Kako se čovjek zaglavi u proučavanju jezika žaba? Naše istraživanje o ljepljivom, mršavom svijetu žaba sve je započelo šaljivim videom pravog afričkog bika koji lupa u lažne insekte u mobilnoj igri. Ova je žaba očito bila stručnjak za igre; brzina i točnost jezika mogle bi supariti palcima tinejdžera.
Daljnja istraživanja YouTubea dala su nevjerojatne videozapise žaba koje jedu miševe, tarantule i čak druge žabe.
Svestrani žabasti jezik može s jednakom lakoćom uhvatiti mokre, dlakave i sklizave površine. To radi puno bolje od naših inženjerijskih ljepila - čak niti kućne vrpce ne mogu čvrsto zalijepiti na mokre ili prašnjave površine. Ono što ovaj jezik čini još impresivnijom je njegova brzina: Preko 4000 vrsta žaba i žaba plijen je plijen brže nego što čovjek može treptati.
Što jezik žabe čini tako jedinstveno ljepljivim? Naša skupina imala je cilj otkriti.
Rana moderna znanstvena pažnja na žablje jezike uslijedila je 1849. godine, kada je biolog Augustus Waller objavio prvu dokumentiranu studiju žabljeg jezika na živcima i papilama - površinske mikrostrukture pronađene na jeziku. Waller je bio fasciniran mekanom, ljepljivom prirodom žabljeg jezika i onim što je nazvao "osobitim prednostima koje posjeduje jezik žive žabe ... ekstremna elastičnost i transparentnost ovog organa natjerali su me da ga podnesem pod mikroskop."
Brzo naprijed 165 godina, kada su biomehanički istraživači Kleinteich i Gorb bili prvi koji su izmjerili jezične snage u rogatoj žabi Ceratophrys cranwelli . Otkrili su 2014. da sile adhezije žaba mogu doseći i do 1, 4 puta više od tjelesne težine. To znači da je ljepljivi jezik žabe dovoljno jak da podigne gotovo dvostruko veću težinu. Oni su pretpostavili da jezik djeluje poput ljepljive trake ili ljepila osjetljivog na pritisak - trajno ljepljive površine koja se lijepi na podloge pod laganim pritiskom.
Žabji jezik koji drži petrijevu posudu samo svojom ljepljivošću. (Alexis Noel / Georgia Tech, CC BY-ND) Za početak vlastite studije o ljepljivim žabljim jezicima, snimali smo razne žabe i žabe jedući insekte koristeći brzu videografiju. Otkrili smo da je žabji jezik sposoban uhvatiti insekta za manje od 0, 07 sekundi, pet puta brže od treptaja ljudskog oka. Uz to, ubrzanje insekata prema ustima žabe tijekom hvatanja može doseći 12 puta veću gravitaciju. Za usporedbu, astronauti obično doživljavaju oko tri puta ubrzanje gravitacije tijekom lansiranja rakete.
Dobro zaintrigirani, željeli smo razumjeti kako se ljepljivi jezik tako dobro drži na plijenu pri velikim ubrzanjima. Prvo smo morali skupiti neke žablje jezike. Ovdje u Georgia Tech-u pronašli smo klasu za seciranje biologije u kampusu, koja je redovito koristila žabe sjevernog leoparda.
Plan je bio sljedeći: istresite tkivo jezika da odredite mekoću i provucite žabu pljuvačku između dvije ploče kako biste odredili viskoznost. Mekoća i viskoznost su uobičajena mjerila za uspoređivanje čvrstih i tekućih materijala. Mekoća opisuje deformaciju jezika kada se primjenjuje sila istezanja, a viskoznost opisuje otpornost pljuvačke na pokret.
Utvrđivanje mekoće tkiva žabljeg jezika nije bio lak zadatak. Morali smo stvoriti vlastite alate za uvlačenje jer je mekoća jezika bila izvan mogućnosti tradicionalne opreme za ispitivanje materijala na kampusu. Odlučili smo upotrijebiti stroj za ublažavanje, koji potiče biološke materijale i mjeri snage. Odnos sile-pomaka tada može opisati mekoću na temelju oblika glave uvlačenja, poput cilindra ili sfere.
Kad se ubodna glava odmakne od jezika, prilijepi se i ispruži. (Alexis Noel / Georgia Tech, CC BY-ND) Međutim, tipične glave za strojeve za udubljenje mogu koštati 500 ili više dolara. Ne želeći trošiti novac ili čekati na otpremu, odlučili smo napraviti vlastiti kuglasti i plosnati razdjelnik od naušnica od nehrđajućeg čelika. Nakon naših testova, ustanovili smo da su žablji jezici približno meki poput moždanog tkiva i 10 puta mekši od ljudskog jezika. Da, testirali smo tkivo mozga i ljudskog jezika (post mortem) u laboratoriju za usporedbu.
Za testiranje svojstava sline naišli smo na problem: Stroju koji bi spinovao žablju pljuvačku bilo je potrebno oko petine žličice tekućine da bi pokrenuo test. Zvuči malo, ali ne u kontekstu sakupljanja žabljeg pljuska. Vodozemci su jedinstveni po tome što luče slinu kroz žlijezde koje se nalaze na njihovom jeziku. Dakle, jedne noći proveli smo nekoliko sati stružući 15 mrtvih žabjih jezika kako bismo dobili uzorak sline dovoljno velik za opremu za testiranje.
Kako se vadi slina sa žabljeg jezika? Lako. Prvo izvučete jezik iz usta. Drugo, trljate jezik plastičnim limom sve dok se ne formira (sitna) globula sline. Globule se formiraju zbog dugolančanih bjelančevina sluzi koje postoje u žabovoj slini, slično ljudskoj slini; ti se proteini zamagljuju poput tjestenine kada se okreću. Tada brzo pomoću pincete uhvatite globulu i stavite je u hermetički zatvoren spremnik kako biste smanjili isparavanje.
Nakon ispitivanja iznenadili smo se da je slina dvofazna viskoelastična tekućina. Dvije faze ovise o brzini stjecanja sline tijekom odmora između paralelnih ploča. Pri niskoj brzini smicanja, slina je vrlo gusta i viskozna; pri velikim brzinama smicanja, žaba slina postaje tanka i tekuća. To je slično boji koja se lako rašire četkom, a opet ostaje čvrsto prianjana na zidu. Njegove dvije faze daju pljuvački reverzibilnost u hvatanju plijena, za prianjanje i oslobađanje insekta.
Kako meko tkivo i dvofazna slina pomažu da se jezik žabe pridržava insekta? Prolazimo kroz scenarij hvatanja plijena, koji počinje jezikom žabe koji zumira iz usta i zabija se u insekta.
Tijekom ove faze udara jezik se deformira i omota oko insekta, povećavajući područje kontakta. Slina postaje tečna, prodire do pukotina insekata. Dok žaba povuče svoj jezik natrag u usta, tkivo se proteže poput opruge, smanjujući sile na insekta (slično kao što bundži kabel smanjuje sile na vašem gležnju). Slina se vraća u svoje gusto, viskozno stanje, održavajući visok prianjanje insekta. Jednom kada se insekt nalazi u ustima, očne jabučice guraju insekta niz grlo, uzrokujući da slina ponovo postane tanka i tekuća.
Moguće je da bi se kod odvajanja tajni adhezije žabjih jezika u budućnosti moglo primijeniti na stvari poput brzobrznih ljepljivih mehanizama za transportne trake ili mehanizama za brzo hvatanje u mekoj robotiziranju.
Ono što je najvažnije, ovo djelo pruža vrijedan uvid u biologiju i funkciju vodozemaca, od kojih je 40 posto u katastrofalnom padu ili je već izumrlo. Surađujući s organizacijom za očuvanje Zakladu Amfibija, imali smo pristup živim i sačuvanim vrstama žaba. Rezultati našeg istraživanja pružaju nam bolje razumijevanje ove zatvorene skupine. Znanje prikupljeno o jedinstvenim funkcijama vrsta žaba i žaba može podnijeti odluke o očuvanju za upravljanje populacijama u dinamičnim i opadajućim ekosustavima.
Iako nije lako biti zelen, žaba može pronaći utjehu u činjenici da je njegov jezik jedno nevjerojatno ljepilo.
Ovaj je članak prvotno objavljen u časopisu The Conversation. Pročitajte izvorni članak.
Alexis Noel je doktorski studij biomehanike na Georgia Institute of Technology
David Hu je izvanredni profesor strojarstva i biologije i vanredni izvanredni profesor fizike na Georgia Institute of Technology.
