Как застрял в изучении лягушачьих языков? Наше исследование липкого, липкого мира лягушек началось с юмористического видео о настоящей африканской лягушке-быке, нападающей на поддельных насекомых в мобильной игре. Эта лягушка явно была экспертом в играх; скорость и точность его языка могли конкурировать с большими пальцами текстовых сообщений подростков.
Дальнейшие исследования YouTube позволили получить удивительные видеоролики о лягушках, поедающих мышей, тарантулов и даже других лягушек.
Универсальный язычок лягушки может с одинаковой легкостью захватывать влажные, волосатые и скользкие поверхности. Он работает намного лучше, чем наши специальные клеи - даже бытовые ленты не могут прочно прилипать к мокрым или пыльным поверхностям. Что делает этот язык еще более впечатляющим, так это его скорость: более 4000 видов лягушек и жаб охотятся быстрее, чем человек может моргнуть.
Что делает язык лягушки таким уникально липким? Наша группа стремилась выяснить.
Раннее современное научное внимание к языкам лягушек появилось в 1849 году, когда биолог Август Уоллер опубликовал первое документированное исследование языка лягушек на нервах и сосочках - поверхностных микроструктурах, обнаруженных на языке. Уоллер был очарован мягкой, липкой природой языка лягушки и тем, что он назвал «особыми преимуществами, которыми обладает язык живой лягушки… чрезвычайная эластичность и прозрачность этого органа побудили меня представить его в микроскоп».
Забегая вперед, 165 лет назад, когда исследователи биомеханики Кляйнтих и Горб первыми измерили силы языка у рогатой лягушки Ceratophrys cranwelli . В 2014 году они обнаружили, что сила адгезии лягушки может в 1, 4 раза превышать массу тела. Это означает, что липкий язык лягушки достаточно силен, чтобы поднять почти вдвое собственный вес. Они постулировали, что язык действует как липкая лента или чувствительный к давлению адгезив - постоянно липкая поверхность, которая прилегает к подложкам при небольшом давлении.
Лягушачий язык держит чашку Петри с ее липкостью. (Алексис Ноэль / Georgia Tech, CC BY-ND) Чтобы начать собственное изучение липких лягушачьих языков, мы снимали различных лягушек и жаб, поедающих насекомых, используя высокоскоростную видеографию. Мы обнаружили, что язык лягушки способен поймать насекомое менее чем за 0, 07 секунды, что в пять раз быстрее, чем мигает человеческий глаз. Кроме того, ускорение насекомых к пасти лягушки во время захвата может в 12 раз превышать ускорение силы тяжести. Для сравнения, астронавты обычно испытывают примерно в три раза ускорение силы тяжести во время запуска ракеты.
Тщательно заинтригованный, мы хотели понять, как липкий язык так хорошо удерживает добычу при высоких ускорениях. Сначала мы должны были собрать языки лягушки. Здесь, в Технологии Джорджии, мы разыскали класс по изучению биологии на территории кампуса, который регулярно использовал лягушек северного леопарда.
План заключался в следующем: тыкать языком ткани, чтобы определить мягкость, и вращать слюну лягушки между двумя пластинами, чтобы определить вязкость. Мягкость и вязкость являются общими показателями для сравнения твердых и текучих материалов, соответственно. Мягкость описывает деформацию языка при приложении растягивающей силы, а вязкость описывает сопротивление слюны к движению.
Определение мягкости ткани языка лягушки было нелегкой задачей. Нам пришлось создавать наши собственные инструменты для вдавливания, поскольку мягкость языка была за пределами возможностей традиционного оборудования для испытаний материалов в кампусе. Мы решили использовать машину для вдавливания, которая обрабатывает биологические материалы и измеряет силы. Соотношение сила-смещение может затем описывать мягкость на основе формы головки вдавливания, такой как цилиндр или сфера.
Когда индентирующая головка отрывается от языка, она прилипает и растягивается. (Алексис Ноэль / Georgia Tech, CC BY-ND) Тем не менее, типичные головки для машин для вдавливания могут стоить 500 долларов или больше. Не желая тратить деньги или ждать на доставку, мы решили изготовить собственные сферические и плоские головки из сережек из нержавеющей стали. После наших тестов мы обнаружили, что лягушачьи языки примерно такие же мягкие, как ткани мозга, и в 10 раз мягче человеческого языка. Да, мы проверили ткани мозга и языка человека (после смерти) в лаборатории для сравнения.
При тестировании свойств слюны мы столкнулись с проблемой: машине, которая будет вращать слюну лягушки, требовалось около одной пятой чайной ложки жидкости для проведения теста. Звучит мало, но не в контексте сбора лягушки плевка. Амфибии уникальны тем, что выделяют слюну через железы, расположенные на их языке. Итак, однажды ночью мы потратили несколько часов, соскребая 15 мертвых языков лягушек, чтобы получить образец слюны, достаточно большой для испытательного оборудования.
Как вы получаете слюну от языка лягушки? Легко. Сначала вы вытаскиваете язык изо рта. Во-вторых, вы тереть язык на пластиковом листе, пока не сформируется (крошечная) капля слюны. Глобулы образуются из-за длинноцепочечных слизистых белков, которые существуют в слюне лягушки, очень похоже на слюну человека; эти белки клубятся, как макароны, когда закручены. Затем вы быстро захватываете шарик с помощью пинцета и помещаете его в герметичный контейнер, чтобы уменьшить испарение.
После испытаний мы с удивлением обнаружили, что слюна представляет собой двухфазную вязкоупругую жидкость. Две фазы зависят от того, насколько быстро слюна срезается, когда она лежит между параллельными пластинами. При низких скоростях сдвига слюна очень густая и вязкая; при высоких скоростях сдвига слюна лягушки становится жидкой и жидкой. Это похоже на краску, которая легко наносится кистью, но остается прочно приклеенной к стене. Именно эти две фазы придают слюне обратимость при захвате добычи, для прилипания и высвобождения насекомого.
Как мягкие ткани и двухфазная слюна помогают языку лягушки прилипать к насекомому? Давайте пройдемся по сценарию захвата добычи, который начинается с того, что язык лягушки вылезает изо рта и врезается в насекомое.
Во время этой фазы воздействия язык деформируется и оборачивается вокруг насекомого, увеличивая площадь контакта. Слюна становится жидкой, проникая в трещины насекомых. Когда лягушка втягивает свой язык обратно в рот, ткань растягивается как пружина, уменьшая усилия на насекомое (подобно тому, как шнур банджи-джунгли уменьшает усилия на лодыжке). Слюна возвращается в свое густое, вязкое состояние, сохраняя сильное сцепление с насекомым. Как только насекомое попадает внутрь рта, глазные яблоки толкают насекомое в горло, в результате чего слюна снова становится жидкой и жидкой.
Вполне возможно, что распутывание секретов адгезии лягушачьих языков может найти применение в будущем для таких вещей, как высокоскоростные клеящие механизмы для конвейерных лент или быстрые механизмы захвата в мягкой робототехнике.
Самое главное, что эта работа дает ценную информацию о биологии и функциях амфибий - 40 процентов из которых находятся в катастрофическом упадке или уже вымерли. Работая с природоохранной организацией The Amphibian Foundation, мы получили доступ к живым и сохранившимся видам лягушек. Результаты нашего исследования дают нам лучшее понимание этой подвергаемой опасности группы. Знания, собранные об уникальных функциях видов лягушек и жаб, могут помочь в принятии решений по сохранению для управления популяциями в динамичных и убывающих экосистемах.
В то время как быть зеленым нелегко, лягушка может чувствовать себя комфортно в том, что ее язык - один удивительный клей.
Эта статья была первоначально опубликована на разговор. Прочитайте оригинальную статью.
Алексис Ноэль - аспирант по биомеханике в Технологическом институте Джорджии
Дэвид Ху - доцент кафедры машиностроения и биологии и адъюнкт-профессор физики в Технологическом институте Джорджии
