Wie fängt die schlüpfrige Zunge eines Frosches eine Fliege?

Wenn es um die Froschjagd geht, kommt Ihnen bestimmt folgende Szene in den Sinn: Ein Frosch streckt seine lange Zunge aus, schnappt sich eine blitzschnell durch die Luft flatternde Fliege und zieht sie dann schnell wieder in sein Maul zurück.

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Auch wenn Sie es nicht mit eigenen Augen gesehen haben, sollten Sie mit diesem Vorgang vertraut sein, da diese Szene schon oft verwendet wurde, um populärwissenschaftliche Illustrationen, kleine Spiele, Animationsszenen usw. zu erstellen. Natürlich gibt es auch verschiedene lustige Videos.

Die Inspiration zum Studium der Froschzunge kam durch ein lustiges Video.

Froschforschung aus lustigen Videos geboren

Eines Tages surfte Alexis C. Noel, ein Biophysiker am Georgia Institute of Technology, im Internet und sah ein Video wie dieses:

Video-GIF. Bildnachweis: ThumbPress

Dieses Video erfreut sich großer Beliebtheit, zumindest war es 2011 mit 13 Millionen Aufrufen auf YouTube ein Hit. In nur 26 Sekunden streckt ein Frosch seine Zunge heraus, um die Ameisen auf dem Telefonbildschirm anzugreifen und zu versuchen, sie zu fressen ...

Noel kam eine Idee: Wie gelingt es Fröschen, mit ihrer Zunge schnell an Insekten haften zu bleiben? Sie war der Meinung, dass es sich lohne, dieses Thema näher zu untersuchen.

Also rannte Noel als Erstes zum Atlanta Zoo und nahm mit einer Hochgeschwindigkeitskamera Videos von verschiedenen Fröschen auf, die Insekten fangen. Das unglückliche Insekt war die Grille.

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Durch die Analyse des Videos fand sie heraus, dass ein Frosch eine Grille in 0,07 Sekunden fangen kann. Mit anderen Worten: Wenn Sie zum Blinzeln 0,2 Sekunden brauchen, können Sie damit im Handumdrehen drei Grillen fangen.

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Die Zunge, mit der Frösche Beute fangen, ist nicht nur schnell, sondern auch kraftvoll. In diesem kurzen Moment kann die Beschleunigung der Zunge das 12-fache der Erdbeschleunigung erreichen. Mit anderen Worten: Wenn eine kleine Grille von der Zunge eines Frosches angegriffen wird, ist das, als würde sie von einer Ein-Dollar-Münze getroffen.

Eine Grille wiegt nur etwa 0,7 Gramm und eine Münze etwa 5 Gramm. Wenn Sie diese Grille wären, würden Sie eine Kraft spüren, die dem Niederdrücken durch mehrere 200 Pfund schwere dicke Männer entspricht.

Was ist so magisch an der klebrigen Froschzunge?

Jeder ist bestimmt neugierig, wie es sich anfühlt, die klebrige Zunge eines Frosches zu berühren, und Noel war auch neugierig. Also testete sie es mit ihrer Hand und tatsächlich war es sehr klebrig.

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Noel beschrieb es so: „Es fühlt sich an wie Marshmallow oder Kaugummi.“

Dass die Zunge eines Frosches klebrig ist, liegt nicht an der Zunge selbst, sondern am Speichel, der von den Schleimdrüsen auf der Zunge abgesondert wird und wie ein Hydrogel klebt. Also testeten Noel und seine Kollegen Proben des schleimigen Speichels, der aus den Mäulern verschiedener Frösche und Kröten tropfte. Der Speichel ist siebenmal dicker als menschlicher Speichel und erreicht eine Dicke von 0,7 mm.

Rechts ist Froschspeichel und links ein Referenzobjekt. Bildquelle: Dokument 1

Um es weiter zu analysieren, entfernte Noel die Zunge aus dem Maul eines Frosches, den er im Biologieunterricht an der Uni seziert hatte, und kratzte dann langsam Stück für Stück den Speichel mit einem Löffel heraus. Allein das Erhalten des Speichels dauerte mehrere Stunden …

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Der Speichel wurde dann mit einem Lamina-Rheometer (einem Gerät zum Testen der Viskosität von Flüssigkeiten) getestet und die Ergebnisse zeigten, dass die Viskosität des Schleims 70 Pa/s erreichte. Möglicherweise reagieren Sie auf diese Zahl nicht besonders empfindlich. Umgerechnet bedeutet dies, dass die Viskosität von Froschspeichel 50.000 Mal höher ist als die von menschlichem Speichel. Fühlt es sich beängstigend an?

Bildquelle: Dokument 1

Die Viskosität des Froschspeichels verändert sich

Tatsächlich ist Froschspeichel jedoch nur unter bestimmten Umständen so klebrig und seine Viskosität ist zu anderen Zeiten nicht sehr hoch. Warum passiert das?

Denn dieser Speichel besitzt sowohl flüssige als auch feste Eigenschaften. Sie haben vielleicht schon von diesem Konzept gehört – nicht-Newtonsche Flüssigkeit. Kurz gesagt: Je schneller der Fluss, desto geringer die Viskosität. Ja, auch Froschspeichel ist eine nicht-newtonsche Flüssigkeit.

Wenn der Frosch seine Zunge herausstreckt und die Grille berührt, verringert sich die Viskosität seines Speichels um das Hundertfache, und dann umhüllt der Speichel die Grille vollständig und gelangt in jede Ritze ihres Körpers.

Wenn die Zunge des Frosches beginnt, sich zurückzuziehen, ist die Geschwindigkeit des Zurückziehens viel langsamer als die Geschwindigkeit des Ausstreckens. An diesem Punkt wird der Schleim sehr klebrig und die Grille klebt vollständig an der Zunge fest.

Es fühlt sich an, als würden Sie eine Wand streichen. Wenn Sie die Wand sehr schnell streichen, fühlt sie sich glatt an, wenn Sie sie jedoch zu langsam streichen, fühlt sie sich klebrig an.

Die Frage ist: Wenn Speichel so klebrig ist, wie können Frösche ihn dann schlucken?

Die Antwort lautet: Verwenden Sie Ihre Augäpfel zum Schlucken. Wissenschaftler beobachteten den Schluckvorgang von Fröschen mit Röntgengeräten und stellten fest, dass der Frosch die Grille loslassen musste, als sie in sein Maul gelangte.

Bevor der Frosch die Grille verschluckt. Bildquelle: Dokument 2

Nachdem der Frosch die Grille verschluckt hat, achten Sie auf die Veränderung der Position seiner Augäpfel. Bildquelle: Dokument 2

Zu diesem Zeitpunkt ziehen sich die Augäpfel des Frosches zurück und die Augenmuskeln treiben die eng verbundenen Mundmuskeln an, um die Nahrung hineinzuschieben und so das Schlucken zu erleichtern. Dies ist das Geheimnis, wie Frösche ihre Zungen zum Fangen von Nahrung verwenden.

Warum so etwas „Langweiliges“ studieren?

Dass Frösche Speichel zur Jagd verwenden, scheint eine sehr langweilige Forschung zu sein, aber wenn wir gerade dabei sind, müssen wir Noels Mentor Hu Lide erwähnen, der selbst Professor ist und langweilige Forschung betreibt. Säugetiere brauchen beispielsweise 21 Sekunden zum Urinieren … Er hat sogar den Ig-Nobelpreis gewonnen. Jemand fragte ihn: „Ist es nicht Geldverschwendung, diese Art von Forschung zu betreiben?“ Er antwortete: „Ich bin der verschwenderischste Wissenschaftler dieses Landes!“ Natürlich ist es nur ein Witz.

Zurück zum Thema der Froschprädation: Die wahrscheinlichste Anwendung dieser Forschung ist die Entwicklung eines reversiblen Klebstoffs für Hochgeschwindigkeitsverbindungen, also eines Klebstoffs, der durch Steuerung der Geschwindigkeit unterschiedliche Viskositäten erreichen kann. Wenn es zum Zusammenkleben von Dingen erforderlich ist, ist es dasselbe wie 502-Kleber und kann seine Klebrigkeit sofort verlieren, wenn es abfallen muss.

Einige wissenschaftliche Forschungsarbeiten können unmittelbar nach ihrer Fertigstellung wertvoll sein. Dies wird als angewandte Wissenschaft bezeichnet. Manche wissenschaftliche Forschungen benötigen möglicherweise zehn oder sogar Dutzende Jahre, um wertvoll zu sein. Diese Forschung wird als Grundlagenforschung bezeichnet. Das Studium der Froschzungen fällt in die letztere Kategorie, und das bedeutet, „langweilige“ Wissenschaft zu studieren.

Quellen:

[1] Noel AC, Guo HY, Mandica M, et al. Frösche verwenden eine viskoelastische Zunge und nicht-newtonschen Speichel, um Beute zu fangen[J]. Journal of the Royal Society Interface, 2017, 14(127): 20160764.

[2] Hammerman DL. 1969Die Froschzunge: I. Allgemeine Entwicklung und Histogenese der fadenförmigen Papillen und Schleimdrüsen bei Rana catesbeiana. Acta Zool. 50, 11–23.

Dieser Artikel wurde von Science Popularization China erstellt, von Su Chengyu produziert und vom Computer Network Information Center der Chinesischen Akademie der Wissenschaften betreut.