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青蛙滑溜溜的舌头,是怎么粘住苍蝇的?

科学 研究 青蛙 胶水
中国科学院计算机网络信息中心

说起青蛙捕食,你的脑海中一定会浮现出这样的场景:一只青蛙伸出长长的舌头,以迅雷不及掩耳之势,粘住在空中扑腾的苍蝇,然后快速收回口中。

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图片来源:gizmodo.com

哪怕没有亲眼看到过,但你应该很熟悉这个过程,因为这个场景被多次用来做成科普插画、小游戏、动画场景等等。当然,还有各种搞笑视频。

研究青蛙舌头的灵感,就来源于一则搞笑视频。

诞生于搞笑视频的青蛙研究

有一天,就职于佐治亚理工学院的生物物理学家Alexis C. Noel(以下简称诺埃尔)正在网上冲浪,刷到了这么一个视频:

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视频动图。图片来源:ThumbPress

这个视频很火,起码在2011年的时候是爆款,播放量在油管上达到了1300w。短短的26秒中,一只青蛙正在吐舌头攻击手机屏幕里的蚂蚁,想要吃掉它们……

一个想法在诺埃尔的脑海中一闪而过:青蛙是怎么迅速地用舌头粘住虫子的?她觉得这是一个值得研究的问题。

于是诺埃尔做的第一件事,就是跑到亚特兰大动物园,用高速摄影机拍下各种青蛙捕食虫子的视频。这个倒霉的虫子正是蟋蟀。

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图片来源:文献1

通过对视频进行分析,她发现,一只青蛙在0.07秒内就可以捉到一只蟋蟀。换句话说,如果你眨眼需要0.2秒,那么在你眨眼之间,它就可以捉3只蟋蟀了。

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图片来源:文献1

青蛙用来捕食的舌头不仅速度快,力量也大。在这短短的一瞬间里,舌头的加速度能达到重力加速度的12倍。也就是说,一只小小的蟋蟀在被青蛙舌头攻击到的一瞬间,就像被一元硬币砸到了。

蟋蟀重量也就0.7克左右,而一个硬币大约是5克,如果你是那只蟋蟀,你感受到的力相当于被几个两百斤的胖子压在身上。

粘糊糊的青蛙舌头,神奇在哪里?

大家一定很好奇,用手摸青蛙粘糊糊的舌头是什么感觉,诺埃尔也很好奇。于是,她用手去测试了一下,嗯,果然很粘。

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图片来源:文献1

具体什么感受,诺埃尔是这么说的:摸起来就像棉花糖或嚼过的口香糖。

青蛙的舌头粘不是因为舌头本身,而是因为舌头上粘液腺分泌的、像水凝胶一样粘附着的唾液。所以诺埃尔和同事从各种青蛙和蟾蜍的嘴中弄下来粘糊糊的唾液,作为实验样本进行测试。这些唾液的厚度是人类唾液的7倍,最厚达到了0.7mm。

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右侧是青蛙唾液,左侧是一个参考物。图片来源:文献1

为了进一步分析,诺埃尔从大学生物课上解剖过的青蛙嘴里,把舌头弄出来,然后一点点地用勺子慢慢地刮唾液。光是弄唾液这件事,就花了好几个小时……

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图片来源:文献1

然后把这些唾液放到椎板流变仪(一种测试液体粘度的仪器)上测试,结果显示这些粘液的粘度达到了70pa/s。你可能对这个数值不太敏感,换算一下,它代表着青蛙唾液粘度是人类的50000倍。是不是感觉很恐怖……

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图片来源:文献1

青蛙口水的粘度,还会变来变去

但其实,青蛙唾液只有在某种情况下才这么粘,其他时候粘度则不太高。为什么会这样?

因为这些唾液兼具了流体和固体的性质。你也许听过这么一个概念——非牛顿流体。简言之,流得越快,粘性就越低。对的,青蛙的口水也是非牛顿流体。

在青蛙吐出舌头,碰到蟋蟀的时候,唾液的粘性会降低 100 倍,然后口水会完全包裹住蟋蟀,进入其每一个缝隙。

当青蛙舌头开始往回拉的时候,相对而言,收回的速度比伸出去的速度慢了不少。这时候,粘液变得非常粘稠,蟋蟀就被完全粘在了舌头上。

这种感觉就像你在刷墙一样,如果刷墙的速度很快,会感觉很顺畅,但如果慢到一定程度,就会有一种粘糊糊的感觉。

问题来了,既然唾液这么粘,青蛙是怎么把它吞下去的呢?

答案是——用眼珠子来帮助吞咽。科学家用X光机观察青蛙的吞咽场景,发现当蟋蟀进入了青蛙口中,青蛙必须把蟋蟀松开。

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青蛙吞咽蟋蟀前。图片来源:文献2

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青蛙吞咽蟋蟀后,注意眼珠子的位置变化。图片来源:文献2

这时候,青蛙的眼珠子会往回缩,通过眼部肌肉带动紧密相连的口腔肌肉,把食物推进去,来帮助吞咽。这就是青蛙用舌头捕食的秘密。

为什么要研究这么一个“无聊”的东西?

青蛙利用口水捕食,看起来是个很无聊的研究,不过说到这,就得提到诺埃尔的导师胡立德,他本身就是一个做无聊研究的教授,比如哺乳动物尿尿都是21秒……甚至他还得过搞笑诺贝尔奖。有人问他,搞这些研究不是浪费经费吗?他回应:我就是这个国家最浪费的科学家!当然也只是调侃而已。

回到青蛙捕食的问题,这个研究最有可能用到的地方就是研究出一种高速粘接的可逆胶水,即可以通过控制速度达到不同粘性的胶水,在需要粘东西的时候跟502胶一样,而在需要脱落的时候能马上失去粘性。

有的科学研究做出来就能发挥价值,叫应用科学;有的科学研究可能要十年甚至几十年后才能发挥价值,叫基础科学。研究青蛙的舌头属于后者,这也就是研究“无聊”科学的意义。

参考文献:

[1] Noel A C, Guo H Y, Mandica M, et al. Frogs use a viscoelastic tongue and non-Newtonian saliva to catch prey[J]. Journal of the Royal Society Interface, 2017, 14(127): 20160764.

[2] Hammerman DL. 1969The frog tongue: I. General development and histogenesis of filiform papillae and mucous glands in Rana catesbeiana. Acta Zool. 50, 11–23.

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本文由科普中国融合创作出品,苏澄宇制作,中国科学院计算机网络信息中心监制

评论
无限探索者
少师级
研究青蛙舌头的秘密,制造出一种与该粘液具有相同特性的粘合剂,似乎可以帮助我们摆脱一些棘手的困境。
2022-08-06
克普中国
少傅级
青蛙利用口水捕食,看起来是个很无聊的研究,其实这是仿生学,作用非常大!
2022-08-06
传承解惑
少师级
因为这些唾液兼具了流体和固体的性质。
2022-08-06