Come si rimane bloccati a studiare le lingue delle rane? Il nostro studio nel mondo appiccicoso e viscido delle rane è iniziato tutto con un video umoristico di una vera rana toro africana che si lancia contro falsi insetti in un gioco per cellulare. Questa rana era chiaramente un esperto di giochi; la velocità e l'accuratezza della sua lingua potrebbero competere con il pollice degli adolescenti con messaggi di testo.
Ulteriori ricerche su YouTube hanno prodotto incredibili video di rane che mangiano topi, tarantole e persino altre rane.
La versatile lingua di rana può afferrare superfici bagnate, pelose e scivolose con uguale facilità. Fa molto meglio dei nostri adesivi ingegnerizzati: nemmeno i nastri domestici possono attaccarsi saldamente a superfici bagnate o polverose. Ciò che rende questa lingua ancora più impressionante è la sua velocità: oltre 4.000 specie di rana e rospo rapiscono più velocemente di quanto un umano possa battere le palpebre.
Cosa rende la lingua della rana così appiccicosamente unica? Il nostro gruppo mirava a scoprirlo.
La prima attenzione scientifica moderna sulle lingue delle rane arrivò nel 1849, quando il biologo Augustus Waller pubblicò il primo studio documentato sulla lingua delle rane su nervi e papille: le microstrutture superficiali trovate sulla lingua. Waller era affascinato dalla natura morbida e appiccicosa della lingua della rana e da quelli che chiamava "i vantaggi peculiari posseduti dalla lingua della rana vivente ... l'estrema elasticità e la trasparenza di questo organo mi hanno indotto a sottoporlo al microscopio."
165 anni avanti veloce, quando i ricercatori di biomeccanica Kleinteich e Gorb furono i primi a misurare le forze della lingua nella rana cornuta Ceratophrys cranwelli . Hanno scoperto nel 2014 che le forze di adesione delle rane possono raggiungere fino a 1, 4 volte il peso corporeo. Ciò significa che la lingua della rana appiccicosa è abbastanza forte da sollevare quasi il doppio del suo stesso peso. Hanno postulato che la lingua si comporta come un nastro adesivo o un adesivo sensibile alla pressione, una superficie permanentemente appiccicosa che aderisce ai substrati sotto una leggera pressione.
Lingua di rana che regge una capsula di Petri solo con la sua viscosità. (Alexis Noel / Georgia Tech, CC BY-ND) Per iniziare il nostro studio sulle lingue di rana appiccicose, abbiamo filmato varie rane e rospi che mangiano insetti usando la videografia ad alta velocità. Abbiamo scoperto che la lingua della rana è in grado di catturare un insetto in meno di 0, 07 secondi, cinque volte più veloce di un battito di ciglia. Inoltre, l'accelerazione degli insetti verso la bocca della rana durante la cattura può raggiungere 12 volte l'accelerazione della gravità. Per fare un confronto, gli astronauti normalmente sperimentano circa tre volte l'accelerazione di gravità durante un lancio di un razzo.
Incuriositi, volevamo capire come la lingua appiccicosa trattiene così bene la preda alle alte accelerazioni. Prima dovevamo raccogliere alcune lingue di rana. Qui alla Georgia Tech, abbiamo rintracciato una lezione di dissezione di biologia nel campus, che utilizzava regolarmente rane di leopardo settentrionale.
Il piano era questo: colpire il tessuto della lingua per determinare la morbidezza e girare la saliva della rana tra due piastre per determinare la viscosità. Morbidezza e viscosità sono parametri comuni per il confronto di materiali solidi e fluidi, rispettivamente. La morbidezza descrive la deformazione della lingua quando viene applicata una forza di stiramento e la viscosità descrive la resistenza della saliva ai movimenti.
Determinare la morbidezza del tessuto della lingua della rana non è stato un compito facile. Abbiamo dovuto creare i nostri strumenti di indentazione poiché la morbidezza della lingua era al di là delle capacità delle tradizionali apparecchiature di prova dei materiali nel campus. Abbiamo deciso di utilizzare una macchina di indentazione, che colpisce materiali biologici e misura le forze. La relazione forza-spostamento può quindi descrivere la morbidezza in base alla forma della testa di rientro, come un cilindro o una sfera.
Quando la testa del rientro si allontana dalla lingua, aderisce e si allunga. (Alexis Noel / Georgia Tech, CC BY-ND) Tuttavia, le teste tipiche per le macchine di rientro possono costare $ 500 o più. Non volendo spendere soldi o aspettare la spedizione, abbiamo deciso di realizzare i nostri indentatori sferici e a testa piatta con orecchini in acciaio inossidabile. Dopo i nostri test, abbiamo scoperto che le lingue delle rane sono morbide quasi quanto il tessuto cerebrale e 10 volte più morbide della lingua umana. Sì, abbiamo testato il tessuto del cervello e della lingua umana (post mortem) in laboratorio per il confronto.
Per testare le proprietà della saliva, abbiamo riscontrato un problema: la macchina che filava la saliva di rana richiedeva circa un quinto di un cucchiaino di liquido per eseguire il test. Sembra piccolo, ma non nel contesto della raccolta dello sputo di rana. Gli anfibi sono unici in quanto secernono la saliva attraverso le ghiandole situate sulla loro lingua. Quindi, una notte abbiamo trascorso alcune ore a raschiare 15 lingue di rana morta per ottenere un campione di saliva abbastanza grande per l'apparecchiatura di prova.
Come togli la saliva da una lingua di rana? Facile. Innanzitutto, tiri fuori la lingua dalla bocca. In secondo luogo, strofini la lingua su un foglio di plastica fino a formare un (piccolo) globulo di saliva. I globuli si formano a causa delle proteine del muco a catena lunga che esistono nella saliva della rana, proprio come la saliva umana; queste proteine si aggrovigliano come la pasta quando sono roteate. Quindi afferra rapidamente il globulo usando una pinzetta e lo metti in un contenitore ermetico per ridurre l'evaporazione.
Dopo il test, siamo rimasti sorpresi di scoprire che la saliva è un fluido viscoelastico a due fasi. Le due fasi dipendono dalla velocità di taglio della saliva, quando si riposa tra piastre parallele. A basse velocità di taglio, la saliva è molto spessa e viscosa; a velocità di taglio elevate, la saliva della rana diventa sottile e liquida. Questo è simile alla vernice, che si stende facilmente con un pennello, ma rimane saldamente aderita al muro. Sono queste due fasi che danno alla saliva la sua reversibilità nella cattura delle prede, per aderire e liberare un insetto.
In che modo i tessuti molli e una saliva bifase aiutano la lingua della rana ad attaccarsi a un insetto? Camminiamo attraverso uno scenario di cattura di prede, che inizia con una lingua di rana che esce dalla bocca e sbatte contro un insetto.
Durante questa fase di impatto, la lingua si deforma e si avvolge attorno all'insetto, aumentando l'area di contatto. La saliva diventa liquida, penetrando nelle fessure degli insetti. Mentre la rana tira la lingua indietro nella bocca, il tessuto si allunga come una molla, riducendo le forze sull'insetto (simile a come una corda elastica riduce le forze sulla caviglia). La saliva ritorna al suo stato denso e viscoso, mantenendo un'alta presa sull'insetto. Una volta che l'insetto è all'interno della bocca, i bulbi oculari spingono l'insetto in gola, facendo diventare la saliva ancora più sottile e liquida.
È possibile che districare i segreti di adesione delle lingue delle rane possa avere applicazioni future per cose come meccanismi adesivi ad alta velocità per nastri trasportatori o meccanismi di presa rapida nella robotica leggera.
Ancora più importante, questo lavoro fornisce preziose informazioni sulla biologia e sulla funzione degli anfibi, il 40% dei quali è in declino catastrofico o è già estinto. Lavorando con l'organizzazione per la conservazione La Fondazione Anfibio, abbiamo avuto accesso a specie di rane vive e conservate. I risultati della nostra ricerca ci forniscono una maggiore comprensione di questo gruppo in pericolo. Le conoscenze raccolte sulle funzioni uniche delle specie di rane e rospi possono informare le decisioni di conservazione per la gestione delle popolazioni in ecosistemi dinamici e in declino.
Anche se non è facile essere verdi, una rana può trovare conforto nel fatto che la sua lingua è un adesivo straordinario.
Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale
Alexis Noel è dottorando in Biomeccanica presso il Georgia Institute of Technology
David Hu è professore associato di ingegneria meccanica e biologia e professore associato associato di fisica presso il Georgia Institute of Technology
