Hvordan sidder man fast ved at studere frosketunger? Vores undersøgelse af den klæbrige, slimede verden af frøer begyndte alle med en humoristisk video af en ægte afrikansk tyrefægter, der lunger mod falske insekter i et mobilspil. Denne frø var helt klart en ekspert på spil; hastigheden og nøjagtigheden af dens tunge kunne konkurrere med tommelfingrene for sms-teenagere.
Yderligere YouTube-forskning gav fantastiske videoer af frøer, der spiser mus, taranteller og endda andre frøer.
Den alsidige frøetunge kan gribe våde, behårede og glatte overflader med lige lethed. Det klarer sig meget bedre end vores konstruerede klæbemidler - ikke engang husholdningsbånd kan klæbe fast på våde eller støvede overflader. Det, der gør denne tunge endnu mere imponerende, er dens hastighed: Over 4.000 arter af frø og padde knager bytte hurtigere, end et menneske kan blinke.
Hvad gør frosketungen så unikt klistret? Vores gruppe havde til formål at finde ud af det.
Tidlig moderne videnskabelig opmærksomhed på frøgtunger kom i 1849, da biolog Augustus Waller offentliggjorde den første dokumenterede frosketungestudie på nerver og papiller - overflademikrostrukturer fundet på tungen. Waller var fascineret af frøktungens bløde, klæbrige natur, og hvad han kaldte "de særlige fordele, som den levende frosks tunge havde ... den ekstreme elasticitet og gennemsigtighed i dette organ fik mig til at underkaste mig mikroskopet."
Hurtigt fremad 165 år, hvor biomekanikforskerne Kleinteich og Gorb var de første til at måle tungekræfter i den hornede frø Ceratophrys cranwelli . De fandt i 2014, at frøeforhæftningskræfter kan nå op til 1, 4 gange kropsvægten. Det betyder, at den klæbrige frosetunge er stærk nok til at løfte næsten to gange sin egen vægt. De antydede, at tungen fungerer som klæbrig tape eller et trykfølsomt klæbemiddel - en permanent klæbrig overflade, der klæber til underlag under let tryk.
Frøetunge holder en petriskål op lige med dens klæbrighed. (Alexis Noel / Georgia Tech, CC BY-ND) For at begynde vores egen undersøgelse af klæbrige frosketunger filmet vi forskellige frøer og padder, der spiste insekter ved hjælp af højhastighedsvideografi. Vi fandt, at frøens tunge er i stand til at fange et insekt på under 0, 07 sekunder, fem gange hurtigere end et menneskeligt øjen blink. Derudover kan insektacceleration mod frøens mund under fangst nå 12 gange tyngdekraften. Til sammenligning oplever astronauter normalt omkring tre gange tyngdekraften under en raket-opsætning.
Grundigt fascineret, ønskede vi at forstå, hvordan den klæbrige tunge holder så rødt på byttet ved høje accelerationer. Vi skulle først samle nogle frosketunger. Her hos Georgia Tech sporer vi en biologisk dissektionsklasse på campus, der regelmæssigt brugte nordlige leopardfrøer.
Planen var denne: Poke tungen væv for at bestemme blødhed, og drej frø spyt mellem to plader for at bestemme viskositet. Blødhed og viskositet er almindelige målinger til sammenligning af henholdsvis faste og flydende materialer. Blødhed beskriver deformation af tunge, når en strækningskraft påføres, og viskositet beskriver spytets modstand mod bevægelse.
At bestemme blødheden i frøetungevævet var ingen let opgave. Vi var nødt til at skabe vores egne indrykkningsværktøjer, da tungen blødhed var ud over kapaciteterne i det traditionelle materialetestudstyr på campus. Vi besluttede at bruge en indrykkningsmaskine, der pirker biologiske materialer og måler kræfter. Kraft-forskydningsforholdet kan derefter beskrive blødhed baseret på indrykkningshovedets form, såsom en cylinder eller kugle.
Når indrykkningshovedet trækker væk fra tungen, klæber det sig og strækker sig. (Alexis Noel / Georgia Tech, CC BY-ND) Typiske hoveder til indrykkingsmaskiner kan imidlertid koste $ 500 eller mere. Da vi ikke ville bruge pengene eller vente på forsendelse, besluttede vi at lave vores egne sfæriske og fladhovedet indrykkere af øreringe i rustfrit stål. Efter vores test fandt vi, at frosketunger er omtrent lige så bløde som hjernevæv og 10 gange blødere end den menneskelige tunge. Ja, vi testede hjerne- og humantungevæv (post mortem) i laboratoriet til sammenligning.
Til testning af spytegenskaber var vi i et problem: Maskinen, der ville spinde frøspyt, krævede cirka en femtedel af en teskefuld væske for at køre testen. Lyder lille, men ikke i sammenhæng med at indsamle frøspid. Amfibier er unikke, idet de udskiller spyt gennem kirtler placeret på deres tunge. Så en nat tilbragte vi et par timer på at skrabe 15 døde frøgtunger for at få en spytprøve, der var stor nok til testudstyret.
Hvordan får du spyt fra en frøetunge? Let. Først trækker du tungen ud af munden. For det andet gnider du tungen på et plastikark, indtil der dannes en (lille) spytkule. Kugler dannes på grund af de langkædede slimproteiner, der findes i frøen spyt, omtrent som menneskelig spyt; disse proteiner floker som pasta, når de hvirvlede rundt. Derefter griber du hurtigt kuglen ved hjælp af en pincet og placerer den i en lufttæt beholder for at reducere fordampningen.
Efter test blev vi overrasket over at opdage, at spytet er en to-fase viskoelastisk væske. De to faser afhænger af, hvor hurtigt spytet klippes, når man hviler mellem parallelle plader. Ved lave forskydningshastigheder er spytet meget tykt og tyktflydende; ved høje forskydningshastigheder bliver frøen spyt tynd og flydende. Dette svarer til maling, der let kan spredes med en pensel, men alligevel forbliver fast klæbet på væggen. Det er disse to faser, der giver spyt sin reversibilitet i byttedyr, til klæbning og frigørelse af et insekt.
Hvordan hjælper blødt væv og et tofaset spyt frøenes tunge klæber til et insekt? Lad os gå gennem et byttefangst-scenarie, der begynder med en frøetunge, der zoomer ud af munden og smækker ind i et insekt.
I denne slagfase deformeres og vikles tungen rundt om insektet, hvilket øger kontaktområdet. Spyt bliver flydende og trænger ind i insekt revner. Når frøen trækker sin tunge tilbage i munden, strækker vævet sig som en fjeder, hvilket reducerer kræfter på insektet (svarende til hvordan en bungee-snor reducerer kræfter på din ankel). Spytet vender tilbage til sin tykke, viskøse tilstand og opretholder et højt greb på insektet. Når insektet er inde i munden, skubber øjenbollerne insektet ned ad halsen, hvilket får spyt til at blive tyndt og flydende.
Det er muligt, at frigørelse af frøgtunges vedhæftningshemmeligheder kan have fremtidige anvendelser til ting som klæbemekanismer til højhastighedstog til transportbånd eller hurtige gribemekanismer i blød robotik.
Det vigtigste er, at dette arbejde giver værdifuld indsigt i paddernes biologi og funktion - hvoraf 40 procent er i katastrofal tilbagegang eller allerede er udryddet. I samarbejde med konserveringsorganisationen Amphibian Foundation havde vi adgang til levende og konserverede frøarter. Resultaterne af vores forskning giver os en større forståelse af denne umyndige gruppe. Den viden, der samles om unikke funktioner fra frø- og paddearter, kan informere om bevarelsesbeslutninger til styring af populationer i dynamiske og faldende økosystemer.
Selvom det ikke er let at være grøn, kan en frø muligvis finde trøst i, at dens tunge er et fantastisk klæbemiddel.
Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.
Alexis Noel er ph.d.-studerende i biomekanik ved Georgia Institute of Technology
David Hu er lektor i maskinteknik og biologi og adjunkt lektor i fysik ved Georgia Institute of Technology
