Wie bleibt man beim Lernen von Froschzungen stecken? Unsere Untersuchung der klebrigen, schleimigen Welt der Frösche begann mit einem humorvollen Video eines echten afrikanischen Ochsenfrosches, der in einem Handyspiel nach gefälschten Insekten stürzt. Dieser Frosch war eindeutig ein Experte im Spielen; Die Geschwindigkeit und Genauigkeit seiner Zunge könnte mit den Daumen von SMS-Teenagern mithalten.
Weitere YouTube-Untersuchungen lieferten erstaunliche Videos von Fröschen, die Mäuse, Vogelspinnen und sogar andere Frösche fraßen.
Die vielseitige Froschzunge kann ebenso leicht nasse, haarige und rutschige Oberflächen greifen. Es ist viel besser als unsere technischen Klebstoffe - selbst Haushaltsklebebänder können nicht fest auf nassen oder staubigen Oberflächen haften. Was diese Zunge noch beeindruckender macht, ist ihre Geschwindigkeit: Über 4.000 Arten von Fröschen und Kröten fangen ihre Beute schneller, als ein Mensch blinken kann.
Was macht die Froschzunge so einzigartig klebrig? Unsere Gruppe wollte es herausfinden.
Die wissenschaftliche Aufmerksamkeit der frühen Neuzeit auf die Froschzunge kam 1849, als der Biologe Augustus Waller die erste dokumentierte Studie über die Froschzunge an Nerven und Papillen veröffentlichte - den Oberflächenmikrostrukturen auf der Zunge. Waller war fasziniert von der weichen, klebrigen Natur der Froschzunge und dem, was er "die besonderen Vorteile der Zunge des lebenden Frosches" nannte.
Schneller Vorlauf 165 Jahre, als die Biomechaniker Kleinteich und Gorb als erste die Zungenkräfte des Hornfrosches Ceratophrys cranwelli gemessen haben . Sie fanden 2014 heraus, dass die Froschhaftungskräfte das 1, 4-fache des Körpergewichts erreichen können. Das heißt, die klebrige Froschzunge ist stark genug, um fast das Doppelte ihres Eigengewichts zu heben. Sie postulierten, dass die Zunge wie ein Klebeband oder ein Haftklebstoff wirkt - eine permanent klebrige Oberfläche, die unter leichtem Druck auf Substraten haftet.
Froschzunge, die gerade mit seiner Klebrigkeit eine Petrischale hält. (Alexis Noel / Georgia Tech, CC BY-ND) Um unsere eigene Studie über klebrige Froschzungen zu beginnen, haben wir verschiedene Frösche und Kröten, die Insekten fressen, mit Hochgeschwindigkeitsvideografie gefilmt. Wir fanden heraus, dass die Zunge des Frosches in weniger als 0, 07 Sekunden ein Insekt fängt, fünfmal schneller als ein menschliches Augenzwinkern. Zusätzlich kann die Insektenbeschleunigung in Richtung des Froschmauls während des Fangens das 12-fache der Schwerkraftbeschleunigung erreichen. Zum Vergleich: Normalerweise erfahren Astronauten während eines Raketenstarts die dreifache Erdbeschleunigung.
Sehr fasziniert wollten wir verstehen, wie gut die klebrige Zunge bei hohen Beschleunigungen die Beute hält. Wir mussten zuerst ein paar Froschzungen sammeln. Hier bei Georgia Tech haben wir einen Biologie-Sektionskurs auf dem Campus aufgespürt, bei dem regelmäßig Frösche von Nordleoparden zum Einsatz kamen.
Der Plan lautete wie folgt: Stechen Sie in das Zungengewebe, um die Weichheit zu bestimmen, und schleudern Sie den Froschspeichel zwischen zwei Platten, um die Viskosität zu bestimmen. Weichheit und Viskosität sind gängige Messgrößen für den Vergleich von festen und flüssigen Materialien. Die Weichheit beschreibt die Zungenverformung, wenn eine Dehnungskraft ausgeübt wird, und die Viskosität beschreibt den Bewegungswiderstand von Speichel.
Es war keine leichte Aufgabe, die Weichheit des Froschzungengewebes zu bestimmen. Wir mussten unsere eigenen Eindrückwerkzeuge erstellen, da die Zungenweichheit über den Fähigkeiten der herkömmlichen Materialprüfgeräte auf dem Campus lag. Wir entschieden uns für eine Eindrückmaschine, die biologisches Material stößt und Kräfte misst. Die Kraft-Weg-Beziehung kann dann die Weichheit auf der Grundlage der Form des Eindrückkopfs beschreiben, beispielsweise eines Zylinders oder einer Kugel.
Wenn sich der Einkerbungskopf von der Zunge löst, bleibt er haften und streckt sich. (Alexis Noel / Georgia Tech, CC BY-ND) Typische Köpfe für Eindruckmaschinen können jedoch 500 USD oder mehr kosten. Wir wollten das Geld nicht ausgeben oder auf den Versand warten und entschieden uns, unsere eigenen sphärischen und flachen Eindringkörper aus Edelstahlohrringen herzustellen. Nach unseren Tests stellten wir fest, dass die Froschzungen ungefähr so weich wie Hirngewebe und zehnmal weicher als die menschliche Zunge sind. Ja, wir haben Gehirn und menschliches Zungengewebe (post mortem) im Labor zum Vergleich getestet.
Beim Testen der Speicheleigenschaften stieß man auf ein Problem: Die Maschine, mit der Froschspeichel gesponnen wurde, benötigte etwa ein Fünftel eines Teelöffels Flüssigkeit, um den Test durchzuführen. Hört sich klein an, aber nicht im Zusammenhang mit dem Sammeln von Froschspucken. Amphibien sind insofern einzigartig, als sie Speichel durch Drüsen absondern, die sich auf ihrer Zunge befinden. Also haben wir eines Nachts einige Stunden damit verbracht, 15 tote Froschzungen abzukratzen, um eine Speichelprobe zu erhalten, die groß genug für die Testausrüstung ist.
Wie bekommt man Speichel von einer Froschzunge? Einfach. Zuerst ziehen Sie die Zunge aus dem Mund. Zweitens reiben Sie die Zunge auf einer Plastikfolie, bis sich eine (winzige) Speichelkugel gebildet hat. Globuli bilden sich aufgrund der langkettigen Schleimproteine, die im Froschspeichel vorhanden sind, ähnlich wie menschlicher Speichel; Diese Proteine verwickeln sich wie Nudeln, wenn sie verwirbelt werden. Dann nehmen Sie die Globuli schnell mit einer Pinzette und legen sie in einen luftdichten Behälter, um die Verdunstung zu verringern.
Nach dem Test stellten wir überrascht fest, dass der Speichel eine zweiphasige viskoelastische Flüssigkeit ist. Die beiden Phasen hängen davon ab, wie schnell der Speichel beim Ruhen zwischen parallelen Platten abgeschert wird. Bei niedrigen Schergeschwindigkeiten ist der Speichel sehr dick und viskos; bei hohen schergeschwindigkeiten wird der froschspeichel dünn und flüssig. Dies ähnelt einer Farbe, die sich leicht mit einem Pinsel verteilen lässt und dennoch fest an der Wand haftet. Diese beiden Phasen verleihen dem Speichel seine Reversibilität bei der Beutefangnahme, um ein Insekt festzuhalten und freizulassen.
Wie helfen Weichgewebe und ein zweiphasiger Speichel der Froschzunge, an einem Insekt zu haften? Lassen Sie uns durch ein Beutefang-Szenario gehen, das damit beginnt, dass eine Froschzunge aus dem Mund herauszoomt und auf ein Insekt knallt.
Während dieser Aufprallphase verformt sich die Zunge und legt sich um das Insekt, wodurch die Kontaktfläche vergrößert wird. Der Speichel wird flüssig und dringt in die Insektenrisse ein. Wenn der Frosch seine Zunge in den Mund zurückzieht, dehnt sich das Gewebe wie eine Feder und reduziert die Kräfte auf das Insekt (ähnlich wie ein Bungee-Seil die Kräfte auf den Knöchel reduziert). Der Speichel kehrt in seinen dicken, viskosen Zustand zurück und hält das Insekt fest im Griff. Sobald sich das Insekt im Mund befindet, drücken die Augäpfel das Insekt in den Hals, wodurch der Speichel wieder dünn und flüssig wird.
Es ist möglich, dass das Entwirren der Adhäsionsgeheimnisse von Froschzungen zukünftige Anwendungen für Dinge wie Hochgeschwindigkeits-Klebemechanismen für Förderbänder oder schnelle Greifmechanismen in der weichen Robotik haben könnte.
Vor allem bietet diese Arbeit wertvolle Einblicke in die Biologie und Funktion von Amphibien - 40 Prozent davon sind in einem katastrophalen Niedergang oder bereits ausgestorben. In Zusammenarbeit mit der Naturschutzorganisation The Amphibian Foundation hatten wir Zugang zu lebenden und konservierten Froscharten. Die Ergebnisse unserer Forschung geben uns ein besseres Verständnis für diese gefährdete Gruppe. Das gesammelte Wissen über die einzigartigen Funktionen von Frosch- und Krötenarten kann bei Erhaltungsentscheidungen für die Bewirtschaftung von Populationen in dynamischen und schrumpfenden Ökosystemen hilfreich sein.
Obwohl es nicht leicht ist, grün zu sein, mag ein Frosch Trost in der Tatsache finden, dass seine Zunge ein erstaunlicher Klebstoff ist.
Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.
Alexis Noel ist Doktorandin in Biomechanik am Georgia Institute of Technology
David Hu ist außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Biologie und außerordentlicher Professor für Physik am Georgia Institute of Technology
