Hvordan blir man sittende og studerer frosketunger? Studien vår i den klissete, slimete verdenen av frosker begynte alle med en humoristisk video av en ekte afrikansk oksefisk som lunger mot falske insekter i et mobilspill. Denne frosken var tydelig en ekspert på spill; hastigheten og nøyaktigheten på tungen kan konkurrere med tommelen for smsende tenåringer.
Ytterligere YouTube-forskning ga fantastiske videoer av frosker som spiste mus, tarantler og til og med andre frosker.
Den allsidige frosketungen kan gripe våte, hårete og glatte overflater med like letthet. Det gjør det mye bedre enn våre konstruerte lim - ikke engang husholdningsbånd kan feste seg fast på våte eller støvete overflater. Det som gjør denne tungen enda mer imponerende, er dens hastighet: Over 4000 arter av frosk og padde knagger byttedyr raskere enn et menneske kan blinke.
Hva gjør frosketungen så unikt klissete? Vår gruppe hadde som mål å finne ut av det.
Tidlig moderne vitenskapelig oppmerksomhet mot frosketunger kom i 1849, da biologen Augustus Waller publiserte den første dokumenterte frosketungestudien på nerver og papiller - overflatemikrostrukturene som ble funnet på tungen. Waller var fascinert av den myke, klissete naturen til frosketangen, og det han kalte “de særegne fordelene som den levende froskens tunge hadde ... den ekstreme elastisiteten og åpenheten i dette orgelet fikk meg til å sende den til mikroskopet.”
Hurtigspolert 165 år, da biomekaniske forskere Kleinteich og Gorb var de første til å måle tungekrefter i den hornede frosken Ceratophrys cranwelli . De fant i 2014 at froskeheftekrefter kan komme opptil 1, 4 ganger kroppsvekten. Det betyr at den klissete frosketangen er sterk nok til å løfte nesten det dobbelte av sin egen vekt. De antydet at tungen fungerer som klebrig tape eller et trykkfølsomt klebemiddel - en permanent klebrig overflate som fester seg til underlag under lett trykk.
Frosketunge som holder opp en petriskål bare med klistret. (Alexis Noel / Georgia Tech, CC BY-ND) For å begynne vår egen studie på klissete frosketunger, filmet vi forskjellige frosker og padder som spiste insekter ved bruk av høyhastighetsvideografi. Vi fant at froskens tunge er i stand til å fange et insekt på under 0, 07 sekunder, fem ganger raskere enn et menneskelig øye blink. I tillegg kan insektakselerasjon mot froskens munn under fangst nå 12 ganger tyngdekrakselen. Til sammenligning opplever astronauter normalt tre ganger tyngdekrakselen under en rakettoppskytning.
Grundig fascinert, ønsket vi å forstå hvordan den klebrig tungen holder fast ved byttet så godt ved høye akselerasjoner. Vi måtte først samle noen frosketunger. Her på Georgia Tech fant vi opp en biologisk disseksjonsklasse på campus, som brukte nordlige leopardfrosker regelmessig.
Planen var denne: Stikke tungevevet for å bestemme mykhet, og snur froskespytt mellom to plater for å bestemme viskositeten. Mykhet og viskositet er vanlige beregninger for å sammenligne henholdsvis faste og flytende materialer. Mykhet beskriver deformasjon av tungen når en strekkraft påføres, og viskositet beskriver spyttens motstand mot bevegelse.
Å bestemme mykheten i frosketungevev var ingen lett oppgave. Vi måtte lage våre egne innrykkverktøy siden tungemykheten var utenfor mulighetene til det tradisjonelle materialtestingutstyret på campus. Vi bestemte oss for å bruke en innrykksmaskin, som pirker biologiske materialer og måler krefter. Kraft-forskyvningsforholdet kan da beskrive mykhet basert på innrykkhodeformen, for eksempel en sylinder eller kule.
Når innrykkhodet trekker seg bort fra tungen, kleber det og strekker seg. (Alexis Noel / Georgia Tech, CC BY-ND) Typiske hoder for innrykkingsmaskiner kan imidlertid koste $ 500 eller mer. Ikke ønsker å bruke pengene eller vente på frakt, bestemte vi oss for å lage våre egne sfæriske og flatehodet innrykk fra øreringer i rustfritt stål. Etter testene våre fant vi at frosketungene er omtrent like myke som hjernevevet og 10 ganger mykere enn den menneskelige tungen. Ja, vi testet hjerne- og menneskelig tungevev (post mortem) i laboratoriet for sammenligning.
For å teste spyttegenskaper fikk vi et problem: Maskinen som ville spinne froskespytt krevde omtrent en femtedel av en teskje væske for å utføre testen. Høres lite ut, men ikke i sammenheng med å samle froskespett. Amfibier er unike ved at de skiller ut spytt gjennom kjertler som ligger på tungen. Så en natt brukte vi noen timer på å skrape 15 døde frosketunger for å få en spyttprøve stor nok til testutstyret.
Hvordan får du spytt fra en frosketunge? Lett. Først drar du tungen ut av munnen. For det andre gnir du tungen på et plastark til det dannes en (bitteliten) spyttkule. Globules dannes på grunn av de langkjedede slimproteinene som finnes i froskespytten, omtrent som menneskelig spytt; disse proteinene floker som pasta når de virvles. Så tar du raskt i kulen med en pinsett og legger den i en lufttett beholder for å redusere fordampingen.
Etter testing ble vi overrasket over å finne ut at spytten er en to-fase viskoelastisk væske. De to fasene er avhengig av hvor raskt spytten skjæres når man hviler mellom parallelle plater. Ved lave skjærhastigheter er spyttet veldig tykt og tyktflytende; ved høye skjærhastigheter blir froskespyttet tynt og flytende. Dette ligner på maling, som lett spres med en børste, men likevel forblir godt festet på veggen. Det er disse to fasene som gir spyttet dens reversibilitet ved byttedyr, for å feste og frigjøre et insekt.
Hvordan hjelper bløtvev og et tofase spytt frosketungen å holde seg til et insekt? La oss gå gjennom et byttefangstscenario, som begynner med en frosketunge som zoomer ut av munnen og smeller inn i et insekt.
I denne påvirkningsfasen deformeres tungen og vikles rundt insektet, og øker kontaktområdet. Spyttet blir flytende og trenger inn i insektsprekkene. Når frosken trekker tungen tilbake i munnen, strekker vevet seg som en fjær, noe som reduserer kreftene på insektet (ligner på hvordan en strikkesnor reduserer kreftene i ankelen). Spytten går tilbake til sin tykke, tyktflytende tilstand, og opprettholder høyt grep på insektet. Når insektet er inne i munnen, skyver øyebollene insektet nedover halsen, og får spytten til å bli tynn og flytende.
Det er mulig at løsriving av frosketunges heftighetshemmeligheter kan ha fremtidige bruksområder for ting som høyhastighets klebemekanismer for transportbånd, eller raske gripemekanismer innen myk robotikk.
Det viktigste er at dette arbeidet gir verdifull innsikt i amfibienes biologi og funksjon - hvorav 40 prosent er i katastrofal tilbakegang eller allerede er utryddet. I samarbeid med bevaringsorganisasjonen Amfibian Foundation hadde vi tilgang til levende og bevart froskearter. Resultatene fra forskningen gir oss en bedre forståelse av denne imperiliserte gruppen. Kunnskapen samlet om unike funksjoner fra froske- og paddearter kan informere om bevaringsvedtak for å forvalte bestander i dynamiske og synkende økosystemer.
Selv om det ikke er lett å være grønn, kan en frosk finne trøst i det faktum at tungen er et fantastisk lim.
Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på The Conversation. Les den opprinnelige artikkelen.
Alexis Noel er doktorgradsstudent i biomekanikk ved Georgia Institute of Technology
David Hu er førsteamanuensis i maskinteknikk og biologi og adjunkt førsteamanuensis i fysikk ved Georgia Institute of Technology
