jak się utknąć w nauce języka żaby? Nasze badania nad lepkim, oślizgłym światem żab rozpoczęły się od humorystycznego filmu przedstawiającego prawdziwego afrykańskiego żabę rzucającego się na fałszywe owady w grze mobilnej. Ta żaba była oczywiście ekspertem w grach; szybkość i dokładność jej języka mogła konkurować z kciukami SMS-owych nastolatków.

< br>
żaba, która była genezą badań nad językiem autorów.

dalsze badania na YouTube przyniosły niesamowite filmy z żabami jedzącymi myszy, tarantule, a nawet inne żaby.

wszechstronny Żabi język może z równą łatwością chwytać mokre, owłosione i śliskie powierzchnie. Działa o wiele lepiej niż nasze kleje techniczne – nawet taśmy domowe nie są w stanie mocno przyklejać się do mokrych lub zakurzonych powierzchni. To, co czyni ten język jeszcze bardziej imponującym, to jego szybkość: ponad 4000 gatunków żab i ropuch zaczepia ofiary szybciej, niż człowiek może mrugnąć. Co sprawia, że Żabi język jest tak wyjątkowo lepki? Nasza grupa chciała się dowiedzieć.

Baseline Frog tongue knowledge

wczesna współczesna naukowa uwaga na języki żab pojawiła się w 1849 roku, kiedy Biolog Augustus Waller opublikował pierwsze udokumentowane badanie języka żaby na nerwach i brodawkach – powierzchniowych mikrostrukturach znajdujących się na języku. Waller był zafascynowany miękką, lepką naturą Żabiego języka i tym, co nazwał:

„szczególne zalety języka żywej żaby…ekstremalna elastyczność i przezroczystość tego organu skłoniły mnie do poddania go mikroskopowi.”

przewiń do przodu o 165 lat, kiedy to badacze biomechaniki Kleinteich i Gorb jako pierwsi zmierzyli siły języka u rogatego żaby Ceratophrys cranwelli. W 2014 roku odkryli, że siły adhezyjne żab mogą osiągać nawet 1,4-krotność masy ciała. Oznacza to, że lepki język żaby jest wystarczająco silny, aby podnieść prawie dwa razy większą wagę. Postulowali, że język działa jak taśma klejąca lub samoprzylepny klej-trwale lepka powierzchnia, która przylega do podłoża pod lekkim naciskiem.

Obraz 20170131 3244 7r5phb
Żabi język trzyma szalkę Petriego tylko swoją lepkością.
kredyt: Alexis Noel / Georgia Tech, CC BY-ND

aby rozpocząć nasze własne badania nad lepkimi językami żab, sfilmowaliśmy różne żaby i ropuchy jedzące owady przy użyciu szybkiej wideografii. Okazało się, że język żaby jest w stanie uchwycić owada w czasie poniżej 0,07 sekundy, pięć razy szybciej niż mrugnięcie ludzkim okiem. Ponadto przyspieszenie owadów w kierunku pyska żaby podczas chwytania może osiągnąć 12-krotne przyspieszenie grawitacyjne. Dla porównania, astronauci zwykle doświadczają około trzykrotnego przyspieszenia grawitacyjnego podczas startu rakiety.

przechodząc do testów materiałów

dokładnie zaintrygowani, chcieliśmy zrozumieć, jak lepki język trzyma się ofiary tak dobrze przy dużych przyspieszeniach. Najpierw musieliśmy zebrać żabie języki. Tutaj w Georgia Tech, namierzyliśmy na terenie kampusu klasę sekcji biologii, która regularnie używała żab lampartów północnych.

plan był taki: Szturchnij tkankę języka, aby określić miękkość, i zakręć ślinę żaby między dwiema płytkami, aby określić lepkość. Miękkość i lepkość są częstymi wskaźnikami porównującymi odpowiednio materiały stałe i płynne. Miękkość opisuje deformację języka, gdy przyłożona jest siła rozciągająca, a lepkość opisuje odporność śliny na ruch.

Obraz 20170131 3269 v89zmh
gdy głowica wcięcia odrywa się od języka, przylega i rozciąga.
kredyt: Alexis Noel / Georgia Tech, CC BY-ND

określenie miękkości tkanki Żabiego języka nie było łatwym zadaniem. Musieliśmy stworzyć własne narzędzia do wcięć, ponieważ miękkość języka była poza możliwościami tradycyjnego sprzętu do testowania materiałów na terenie kampusu. Zdecydowaliśmy się użyć maszyny wcinającej, która szturcha materiały biologiczne i mierzy siły. Relacja Siła-przemieszczenie może następnie opisywać miękkość w oparciu o kształt głowicy wcięcia, taki jak cylinder lub kula.

jednak typowe głowice do wcięć mogą kosztować 500 USD lub więcej. Nie chcąc wydawać pieniędzy ani czekać na wysyłkę, postanowiliśmy zrobić własne kuliste i płaskie wgłębienia z kolczyków ze stali nierdzewnej. Po naszych testach okazało się, że języki żab są tak miękkie jak tkanka mózgowa i 10 razy bardziej miękkie niż ludzki język. Tak, testowaliśmy mózg i ludzką tkankę języka (post mortem) w laboratorium dla porównania.

do badania właściwości śliny napotkaliśmy problem: maszyna, która obracała ślinę żaby, potrzebowała około jednej piątej łyżeczki płynu do przeprowadzenia testu. Brzmi mało, ale nie w kontekście zbierania Żabiej śliny. Płazy są wyjątkowe, ponieważ wydzielają ślinę przez gruczoły znajdujące się na ich języku. Więc, pewnej nocy spędziliśmy kilka godzin na skrobaniu 15 martwych żab, żeby pobrać próbkę śliny wystarczająco dużą, by zmieścić sprzęt badawczy.

jak ściągnąć ślinę z Żabiego języka? Spokojnie. Najpierw wyciągasz język z ust. Po drugie, pocierasz język na plastikowym arkuszu, aż utworzy się (mała) globulka śliny. Globulki tworzą się dzięki długołańcuchowym białkom śluzu, które występują w ślinie żaby, podobnie jak ludzka ślina; białka te splątują się jak makaron po zawirowaniu. Następnie szybko chwytasz kulkę za pomocą pęsety i umieszczasz ją w hermetycznym pojemniku, aby zmniejszyć parowanie.

po testach byliśmy zaskoczeni, że ślina jest dwufazowym płynem wiskoelastycznym. Te dwie fazy zależą od tego, jak szybko ślina jest ścinana, podczas odpoczynku między równoległymi płytkami. Przy niskich szybkościach ścinania ślina jest bardzo gruba i lepka; przy wysokich szybkościach ścinania ślina żaby staje się cienka i płynna. Jest to podobne do farby, która jest łatwo rozprowadzana za pomocą pędzla, ale pozostaje mocno przyklejona do ściany. Jego te dwie fazy, które dają śliny jego odwracalność w zdobyczy, do przylegania i uwalniania owada.

< br>
południowoamerykańska żaba rogata demonstruje przechwytywanie krykieta w tym filmie w zwolnionym tempie.

łapać świerszcza

w jaki sposób tkanka miękka i dwufazowa ślina pomagają żabiemu językowi przyklejać się do owada? Przejdźmy przez scenariusz łapania zdobyczy, który zaczyna się od powiększenia języka żaby i uderzenia w owada.

podczas tej fazy uderzenia język deformuje się i owija wokół owada, zwiększając obszar kontaktu. Ślina staje się płynna, penetrując pęknięcia owadów. Gdy żaba wciąga język z powrotem do ust, tkanka rozciąga się jak sprężyna, zmniejszając siły na owadzie (podobnie jak sznur bungee zmniejsza siły na kostce). Ślina powraca do gęstego, lepkiego stanu, utrzymując wysoką przyczepność na owadzie. Gdy owad znajduje się w jamie ustnej, gałki oczne pchają owada do gardła, powodując, że ślina ponownie staje się cienka i płynna.

< br>
żabie gałki oczne pomagają im połykać jedzenie, fizycznie wpychając to, co jest w ustach, z powrotem do gardła.

możliwe, że rozplątanie sekretów przyczepności języków żab może mieć przyszłe zastosowania w takich dziedzinach, jak szybkie mechanizmy klejące do taśm przenośnikowych lub mechanizmy szybkiego chwytania w miękkiej robotyce.

co najważniejsze, praca ta dostarcza cennego wglądu w biologię i funkcję płazów-z których 40 procent znajduje się w katastrofalnym spadku lub już wyginęło. Współpracując z organizacją konserwatorską the Amphibian Foundation, mieliśmy dostęp do żywych i zachowanych gatunków żab. Wyniki naszych badań pozwalają nam lepiej zrozumieć tę zagrożoną grupę. Zgromadzona wiedza na temat unikalnych funkcji gatunków żab i ropuch może stanowić podstawę decyzji o ochronie populacji w dynamicznych i malejących ekosystemach.

chociaż nie jest łatwo być zielonym, żaba może znaleźć pocieszenie w tym, że jej język jest niesamowitym klejem.

Mark Mandica z the Amphibian Foundation współpracował przy badaniach opublikowanych w Journal of the Royal Society i był współautorem tego artykułu.

rozmowa

Alexis Noel, doktorant biomechaniki, Georgia Institute of Technology i David Hu, profesor nadzwyczajny Inżynierii Mechanicznej i Biologii, adiunkt profesor nadzwyczajny fizyki, Georgia Institute of Technology

ten artykuł został pierwotnie opublikowany w rozmowie i opublikowany tutaj za zgodą. Przeczytaj oryginalny artykuł.

Otrzymuj aktualizację artykułów naukowych dostarczanych bezpośrednio na swoją skrzynkę odbiorczą.

oryginalnie opublikowany przez Cosmos jako The frog tongue is a high-speed adhesive

Articles

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.