自然界最强502胶水!为何青蛙的舌头如此粘?

2017-02-15 09:50:28 来源: 网易科学人
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出品 | 王真 网易科学人栏目组


4年前,美国佐治亚理工学院的博士生艾力克西斯·诺埃尔(Alexis Noel)参观了一个解剖班,并提出个奇怪的要求。当同学们解剖青蛙时,诺埃尔询问是否能够获得青蛙的舌头?最终,她得到了想要的东西。

诺埃尔非常喜欢青蛙,因此当她后来加入大卫·胡(David Hu)的生物力学实验室时,她终于抓住机会研究它们。胡对此也很热衷。在研究过程中,他们发现了物理学上的奇迹。这些青蛙用令人难以置信的速度和准确度将自己的粘性舌头对准猎物。后来,胡用高速相机跟拍豹纹蛙,发现其可以在不到0.07秒的时间内捕食昆虫,比人类眨眼的速度还快5倍。当青蛙的舌头击中猎物时,其冲击目标的力量相当于重力加速度的12倍。然而,猎物没有被击飞,而是依然被牢牢黏住。

尝试设计一种潮湿材料,它可以高速击中高质感的对象,并且将其黏住。现在还没有人取得成功,然而青蛙每次进食时都可以再现这个奇迹。自从19世纪以来,人们就开始研究青蛙的舌头,但他们至今依然无法理解青蛙舌头为何如此有粘性。为了找出原因,诺埃尔从解剖班收集青蛙舌头,并用她的手指戳它们。诺埃尔与胡对青蛙舌头的如软感到吃惊。胡说:“它们摸起来就像橡皮泥。当你碰触时,它会告诉你是固体还是液体。然而,它们拥有惊人的粘性,与刚咀嚼过的口香糖或棉花糖相似。”

随后,诺埃尔提着装有青蛙舌头的血淋淋的袋子前往材料测试实验室,并在校园尸体农场采集到人类舌头。通过将气缸缓慢压入舌头中,她发现人类舌头的僵硬程度是青蛙舌头的10倍。的确,某些青蛙样本的舌头堪称是伸出来的最柔软生物材料。胡说:“它们就像人类大脑那样柔软,但大脑不会伸出体外抓东西。”当青蛙舌头击中昆虫时,其超级柔软的特性可缠住目标,尽可能提供最大的接触面积。美国康涅狄格大学的柯尔特·施文克(Kurt Schwenk)说,舌头自己的惯性也会促使其向外旋转时不断延伸,增加青蛙的捕猎范围和突袭昆虫的能力。

此外,青蛙舌头还有内置减震器,这些脂肪和肌肉可以抵制舌头冲击释放的能量。当舌头缩回时,这些机制同样能够发挥作用:它们可以阻止昆虫逃离,尽管它们不断加大挣扎的力度。胡说:“青蛙的舌头就像蹦床和棒球手套,可以延伸来抓住你。”

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克莱蒙特学院的詹娜·蒙罗伊(Jenna Monroy)说:“豹纹蛙向来以吃各种昆虫、蚯蚓以及其他无脊椎动物闻名。豹纹蛙很可能根据猎物的大小来激活舌头上的肌肉,以调整舌头的硬度和接触时间,确保成功捕捉到猎物。”但诺埃尔说:“非常柔软只是青蛙舌头如此强大的原因之一,另一个原因是青蛙的唾液。”

诺埃尔与同事们花了很长时间,从他们收集的青蛙舌头上刮下唾液。胡说:“青蛙的舌头具有高度粘性,因此你必须用刮刀刮青蛙舌头。半个小时后,我们才收集到半毫升青蛙唾液,它就像世界上最珍贵的材料。”诺埃尔说:“此前,人们认为青蛙的唾液是粘稠的。”但是当她进行研究时,发现青蛙唾液属于非牛顿流体,这种流体的性质会基于施加给它们的力量而改变。当你搅拌时,蜂蜜会从固体变成液体。如果你击打水和玉米淀粉混合物,它会变成固态。如果你摇晃瓶子,番茄酱就会变稀释。唾液就像番茄酱,力量会让它的粘性稀释。如果将力量作用于人类唾液上,其稀疏度会达到10倍,而青蛙唾液会稀释100倍。

因此,当青蛙舌头击中昆虫时,其唾液会自由流动,很容易渗透到各类缝隙中。当青蛙舌头速度降低,并开始回收时,唾液又会重新变成黏糊状,相当于用封闭的拳头将猎物抓回来。北亚利桑那大学的吉萨·尼什科瓦(Kiisa Nishikawa)说:“这份分析有助于解释许多奇特的观察结果,比如为何青蛙使用它们的眼球背部将猎物推下喉咙。”

当昆虫进入青蛙嘴里时,青蛙必须放松舌头。幸运的是,所有粘合效果在垂直方向表现最好,但其可能很难将昆虫拉出来。青蛙需要利用某个器官推动昆虫,它们选择了利用眼球。12年前,罗伯特·利文(Robert Levine)曾利用X光视频展示青蛙吞咽过程,它的眼球向内缩回,然后将猎物从舌头上推向咽喉。

许多对粘性动物的研究有助于新材料的研发。壁虎的爬墙能力为强力干胶的出现提供了灵感;贻贝粘性纤维网的根须可帮助其固定在岩石上,帮助研发出能在水下生效的胶水。蠕虫帮助开发出更好的医用胶带,血耐胶水可无需缝合帮助修补器官。谁知道青蛙的舌头会有什么样的神奇功效?胡说:“想象下你可以迅速缝合伤口,然后缝合线迅速变硬。或者开发新式创可贴,当你迅速剥离它们时只会引发更小伤害。”

北亚利桑那大学的吉萨·尼什科瓦问道:“为何我们要在乎这些东西呢?因为从生物学上获得的灵感可被用于解决人类遇到的实际问题。青蛙的舌头似乎相当神秘,但需要记住抗生素来自面包霉。”

与此同时,诺埃尔正将注意力转向猫的舌头,上面有微小的尖刺,诺埃尔想要知道它们是否帮助猫咪清洁自己、从骨头上剔肉或做其他事情。诺埃尔说:“我正研究家猫和老虎的舌头,我最喜欢的两种动物就是猫和青蛙,我现在正研究它们,生活多么美好啊!”

王真 本文来源:网易科学人 责任编辑:王真_NT5228
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