hvordan sidder man fast ved at studere frog tunger? Vores undersøgelse af den klæbrige, slimede verden af frøer begyndte alle med en humoristisk video af en ægte afrikansk bullfrog, der lungede på 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.

< br>
frøen, der var oprindelsen af forfatterens tungeforskning.

yderligere YouTube-forskning gav fantastiske videoer af frøer, der spiste mus, tarantler og endda andre frøer.

den alsidige frog tongue kan gribe våde, Behårede og glatte overflader med lige lethed. Det gør meget bedre end vores konstruerede klæbemidler – ikke engang husholdningsbånd kan klæbe fast på våde eller støvede overflader. Hvad der gør denne tunge endnu mere imponerende er dens hastighed: Over 4.000 arter af frø og padde snag bytte hurtigere end et menneske kan blinke. Hvad gør frog tongue så unikt klæbrig? Vores gruppe havde til formål at finde ud af det.

Baseline frog tongue viden

tidlig moderne videnskabelig opmærksomhed på frog tunger kom i 1849, da biolog Augustus vægger offentliggjorde den første dokumenterede frog tongue undersøgelse på nerver og papiller – overfladen mikrostrukturer fundet på tungen. Frøs tunge var fascineret af den bløde, klæbrige natur og hvad han kaldte:

“de særlige fordele, som den levende frøs tunge besidder…dette organs ekstreme elasticitet og gennemsigtighed fik mig til at underkaste mig mikroskopet.”

Spol frem 165 år, da biomekanikforskere Kleinteich og Gorb var de første til at måle tungekræfter i den hornede frø Ceratophrys cranvelli. De fandt i 2014, at frøadhæsionskræfter kan nå op til 1,4 gange kropsvægten. Det betyder, at den klæbrige frøtunge er stærk nok til at løfte næsten dobbelt så meget som sin egen vægt. De postulerede, at tungen fungerer som klæbebånd eller et trykfølsomt klæbemiddel-en permanent klæbrig overflade, der klæber til underlag under let tryk.

billede 20170131 3244 7r5phb
Frog tongue holder op en petriskål bare med sin klæbrighed.
kredit: Aleksej Noel/Georgia Tech, CC BY-ND

for at begynde vores egen undersøgelse af klæbrige frøetunger filmede vi forskellige frøer og padder, der spiste insekter ved hjælp af højhastighedsvideografi. Vi fandt ud af, at frøens tunge er i stand til at fange et insekt på under 0,07 sekunder, fem gange hurtigere end et menneskeligt øjenblink. Derudover kan insektacceleration mod frøens mund under fangst nå 12 gange tyngdeaccelerationen. Til sammenligning oplever astronauter normalt omkring tre gange tyngdeaccelerationen under en raketlancering.

videre til materialetest

grundigt fascineret, vi ønskede at forstå, hvordan den klæbrige tunge holder fast i bytte så godt ved høje accelerationer. Vi var først nødt til at samle nogle frøetunger. Her på Georgia Tech, Vi spores en biologi-dissektionsklasse på campus, der regelmæssigt brugte nordlige leopardfrøer.

planen var dette: Stik tungevævet for at bestemme blødhed, og drej frøens spyt mellem to plader for at bestemme viskositeten. Blødhed og viskositet er almindelige målinger til sammenligning af henholdsvis faste og flydende materialer. Blødhed beskriver tungedeformation, når der påføres en strækningskraft, og viskositet beskriver spytets modstand mod bevægelse.

billede 20170131 3269 v89h
når indrykningshovedet trækker væk fra tungen, klæber det og strækker sig.
kredit: Aleksej Noel / Georgia Tech, CC BY-ND

det var ikke nogen let opgave at bestemme blødheden i frog tongue væv. Vi var nødt til at skabe vores egne indrykningsværktøjer, da tungeblødheden var uden for mulighederne i det traditionelle materialetestudstyr på campus. Vi besluttede at bruge en indrykningsmaskine, der stikker biologiske materialer og måler kræfter. Kraftforskydningsforholdet kan derefter beskrive blødhed baseret på indrykningshovedformen, såsom en cylinder eller kugle.

typiske hoveder til indrykningsmaskiner kan dog koste US$500 eller mere. Da vi ikke ønskede at bruge pengene eller vente på forsendelse, besluttede vi at lave vores egne sfæriske og flade hovedindtræk af øreringe i rustfrit stål. Efter vores test fandt vi, at frøetunger er omtrent lige så bløde som hjernevæv og 10 gange blødere end den menneskelige tunge. Ja, Vi testede hjerne-og mennesketungevæv (post mortem) i laboratoriet til sammenligning.

til test af spytegenskaber løb vi ind i et problem: maskinen, der ville spinde frøspyt, krævede ca.en femtedel af en teskefuld væske for at køre testen. Lyder lille, men ikke i forbindelse med indsamling af frøspytte. Amfibier er unikke, fordi de udskiller spyt gennem kirtler placeret på deres tunge. Så en nat brugte vi et par timer på at skrabe 15 døde frøetunger for at få en spytprøve stor nok til testudstyret.

Hvordan får du spyt fra en frøtunge? Let. Først trækker du tungen ud af munden. For det andet gnider du tungen på et plastikark, indtil der dannes en (lille) spytkugle. Kugler dannes på grund af de langkædede slimproteiner, der findes i frøens spyt, ligesom menneskelig spyt; disse proteiner floker som pasta, når de hvirvles 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 finde ud af, at spyt er en tofaset viskoelastisk væske. De to faser er afhængige af, hvor hurtigt spyt er skåret, når man hviler mellem parallelle plader. Ved lave forskydningshastigheder er spyt meget tykt og tyktflydende; ved høje forskydningshastigheder bliver frøens spyt tynd og flydende. Dette svarer til maling, som let spredes af en børste, men forbliver fast klæbet på væggen. Dens disse to faser, der giver spyt dens reversibilitet i byttefangst, til at klæbe og frigive et insekt.

< br>
en sydamerikansk hornet frø demonstrerer at fange en cricket i denne langsomme bevægelsesvideo.

at fange en cricket

Hvordan hjælper blødt væv og en tofaset spyt frøtungen til et insekt? Lad os gå gennem et byttefangstscenarie, der begynder med en frøtunge, der springer ud af munden og smækker ind i et insekt.

under denne slagfase deformeres tungen og vikles rundt om insektet, hvilket øger kontaktområdet. Spyt bliver flydende, trænger ind i insektets revner. Når frøen trækker tungen tilbage i munden, strækker vævet sig som en fjeder, hvilket reducerer kræfterne på insektet (svarende til hvordan en bungee-ledning reducerer kræfterne på din ankel). Spyt vender tilbage til sin tykke, viskøse tilstand og opretholder et højt greb på insektet. Når insektet er inde i munden, skubber øjenkuglerne insektet ned i halsen, hvilket får spyt til igen at blive tyndt og flydende.

< br>
frøernes øjenkugler hjælper dem faktisk med at sluge deres mad ved fysisk at skubbe, hvad der er i munden tilbage i halsen.

det er muligt, at udrede vedhæftning hemmeligheder frog tunger kunne have fremtidige anvendelser for ting som high-speed klæbende mekanismer til transportbånd, eller hurtig sensationsprægede mekanismer i blød robotteknologi.

vigtigst er det, at dette arbejde giver værdifuld indsigt i amfibiernes biologi og funktion – hvoraf 40 procent er i katastrofal tilbagegang eller allerede uddød. Arbejde med bevarelse organisation Amphibian Foundation, vi havde adgang til levende og bevarede arter af frø. Resultaterne af vores forskning giver os en større forståelse af denne truede gruppe. Den viden, der er indsamlet om unikke funktioner hos frø-og paddearter, kan informere bevarelsesbeslutninger til styring af populationer i dynamiske og faldende økosystemer.

selvom det ikke er let at være grøn, kan en frø finde trøst i, at dens Tunge er et fantastisk klæbemiddel.

Mark Mandica fra Amphibian Foundation samarbejdede om den forskning, der blev offentliggjort i Journal of the Royal Society Interface og var medforfatter til denne artikel.

samtalen

Aleksej Noel, ph.d. – studerende i biomekanik, Georgia Institute of Technology og David Hu, lektor i maskinteknik og biologi, adjungeret lektor i fysik, Georgia Institute of Technology

denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation og genudgivet her med tilladelse. Læs den oprindelige artikel.

få en opdatering af science stories leveret direkte til din indbakke.

oprindeligt udgivet af Cosmos som frog tongue er en high-speed lim

Articles

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret.