Как човек се забива да изучава жабешки езици? Нашето изследване на лепкавия и тънък свят на жабите започна с хумористично видео на истински африкански булгур, който се впуска в фалшиви насекоми в мобилна игра. Тази жаба явно беше експерт в игрите; бързината и точността на езика му може да съперничи на палците на текстови тийнейджъри.
По-нататъшното изследване в YouTube даде невероятни видеоклипове на жаби, които ядат мишки, тарантули и дори други жаби.
Универсалният жабешки език може да хваща мокри, космати и хлъзгави повърхности с еднаква лекота. Той се справя много по-добре от нашите инженерни лепила - дори и домакинските ленти не могат здраво да се залепят върху мокри или прашни повърхности. Това, което прави този език още по-впечатляващ, е неговата скорост: Над 4000 вида жаба и жаба плячка плячка по-бързо, отколкото човек може да мига.
Какво прави езика на жабата толкова уникално лепкав? Нашата група имаше за цел да разбере.
Ранното модерно научно внимание на жабешките езици идва през 1849 г., когато биологът Август Уолър публикува първото документирано изследване на езика на жабите върху нервите и папилите - повърхностните микроструктури, открити на езика. Уоллер беше очарован от мекия, лепкав характер на жабешкия език и това, което той нарече „особените предимства, притежавани от езика на живата жаба… изключителната еластичност и прозрачност на този орган ме накара да го представя пред микроскопа“.
Бързо напред 165 години, когато изследователите по биомеханика Kleinteich и Gorb са първите, които измерват езиковите сили в рогата жаба Ceratophrys cranwelli . През 2014 г. те откриха, че силите на адхезия на жабите могат да достигнат до 1, 4 пъти телесното тегло. Това означава, че лепкавият жабешки език е достатъчно силен, за да вдигне почти два пъти собствената си тежест. Те постулират, че езикът действа като лепкава лента или чувствително към натиск лепило - постоянно лепкава повърхност, която се прилепва към субстратите под лек натиск.
Жабешки език, който държи чаша на Петри само със своята лепкавост. (Алексис Ноел / Georgia Tech, CC BY-ND) За да започнем собствено проучване на лепкави жабешки езици, заснехме различни жаби и жаби, ядещи насекоми, използвайки високоскоростна видеография. Установихме, че езикът на жабата е в състояние да улови насекомо за по-малко от 0, 07 секунди, пет пъти по-бързо от мигането на човешко око. В допълнение, ускорението на насекомите към устата на жабата по време на улавяне може да достигне 12 пъти ускорението на гравитацията. За сравнение, астронавтите обикновено изпитват около три пъти ускорението на гравитацията по време на изстрелване на ракета.
Дълбоко заинтригувани, искахме да разберем как лепкавият език се държи на плячка толкова добре при високи ускорения. Първо трябваше да съберем няколко жаби езика. Тук, в Georgia Tech, проследихме клас на дисекция на биологията в кампуса, който използваше редовно леопардовите жаби.
Планът беше следният: прокарайте езиковата тъкан, за да определите мекотата, и завъртете жабешката слюнка между две плочи, за да определите вискозитета. Мекотата и вискозитетът са общи показатели за сравняване съответно на твърди и течни материали. Мекотата описва деформация на езика, когато се прилага сила на разтягане, а вискозитетът описва устойчивостта на слюнката към движение.
Определянето на мекотата на тъканта на жабешки език не беше лесна задача. Трябваше да създадем свои собствени инструменти за вдлъбнатини, тъй като мекотата на езика беше извън възможностите на традиционното оборудване за тестване на материали в кампуса. Решихме да използваме машина за вдлъбнатини, която забива биологични материали и измерва сили. Връзката сила-изместване може след това да опише мекота въз основа на формата на главата на вдлъбнатина, като цилиндър или сфера.
Когато главата на вдлъбнатина се отдръпне от езика, тя се прилепва и се разтяга. (Алексис Ноел / Georgia Tech, CC BY-ND) Въпреки това, типичните глави за машини за вдлъбнатини могат да струват 500 долара или повече. Без да искаме да харчим парите или да чакаме за доставка, решихме да направим собствени сферични и плоски индентори от обеци от неръждаема стомана. След нашите тестове открихме, че жабешките езици са толкова меки, колкото мозъчната тъкан и 10 пъти по-меки от човешкия език. Да, тествахме мозъчната и човешката езикова тъкан (post mortem) в лабораторията за сравнение.
За тестване на свойствата на слюнката се сблъскахме с проблем: Машината, която ще върти жаба слюнка, изискваше около една пета от чаената лъжичка течност, за да се проведе теста. Звучи малко, но не в контекста на събиране на жабешки плюнки. Земноводните са уникални по това, че отделят слюнка чрез жлези, разположени на езика им. И така, една нощ прекарахме няколко часа в изстъргване на 15 мъртви жабешки езика, за да вземем проба слюнка, достатъчно голяма за оборудването за тестване.
Как отделяте слюнка от жабешки език? Лесно. Първо издърпвате езика от устата. Второ, разтривате езика върху пластмасов лист, докато се образува (мъничка) кълбо слюнка. Глобулите се образуват поради дългите вериги на слузните протеини, които съществуват в жабата слюнка, подобно на човешката слюнка; тези протеини се заплитат като тестени изделия, когато се завихрят. След това бързо хващате глобула с помощта на пинсети и я поставяте в херметичен контейнер, за да намалите изпарението.
След тестването с изненада установихме, че слюнката е двуфазна вискоеластична течност. Двете фази зависят от това колко бързо се срязва слюнката, когато почива между успоредни плочи. При ниски скорости на срязване слюнката е много гъста и вискозна; при високи скорости на срязване жабешката слюнка става тънка и течна. Това е подобно на боята, която лесно се разнася с четка, но въпреки това остава здраво залепена на стената. Тези две фази, които придават на слюнката нейната обратимост при улавяне на плячка, за прилепване и освобождаване на насекомо.
Как меката тъкан и двуфазната слюнка помагат на жабешкия език да се придържа към насекомо? Нека преминем през сценарий за улавяне на плячка, който започва с жабешки език, мащабиращ се от устата и блъскащ се в насекомо.
По време на тази фаза на въздействие езикът се деформира и обвива около насекомото, увеличавайки контактната зона. Слюнката става течна, прониквайки в пукнатините на насекомите. Докато жабата дърпа езика си обратно в устата, тъканта се разтяга като пружина, намалявайки силите върху насекомото (подобно на това как шнур на бънджи намалява силите върху глезена ви). Слюнката се връща в своето гъсто, вискозно състояние, поддържайки високо сцепление с насекомото. След като насекомото е вътре в устата, очните ябълки бутат насекомото надолу по гърлото, което кара слюнката отново да стане тънка и течна.
Възможно е разплитането на адхезивните тайни на жабешки езици да има бъдещи приложения за неща като високоскоростни адхезивни механизми за конвейерни ленти или бързи механизми за захващане в меката роботика.
Най-важното е, че тази работа дава ценен поглед върху биологията и функцията на земноводните - 40 процента от които са в катастрофален упадък или вече изчезнали. Работейки с природозащитна фондация Фондация Земноводни, имахме достъп до живи и запазени видове жаби. Резултатите от нашето изследване ни дават по-голямо разбиране на тази опитна група. Знанията, събрани за уникални функции на жаби и жаби, могат да информират решения за опазване за управление на популациите в динамични и намаляващи екосистеми.
Въпреки че не е лесно да бъдеш зелен, жаба може да намери утеха във факта, че езикът й е едно невероятно лепило.
Тази статия първоначално е публикувана в The Conversation. Прочетете оригиналната статия.
Алексис Ноел е докторант по биомеханика в Технологичния институт в Джорджия
Дейвид Ху е доцент по машинно инженерство и биология и доцент доцент по физика в Технологичния институт в Джорджия.
