Kuinka juuttuu sammakon kielen opiskeluun? Tutkimus sammakkojen tahmeaan, limaiseen maailmaan alkoi humoristisella videolla todellisesta afrikkalaisesta härkätaisteesta, joka keuhkoi väärennettyihin hyönteisiin liikkuvassa pelissä. Tämä sammakko oli selvästi pelin asiantuntija; sen kielen nopeus ja tarkkuus voisi kilpailla kutistavien teini-ikäisten peukaloita.
Ylimääräinen YouTube-tutkimus tuotti mahtavia videoita sammakoista, jotka syövät hiiriä, tarantuleja ja jopa muita sammakoita.
Monipuolinen sammakkieli voi tarttua märkällä, karvaisella ja liukkaalla pinnalla yhtä helposti. Se toimii paljon paremmin kuin suunnitellut liimat - edes kotitalousnauhat eivät voi tarttua tiukasti märkiin tai pölyisiin pintoihin. Mikä tekee tästä kielestä entistäkin vaikuttavamman, on sen nopeus: Yli 4000 lajia sammakkoa ja rupikonna pilaan saaliista nopeammin kuin ihminen voi vilkkua.
Mikä tekee sammakko kielen niin ainutlaatuisesti tahmea? Ryhmämme tavoitteena oli selvittää.
Varhainen moderni tieteellinen huomio sammakon kielille sai aikaan vuonna 1849, kun biologi Augustus Waller julkaisi ensimmäisen dokumentoidun sammakko kielen tutkimuksen hermoista ja papillaeista - kielen pinta-mikrorakenteista. Waller oli kiehtonut sammakon kielen pehmeästä, tarttuvasta luonteesta ja siitä, mitä hän kutsui ”elävän sammakon kielen erityisiksi eduiksi… tämän elimen äärimmäinen joustavuus ja läpinäkyvyys sai minut toimittamaan sen mikroskoopille”.
Nopeasti eteenpäin 165 vuotta, kun biomekaniikan tutkijat Kleinteich ja Gorb mittasivat ensimmäisinä kielen voimat sarveinen sammakko Ceratophrys cranwelli . He löysivät vuonna 2014, että sammakkojen tarttuvuusvoimat voivat olla jopa 1, 4-kertaiset kehon painoon nähden. Tämä tarkoittaa, että tarttuva sammakkieli on riittävän vahva nostamaan lähes kaksinkertaisesti oman painonsa. He postuloivat, että kieli toimii kuin teippi tai paineherkkä liima - pysyvästi tahmea pinta, joka tarttuu substraateihin kevyessä paineessa.
Sammakko kieli pitää petrimaljan vain kiinni tarttuneisuudestaan. (Alexis Noel / Georgia Tech, CC BY-ND) Aloittaaksesi oman tutkimuksen tarttuvista sammakon kielistä, filmeimme erilaisia sammakoita ja rupikonnaa syöviä hyönteisiä nopealla videokuvauksella. Havaitsimme, että sammakon kieli pystyy vangitsemaan hyönteisen alle 0, 07 sekunnissa, viisi kertaa nopeammin kuin ihmisen silmä vilkkuu. Lisäksi hyönteisten kiihtyvyys kohti sammakon suuhun sieppauksen aikana voi saavuttaa 12-kertaisen painovoiman kiihtyvyyden. Vertailun vuoksi astronautit kokevat yleensä noin kolme kertaa painovoiman kiihtyvyyden raketin laukaisun aikana.
Halusimme syvästi kiinnostaa, kuinka tahmea kieli pitää kiinni saalista niin hyvin suurilla kiihtyvyyksillä. Meidän piti ensin koota joitain sammakko kieliä. Täällä Georgia Techissä jäljitimme kampuksen biologian leikkausluokan, joka käytti säännöllisesti pohjoisten leopard sammakoita.
Suunnitelma oli seuraava: Pistä kielikudos pehmeyden määrittämiseksi ja pyöritä sammakko sylkeä kahden levyn välillä viskositeetin määrittämiseksi. Pehmeys ja viskositeetti ovat yleisiä mittareita vastaavien kiinteiden ja nestemäisten materiaalien vertailussa. Pehmeys kuvaa kielen muodonmuutosta, kun venytysvoimaa kohdistetaan, ja viskositeetti kuvaa syljen kestävyyttä liikkeelle.
Sammakon kielen kudoksen pehmeyden määrittäminen ei ollut helppoa. Meidän oli luotava omat sisennystyökalut, koska kielen pehmeys ylitti kampuksella perinteisten materiaalien testauslaitteiden mahdollisuudet. Päätimme käyttää syvennyskonetta, joka pistää biologisia materiaaleja ja mittaa voimia. Voiman ja siirtosuhteen välillä voidaan sitten kuvata pehmeys syvennyspään muodon, kuten sylinterin tai pallon, perusteella.
Kun syvennyspää vetää pois kielestä, se tarttuu ja venyy. (Alexis Noel / Georgia Tech, CC BY-ND) Tyypilliset sisennyslaitteiden päät voivat kuitenkin maksaa 500 dollaria tai enemmän. Haluamatta käyttää rahaa tai odottaa toimituskuluja, päätimme tehdä omat pallomaiset ja litteäpääiset sisennys ruostumattomasta teräksestä valmistetut korvakorut. Testien jälkeen löysimme sammakon kielet olevan yhtä pehmeät kuin aivokudokset ja 10 kertaa pehmeämmät kuin ihmisen kieli. Kyllä, testasimme aivojen ja ihmisen kielikudoksen (post mortem) laboratoriossa vertailua varten.
Sylkiominaisuuksien testaamiseksi törmäsimme ongelmaan: Sammakon sylkeä pyörittävä kone vaati testin suorittamiseen noin viidenneksen tl nestettä. Kuulostaa pieneltä, mutta ei yhteydessä sammakon sylkeyn. Sammakkoeläimet ovat ainutlaatuisia siinä mielessä, että ne erittävät sylkeä kielensä sijaitsevien rauhasten kautta. Joten, yhden yön vietimme muutama tunti raapimalla 15 kuolleen sammakon kieltä saadakseen syljenäytteen, joka on riittävän suuri testauslaitteistoa varten.
Kuinka pääset sylkeen sammakon kieleltä? Helppo. Ensin vedät kielen suusta. Toiseksi, hieroat kieltä muovilevylle, kunnes muodostuu (pieni) sylkirake. Pallot muodostuvat sammakkojen syljen sisältämien pitkäketjuisten limaproteiinien takia, aivan kuten ihmisen sylki; nämä proteiinit kutistuvat kuten pastaa pyöritettäessä. Sitten tartu nopeasti palloon pinsetin avulla ja aseta se ilmatiiviiseen astiaan haihtumisen vähentämiseksi.
Kokeilun jälkeen havaitsimme yllätyksenä, että sylki on kaksivaiheinen viskoelastinen neste. Nämä kaksi vaihetta ovat riippuvaisia siitä, kuinka nopeasti sylki leikataan, kun ne lepäävät yhdensuuntaisten levyjen välillä. Pienellä leikkausnopeudella sylki on erittäin paksu ja viskoosinen; korkeilla leikkausnopeuksilla sammakon sylkistä tulee ohut ja nestemäinen. Tämä on samanlainen kuin maali, joka levitetään helposti harjalla, mutta pysyy tiukasti kiinni seinässä. Sen nämä kaksi vaihetta antavat sylkelle palautuvuuden saaliin sieppaamisessa hyönteisen tarttumiseksi ja vapauttamiseksi.
Kuinka pehmytkudos ja kaksivaiheinen sylki auttavat sammakon kielen tarttumaan hyönteiseen? Kävelemme saaliin sieppauksen skenaarion läpi, joka alkaa sammakkokieleltä, joka zoomataan suusta ja puristuu hyönteiseksi.
Tämän iskuvaiheen aikana kieli deformoituu ja kietoutuu hyönteisen ympärille lisäämällä kosketuspinta-alaa. Sylki muuttuu nestemäiseksi ja tunkeutuu hyönteisten halkeamiin. Kun sammakko vetää kielensä takaisin suuhun, kudos venyy kuin jousi, vähentäen hyönteiseen kohdistuvia voimia (samanlainen kuin kuinka benji-naru vähentää nilkkaasi kohdistuvia voimia). Sylki palaa paksuun, viskoosiseen tilaansa pitäen hyvää hyönteisen tarttumista. Kun hyönteinen on suun sisällä, silmämunat työntävät hyönteisen kurkkuun, jolloin sylkestä tulee jälleen ohut ja nestemäinen.
On mahdollista, että sammakonkielien tartuntasalaisuuksien purkamisella voi olla tulevaisuuden sovelluksia esimerkiksi kuljettimien nopeisiin liimamekanismeihin tai nopeaan tarttuvaan mekanismiin pehmeässä robotiikassa.
Tärkeintä on, että tämä työ tarjoaa arvokasta tietoa sammakkoeläinten biologiasta ja toiminnasta - näistä 40 prosenttia on katastrofaalisessa taantumassa tai jo kuollut. Yhteistyössä sammakkoeläinsäätiön kanssa, meillä oli pääsy eläviin ja säilyneisiin sammakonlajeihin. Tutkimuksemme tulokset antavat meille paremman käsityksen tästä haavoittuneesta ryhmästä. Sammakko- ja rupikonnalajien ainutlaatuisista toiminnoista kerätty tieto voi auttaa säilyttämispäätöksiä populaatioiden hallinnassa dynaamisissa ja taantuvissa ekosysteemeissä.
Vaikka vihreänä oleminen ei ole helppoa, sammakko saattaa löytää lohtua siitä, että sen kieli on hämmästyttävä liima.
Tämä artikkeli on alun perin julkaistu keskustelussa. Lue alkuperäinen artikkeli.
Alexis Noel on jatko-opiskelija biomekaniikassa Georgian teknillisessä instituutissa
David Hu on mekaanisen tekniikan ja biologian apulaisprofessori ja fysiikan apulaisprofessori Georgian tekniikan instituutissa
