Kako se kdo zatakne pri preučevanju žabjih jezikov? Naše raziskovanje lepljivega, sluzavega sveta žab se je začelo s šaljivim posnetkom resničnega afriškega bika, ki v mobilni igri pluje po ponarejenih žuželkah. Ta žaba je bila očitno strokovnjakinja za igre; hitrost in natančnost njenega jezika bi lahko nasprotovali palcem najstniških sporočil.
Nadaljnje YouTube raziskave so prinesle neverjetne videoposnetke žab, ki jedo miši, tarantule in celo druge žabe.
Vsestranski žabji jezik lahko z enako lahkoto oprime mokre, kosmate in spolzke površine. Deluje veliko bolje kot lepilo, ki ga oblikujemo - niti gospodinjski trakovi se ne morejo trdno prilepiti na mokre ali prašne površine. Zaradi tega je ta jezik še bolj impresiven je njegova hitrost: več kot 4000 vrst žab in krastače pleni hitreje, kot človek lahko utripa.
Kaj naredi žabji jezik tako edinstveno lepljiv? Naša skupina je želela to ugotoviti.
Zgodnja sodobna znanstvena pozornost žabjih jezikov se je pojavila leta 1849, ko je biolog Augustus Waller objavil prvo dokumentirano študijo žabjih jezikov na živcih in papilah - površinske mikrostrukture, najdene na jeziku. Waller je bil očaran nad mehko, lepljivo naravo žabjega jezika in s tem, kar je imenoval "posebne lastnosti, ki jih ima jezik žive žabe ... izjemna elastičnost in preglednost tega organa sta me prisilila, da sem ga predal v mikroskop."
Hitro naprej 165 let, ko sta biomehanična raziskovalca Kleinteich in Gorb prva merila jezikovne sile v rogovem žabu Ceratophrys cranwelli . Leta 2014 so ugotovili, da lahko adhezijske sile žab dosežejo do 1, 4-krat večjo telesno težo. To pomeni, da je lepljivi žabji jezik dovolj močan, da dvigne skoraj dvakratno lastno težo. Predpostavili so, da jezik deluje kot lepljiv trak ali lepilo, občutljivo na pritisk - trajna lepljiva površina, ki se lepi na podlage pod svetlobnim pritiskom.
Žabji jezik, ki drži petrijevo posodo ravno s svojo lepljivostjo. (Alexis Noel / Georgia Tech, CC BY-ND) Za začetek lastnega raziskovanja lepljivih žabjih jezikov smo posneli različne žabe in krastače, ki jedo žuželke, z uporabo hitre posnetke. Ugotovili smo, da je žabji jezik sposoben ujeti žuželko v manj kot 0, 07 sekunde, kar je petkrat hitreje kot človeško oko. Poleg tega lahko pospešek žuželk v ustih žabe med ujetjem doseže 12-kratni pospešek gravitacije. Za primerjavo, astronavti običajno izstrelijo približno trikratno pospeševanje gravitacije med izstrelitvijo rakete.
Temeljito zaintrigirani smo želeli razumeti, kako lepljiv jezik tako dobro drži plen pri velikih pospeških. Najprej smo morali zbrati nekaj žabjih jezikov. Tu smo v Georgia Techu ugotovili razsek biologije na kampusu, ki je redno uporabljal žabe severnega leoparda.
Načrt je bil sledeč: z jezikom potisnite tkivo, da določite mehkobo, in žabjo slino zavrtite med dve plošči, da določite viskoznost. Mehkoba in viskoznost sta običajni metriki za primerjavo trdnih in tekočih materialov. Mehkoba opisuje deformacijo jezika pri uporabi sile raztezanja, viskoznost pa opisuje odpornost sline proti gibanju.
Določitev mehkobe žabjih jezikovnih tkiv ni bila lahka naloga. Ustvariti smo morali lastna orodja, ker je mehkoba jezika presegala zmogljivosti tradicionalne opreme za testiranje materialov na kampusu. Odločili smo se, da bomo uporabili vdolbinski stroj, ki požira biološke materiale in meri sile. Razmerje med silo in premikom lahko nato opiše mehkobo glede na obliko vdolbine, kot je valj ali krogla.
Ko se vdolbena glava umakne od jezika, se lepi in razteza. (Alexis Noel / Georgia Tech, CC BY-ND) Običajne glave za vdolbine lahko stanejo 500 dolarjev ali več. Ker nismo želeli porabiti denarja ali čakati na odpremo, smo se odločili, da naredimo lastne sferične in vretence z ravnimi glavami iz uhanov iz nerjavečega jekla. Po naših testih smo ugotovili, da so žabji jeziki približno mehki kot možgansko tkivo in 10-krat mehkejši od človeškega jezika. Da, v laboratoriju smo za primerjavo testirali možgansko in človeško jezikovno tkivo (post mortem).
Za testiranje lastnosti sline smo naleteli na težavo: Stroj, ki bi spal žabjo slino, je za izvedbo testa potreboval približno petino čajne žličke tekočine. Sliši se majhno, vendar ne v okviru nabiranja žabjih pljuv. Dvoživke so edinstvene po tem, da izločajo slino skozi žleze, ki se nahajajo na jeziku. Tako smo eno noč porabili nekaj ur, da smo strgali 15 mrtvih žabjih jezikov, da smo dobili vzorec sline, dovolj velik za opremo za testiranje.
Kako odvajate slino z žabjega jezika? Preprosto. Najprej jezik izvlečete iz ust. Drugič, drgnite jezik na plastičnem listu, dokler ne nastane (drobna) krogla sline. Globule nastanejo zaradi dolgoverižnih beljakovin sluzi, ki obstajajo v žabji slini, podobno kot človeška slina; ti proteini se zavijajo kot testenine, ko se vrtinčijo. Nato s pomočjo pincete hitro primite globus in ga postavite v nepredušno posodo, da zmanjšate izhlapevanje.
Po testiranju smo presenečeno ugotovili, da je slina dvofazna viskoelastična tekočina. Dve fazi sta odvisni od hitrosti striženja sline med počivanjem med vzporednimi ploščami. Pri nizki stopnji striženja je slina zelo gosta in viskozna; pri velikih hitrostih striženja žabja slina postane tanka in tekoča. To je podobno kot barva, ki jo zlahka namažemo s čopičem, a kljub temu ostane trdno prilepljena na steno. Ti dve fazi dajeta slini svojo reverzibilnost pri zajemanju plena, za oprijem in sproščanje žuželk.
Kako mehko tkivo in dvofazna slina pomagata, da se žabji jezik prilepi na žuželko? Pojdimo po scenariju zajemanja plena, ki se začne z žabjim jezikom, ki se poveča iz ust in se zareže v žuželko.
Med to fazo udarca se jezik deformira in ovije okoli žuželke, povečuje območje stika. Slina postane tekoča, prodira v razpoke žuželk. Ko žaba povleče jezik nazaj v usta, se tkivo raztegne kot vzmet, kar zmanjša sile na žuželko (podobno kot način, kako bungee vrvica zmanjša sile na gležnju). Slina se vrne v svoje gosto, viskozno stanje in ohranja močan oprijem žuželke. Ko se žuželka nahaja v ustih, zrkelci potisnejo žuželko po grlu, zaradi česar slina spet postane tanka in tekoča.
Možno je, da bi odkrivanje skrivnih skrivnosti žabjih jezikov v prihodnosti lahko uporabilo za stvari, kot so hitri lepilni mehanizmi za transportne trakove ali hitri mehanizmi za oprijem v mehki robotiki.
Najpomembneje je, da to delo ponuja dragocen vpogled v biologijo in delovanje dvoživk, od katerih je 40 odstotkov v katastrofalnem zatonu ali že izumrlih. V sodelovanju s konservatorsko organizacijo Amphibian Foundation smo imeli dostop do živih in ohranjenih vrst žab. Rezultati naše raziskave nam omogočajo boljše razumevanje te omejene skupine. Znanje, pridobljeno o edinstvenih funkcijah žab in krastač, lahko vsebuje odločitve o ohranjanju za upravljanje populacij v dinamičnih in propadajočih ekosistemih.
Čeprav ni enostavno biti zelen, lahko žaba najde tolažbo v tem, da je njen jezik eno neverjetno lepilo.
Ta članek je bil prvotno objavljen na pogovoru. Preberite izvirni članek.
Alexis Noel je doktorica biomehanike na Georgia Institute of Technology
David Hu je izredni profesor za strojništvo in biologijo in izredni profesor za fiziko na Georgia Institute of Technology
