Hoe kom je vast te zitten in het bestuderen van kikkertongen? Onze studie naar de plakkerige, slijmerige wereld van kikkers begon allemaal met een humoristische video van een echte Afrikaanse brulkikker die op nepinsecten rondliep in een mobiel spel. Deze kikker was duidelijk een expert in gamen; de snelheid en nauwkeurigheid van zijn tong zou kunnen concurreren met de duimen van sms-tieners.
Verder YouTube-onderzoek leverde verbazingwekkende video's op van kikkers die muizen, vogelspinnen en zelfs andere kikkers aten.
De veelzijdige kikkertong kan even gemakkelijk natte, harige en gladde oppervlakken vastpakken. Het doet het veel beter dan onze ontwikkelde lijmen - zelfs huishoudelijke tapes kunnen niet goed vasthouden aan natte of stoffige oppervlakken. Wat deze tong nog indrukwekkender maakt, is zijn snelheid: meer dan 4.000 soorten kikkers en padhaken prooien sneller dan een mens kan knipperen.
Wat maakt de kikkertong zo uniek plakkerig? Onze groep wilde erachter komen.
Vroege moderne wetenschappelijke aandacht voor kikkertongen kwam in 1849, toen bioloog Augustus Waller de eerste gedocumenteerde kikkertongstudie over zenuwen en papillen publiceerde - de microstructuren aan de oppervlakte die op de tong worden gevonden. Waller was gefascineerd door de zachte, plakkerige aard van de kikkertong en wat hij noemde "de bijzondere voordelen van de tong van de levende kikker ... de extreme elasticiteit en transparantie van dit orgaan bracht me ertoe het aan de microscoop te onderwerpen."
Snel vooruit 165 jaar, toen biomechanica-onderzoekers Kleinteich en Gorb de eerste waren om tongkrachten te meten in de gehoornde kikker Ceratophrys cranwelli . Ze ontdekten in 2014 dat de adhesiekrachten van de kikker tot 1, 4 keer het lichaamsgewicht kunnen bereiken. Dat betekent dat de plakkerige kikkertong sterk genoeg is om bijna twee keer zijn eigen gewicht te tillen. Ze stelden dat de tong werkt als plakband of een drukgevoelige kleefstof - een permanent plakkerig oppervlak dat onder lichte druk hecht aan substraten.
Kikkertong die een petrischaal met alleen zijn plakkerigheid steunt. (Alexis Noel / Georgia Tech, CC BY-ND) Om onze eigen studie over plakkerige kikkertongen te beginnen, filmden we verschillende kikkers en padden die insecten aten met behulp van high-speed videografie. We ontdekten dat de tong van de kikker een insect kan vangen in minder dan 0, 07 seconden, vijf keer sneller dan een menselijk oogknippertje. Bovendien kan insectenversnelling in de richting van de mond van de kikker tijdens het vangen 12 keer de versnelling van de zwaartekracht bereiken. Ter vergelijking: astronauten ervaren normaal gesproken ongeveer drie keer de versnelling van de zwaartekracht tijdens een raketlancering.
We waren diep geïntrigeerd en wilden begrijpen hoe de kleverige tong zijn prooi zo goed vasthoudt bij hoge versnellingen. We moesten eerst wat kikkertongen verzamelen. Hier bij Georgia Tech hebben we een dissectieklasse op de campus opgespoord, die regelmatig noordelijke luipaardkikkers gebruikte.
Het plan was dit: Prik in het tongweefsel om de zachtheid te bepalen en draai het speeksel van de kikker tussen twee platen om de viscositeit te bepalen. Zachtheid en viscositeit zijn gebruikelijke meetwaarden voor het vergelijken van respectievelijk vaste en vloeibare materialen. Zachtheid beschrijft tongvervorming wanneer een strekkracht wordt uitgeoefend, en viscositeit beschrijft de weerstand van speeksel tegen beweging.
Het bepalen van de zachtheid van kikkertongweefsel was geen gemakkelijke taak. We moesten onze eigen inspringingsgereedschappen maken, omdat de tongzachtheid niet verder ging dan de traditionele materiaaltestapparatuur op de campus. We besloten een inspringingsmachine te gebruiken, die biologische materialen porren en krachten meten. De kracht-verplaatsingsrelatie kan dan zachtheid beschrijven op basis van de vorm van de indrukkop, zoals een cilinder of bol.
Wanneer de indrukkop van de tong wegtrekt, hecht deze zich en rekt deze uit. (Alexis Noel / Georgia Tech, CC BY-ND) Typische koppen voor inspringingsmachines kunnen echter $ 500 of meer kosten. Omdat we het geld niet wilden uitgeven of wachten op verzending, besloten we om onze eigen bolvormige en platte kopsprongen te maken van roestvrijstalen oorbellen. Na onze tests ontdekten we dat kikkertongen ongeveer zo zacht zijn als hersenweefsel en 10 keer zachter zijn dan de menselijke tong. Ja, we hebben hersen- en humaan tongweefsel (post mortem) in het laboratorium getest ter vergelijking.
Voor het testen van speekseleigenschappen stuitten we op een probleem: de machine die speeksel van de kikker zou laten draaien vereiste ongeveer een vijfde van een theelepel vloeistof om de test uit te voeren. Klinkt klein, maar niet in de context van het verzamelen van kikkerspit. Amfibieën zijn uniek omdat ze speeksel afscheiden door klieren op hun tong. Dus, op een nacht brachten we een paar uur door met het schrapen van 15 dode kikkertongen om een speekselmonster te krijgen dat groot genoeg was voor de testapparatuur.
Hoe krijg je speeksel van een kikkertong? Gemakkelijk. Eerst trek je de tong uit de mond. Ten tweede, wrijf je de tong op een plastic vel totdat een (kleine) speekselbolletje wordt gevormd. Druppeltjes vormen zich door de lange-keten slijmproteïnen die in het kikker-speeksel voorkomen, net als menselijk speeksel; deze eiwitten klitten als pasta wanneer ze ronddraaien. Vervolgens pak je snel de bolletje met een pincet en plaats je deze in een luchtdichte container om verdamping te verminderen.
Na het testen waren we verrast te ontdekken dat het speeksel een tweefasige visco-elastische vloeistof is. De twee fasen zijn afhankelijk van hoe snel het speeksel wordt geschoren, wanneer het tussen parallelle platen rust. Bij lage afschuifsnelheden is het speeksel erg dik en viskeus; bij hoge afschuifsnelheden wordt het speeksel van de kikker dun en vloeibaar. Dit is vergelijkbaar met verf, die gemakkelijk met een kwast kan worden verspreid, maar toch stevig aan de muur blijft hangen. Het zijn deze twee fasen die het speeksel zijn omkeerbaarheid geven bij het vangen van prooien, voor het aanhangen en vrijgeven van een insect.
Hoe helpen zacht weefsel en een tweefasen speeksel de kikkertong aan een insect te plakken? Laten we een prooi-vangstscenario doorlopen, dat begint met een kikkertong die uit de mond zoemt en tegen een insect botst.
Tijdens deze impactfase vervormt en wikkelt de tong zich rond het insect, waardoor het contactgebied toeneemt. Het speeksel wordt vloeibaar en dringt door in de insectenbarsten. Terwijl de kikker zijn tong terug in de mond trekt, rekt het weefsel uit als een veer, waardoor de krachten op het insect worden verminderd (vergelijkbaar met hoe een elastiek de krachten op je enkel vermindert). Het speeksel keert terug naar zijn dikke, viskeuze toestand, met behoud van een hoge grip op het insect. Zodra het insect in de mond is, duwen de oogbollen het insect door de keel, waardoor het speeksel weer dun en vloeibaar wordt.
Het is mogelijk dat het ontrafelen van de hechtingsgeheimen van kikkertongen toekomstige toepassingen zou kunnen hebben voor zaken als supersnelle kleefmechanismen voor transportbanden of snel grijpmechanismen in zachte robotica.
Het belangrijkste is dat dit werk waardevol inzicht biedt in de biologie en functie van amfibieën - waarvan 40 procent catastrofaal achteruitgaat of al uitgestorven is. In samenwerking met natuurbeschermingsorganisatie The Amphibian Foundation hadden we toegang tot levende en bewaarde kikkersoorten. De resultaten van ons onderzoek geven ons een beter begrip van deze imperile groep. De kennis die is verzameld over unieke functies van kikker- en paddensoorten kan besluiten tot instandhouding van populaties in dynamische en afnemende ecosystemen helpen.
Hoewel het niet gemakkelijk is om groen te zijn, kan een kikker troost vinden in het feit dat zijn tong een geweldige lijm is.
Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.
Alexis Noel is een promovendus in biomechanica aan het Georgia Institute of Technology
David Hu is universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en biologie en universitair hoofddocent natuurkunde aan het Georgia Institute of Technology
