY-ND) Aby rozpocząć własne badania nad lepkimi językami żab, sfilmowaliśmy różne żaby i ropuchy jedzące owady za pomocą szybkiej wideografii. Odkryliśmy, że język żaby jest w stanie złapać owada w czasie poniżej 0, 07 sekundy, pięć razy szybciej niż mrugnięcie okiem człowieka. Ponadto przyspieszenie owadów w kierunku ujścia żaby podczas chwytania może osiągnąć 12-krotność przyspieszenia grawitacyjnego. Dla porównania, astronauci zwykle doświadczają około trzykrotnego przyspieszenia grawitacji podczas wystrzelenia rakiety.
Zaintrygowani, chcieliśmy zrozumieć, jak lepki język tak dobrze trzyma się ofiary przy dużych przyspieszeniach. Najpierw musieliśmy zebrać trochę żabich języków. Tutaj w Georgia Tech wyśledziliśmy klasę biologii na terenie kampusu, która regularnie używała żab północnych.
Plan był następujący: Szturchnij tkankę języka, aby określić miękkość, i zakręć śliną żaby między dwiema płytkami, aby określić lepkość. Miękkość i lepkość są powszechnymi wskaźnikami do porównywania, odpowiednio, materiałów stałych i płynnych. Miękkość opisuje deformację języka po przyłożeniu siły rozciągającej, a lepkość opisuje odporność śliny na ruch.
Określenie miękkości tkanki języka żaby nie było łatwym zadaniem. Musieliśmy stworzyć własne narzędzia do wcięć, ponieważ miękkość języka przekraczała możliwości tradycyjnych urządzeń do testowania materiałów w kampusie. Zdecydowaliśmy się użyć maszyny do wcięć, która szturcha materiały biologiczne i mierzy siły. Zależność siły od przemieszczenia może następnie opisać miękkość na podstawie kształtu główki wgłębienia, takiego jak cylinder lub kula.
Kiedy wgłębienie odrywa się od języka, przylega i rozciąga się. (Alexis Noel / Georgia Tech, CC BY-ND) Jednak typowe głowice do maszyn do wcięć mogą kosztować 500 USD lub więcej. Nie chcąc wydawać pieniędzy ani czekać na wysyłkę, postanowiliśmy zrobić własne kuliste wcięcia z kolczyków ze stali nierdzewnej. Po naszych testach stwierdziliśmy, że języki żaby są tak miękkie jak tkanka mózgowa i 10 razy bardziej miękkie niż ludzki język. Tak, w celu porównania przetestowaliśmy mózg i tkankę ludzkiego języka (sekcja zwłok) w laboratorium.
Podczas testowania właściwości śliny natrafiliśmy na problem: maszyna, która wirowałaby ślinę żabą, potrzebowała około jednej piątej łyżeczki płynu do przeprowadzenia testu. Brzmi mało, ale nie w kontekście zbierania śliny żaby. Płazy są wyjątkowe, ponieważ wydzielają ślinę przez gruczoły znajdujące się na ich języku. Pewnej nocy spędziliśmy kilka godzin na zeskrobaniu 15 martwych języków żaby, aby uzyskać próbkę śliny wystarczająco dużą na sprzęt do testowania.
Jak pozbyć się śliny z języka żaby? Łatwy. Najpierw wyciągasz język z ust. Po drugie, pocierasz język plastikowym prześcieradłem, aż powstanie (maleńka) globula śliny. Kulki tworzą się z powodu białek śluzu o długim łańcuchu, które istnieją w ślinie żaby, podobnie jak ślina ludzka; białka te plączą się jak makaron po zawirowaniu. Następnie szybko chwytasz globulkę za pomocą pincety i umieszczasz ją w szczelnym pojemniku, aby zmniejszyć parowanie.
Po testach z zaskoczeniem stwierdziliśmy, że ślina jest dwufazowym płynem lepkosprężystym. Dwie fazy zależą od szybkości ścinania śliny, gdy spoczywają między równoległymi płytkami. Przy niskich szybkościach ścinania ślina jest bardzo gęsta i lepka; przy wysokich szybkościach ścinania ślina żaby staje się rzadka i płynna. Jest to podobne do farby, którą łatwo rozprowadza się za pomocą pędzla, a jednak mocno przylega do ściany. Te dwie fazy nadają ślinie odwracalność w chwytaniu zdobyczy w celu przylgnięcia i wypuszczenia owada.
W jaki sposób tkanka miękka i dwufazowa ślina pomagają językowi żaby przylgnąć do owada? Przejdźmy przez scenariusz chwytania zdobyczy, który zaczyna się od żabiego języka oddalającego się od ust i uderzającego w owada.
Podczas tej fazy uderzenia język deformuje się i owija się wokół owada, zwiększając obszar kontaktu. Ślina staje się płynna, penetrując pęknięcia owadów. Gdy żaba wciąga język z powrotem do jamy ustnej, tkanka rozciąga się jak sprężyna, zmniejszając siły owada (podobnie jak sznur bungee zmniejsza siły na kostce). Ślina powraca do swojego gęstego, lepkiego stanu, utrzymując wysoką przyczepność do owada. Gdy owad znajdzie się w jamie ustnej, gałki oczne popychają owada w dół gardła, powodując, że ślina znów staje się rzadka i płynna.
Możliwe, że rozwikłanie tajemnic przyczepności żabich języków może mieć przyszłe zastosowania w takich rzeczach, jak szybkie mechanizmy klejowe do przenośników taśmowych lub mechanizmy szybkiego chwytania w miękkiej robotyce.
Co najważniejsze, praca ta zapewnia cenny wgląd w biologię i funkcje płazów - z których 40 procent ma katastrofalny spadek lub już wyginęło. Współpracując z organizacją ochrony The Amphibian Foundation, mieliśmy dostęp do żywych i zachowanych gatunków żab. Wyniki naszych badań pozwalają nam lepiej zrozumieć tę zagrożoną grupę. Wiedza zgromadzona na temat unikalnych funkcji gatunków żab i ropuch może pomóc w podjęciu decyzji o ochronie w celu zarządzania populacjami w dynamicznych i upadających ekosystemach.
Chociaż nie jest łatwo być zielonym, żaba może znaleźć ukojenie w tym, że jej język jest niesamowitym klejem.
Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w The Conversation. Przeczytaj oryginalny artykuł.
Alexis Noel jest doktorantką z biomechaniki w Georgia Institute of Technology
David Hu jest profesorem nadzwyczajnym inżynierii mechanicznej i biologii oraz adiunktem fizyki w Georgia Institute of Technology
