¿Cómo se queda atascado estudiando lenguas de rana? Nuestro estudio sobre el pegajoso y viscoso mundo de las ranas comenzó con un video humorístico de una verdadera rana toro africana lanzándose a insectos falsos en un juego móvil. Esta rana era claramente una experta en juegos; La velocidad y la precisión de su lengua podrían rivalizar con los pulgares de los adolescentes que envían mensajes de texto.
Investigaciones posteriores de YouTube arrojaron increíbles videos de ranas comiendo ratones, tarántulas e incluso otras ranas.
La lengua de rana versátil puede agarrar superficies mojadas, peludas y resbaladizas con la misma facilidad. Funciona mucho mejor que nuestros adhesivos diseñados, ni siquiera las cintas domésticas pueden adherirse firmemente a superficies mojadas o polvorientas. Lo que hace que esta lengua sea aún más impresionante es su velocidad: más de 4.000 especies de presas de enganches de ranas y sapos más rápido de lo que un humano puede parpadear.
¿Qué hace que la lengua de rana sea tan pegajosa? Nuestro grupo tenía como objetivo averiguarlo.
La atención científica moderna temprana a las lenguas de rana llegó en 1849, cuando el biólogo Augustus Waller publicó el primer estudio documentado de lengua de rana en nervios y papilas, las microestructuras superficiales encontradas en la lengua. Waller estaba fascinado con la naturaleza suave y pegajosa de la lengua de rana y lo que llamó "las ventajas peculiares que posee la lengua de la rana viva ... la extrema elasticidad y transparencia de este órgano me indujeron a someterlo al microscopio".
Avance rápido 165 años, cuando los investigadores de biomecánica Kleinteich y Gorb fueron los primeros en medir las fuerzas de la lengua en la rana cornuda Ceratophrys cranwelli . Descubrieron en 2014 que las fuerzas de adhesión de las ranas pueden alcanzar hasta 1, 4 veces el peso corporal. Eso significa que la lengua pegajosa de la rana es lo suficientemente fuerte como para levantar casi el doble de su propio peso. Postularon que la lengua actúa como una cinta adhesiva o un adhesivo sensible a la presión, una superficie pegajosa permanente que se adhiere a los sustratos bajo una ligera presión.
Lengua de rana sosteniendo una placa de Petri solo con su pegajosidad. (Alexis Noel / Georgia Tech, CC BY-ND) Para comenzar nuestro propio estudio sobre lenguas de rana pegajosas, filmamos varias ranas y sapos comiendo insectos usando videografía de alta velocidad. Descubrimos que la lengua de la rana puede capturar un insecto en menos de 0.07 segundos, cinco veces más rápido que un parpadeo humano. Además, la aceleración de los insectos hacia la boca de la rana durante la captura puede alcanzar 12 veces la aceleración de la gravedad. En comparación, los astronautas normalmente experimentan alrededor de tres veces la aceleración de la gravedad durante el lanzamiento de un cohete.
Completamente intrigados, queríamos entender cómo la lengua pegajosa se aferra tan bien a la presa a altas aceleraciones. Primero tuvimos que juntar algunas lenguas de rana. Aquí en Georgia Tech, rastreamos una clase de disección de biología en el campus, que usaba ranas leopardo del norte de forma regular.
El plan era este: pinchar el tejido de la lengua para determinar la suavidad y girar la saliva de la rana entre dos placas para determinar la viscosidad. La suavidad y la viscosidad son métricas comunes para comparar materiales sólidos y fluidos, respectivamente. La suavidad describe la deformación de la lengua cuando se aplica una fuerza de estiramiento, y la viscosidad describe la resistencia al movimiento de la saliva.
Determinar la suavidad del tejido de la lengua de rana no fue tarea fácil. Tuvimos que crear nuestras propias herramientas de indentación ya que la suavidad de la lengua estaba más allá de las capacidades de los equipos tradicionales de prueba de materiales en el campus. Decidimos usar una máquina de sangría, que empuja materiales biológicos y mide fuerzas. La relación fuerza-desplazamiento puede describir la suavidad en función de la forma de la cabeza de indentación, como un cilindro o una esfera.
Cuando la cabeza de la muesca se separa de la lengua, se adhiere y se estira. (Alexis Noel / Georgia Tech, CC BY-ND) Sin embargo, los cabezales típicos para máquinas de sangría pueden costar $ 500 o más. No queriendo gastar el dinero o esperar en el envío, decidimos hacer nuestros propios penetradores esféricos y de cabeza plana con aretes de acero inoxidable. Después de nuestras pruebas, encontramos que las lenguas de rana son tan suaves como el tejido cerebral y 10 veces más suaves que la lengua humana. Sí, probamos el tejido cerebral y de la lengua humana (post mortem) en el laboratorio para comparar.
Para probar las propiedades de la saliva, nos encontramos con un problema: la máquina que hacía girar la saliva de la rana requería aproximadamente una quinta parte de una cucharadita de líquido para ejecutar la prueba. Suena pequeño, pero no en el contexto de coleccionar saliva de rana. Los anfibios son únicos porque secretan saliva a través de las glándulas ubicadas en su lengua. Entonces, una noche pasamos unas horas raspando 15 lenguas de rana muertas para obtener una muestra de saliva lo suficientemente grande como para el equipo de prueba.
¿Cómo se obtiene la saliva de una lengua de rana? Fácil. Primero, sacas la lengua de la boca. En segundo lugar, frota la lengua en una lámina de plástico hasta que se forma un glóbulo (pequeño) de saliva. Los glóbulos se forman debido a las proteínas mucosas de cadena larga que existen en la saliva de la rana, al igual que la saliva humana; Estas proteínas se enredan como la pasta cuando se arremolinan. Luego, rápidamente agarra el glóbulo con unas pinzas y lo coloca en un recipiente hermético para reducir la evaporación.
Después de la prueba, nos sorprendió descubrir que la saliva es un fluido viscoelástico de dos fases. Las dos fases dependen de la rapidez con que se corta la saliva cuando descansa entre placas paralelas. A bajas tasas de cizallamiento, la saliva es muy espesa y viscosa; a altas velocidades de cizallamiento, la saliva de la rana se vuelve delgada y líquida. Esto es similar a la pintura, que se extiende fácilmente con un pincel, pero permanece firmemente adherida a la pared. Son estas dos fases las que le dan a la saliva su reversibilidad en la captura de presas, para adherirse y liberar un insecto.
¿Cómo ayudan los tejidos blandos y la saliva de dos fases a que la lengua de la rana se adhiera a un insecto? Pasemos por un escenario de captura de presas, que comienza con una lengua de rana saliendo de la boca y chocando contra un insecto.
Durante esta fase de impacto, la lengua se deforma y se envuelve alrededor del insecto, lo que aumenta el área de contacto. La saliva se vuelve líquida, penetrando las grietas del insecto. A medida que la rana empuja su lengua hacia la boca, el tejido se estira como un resorte, reduciendo las fuerzas sobre el insecto (similar a cómo un cordón elástico reduce las fuerzas sobre el tobillo). La saliva vuelve a su estado espeso y viscoso, manteniendo un alto agarre sobre el insecto. Una vez que el insecto está dentro de la boca, los globos oculares empujan al insecto hacia la garganta, lo que hace que la saliva se vuelva delgada y líquida.
Es posible que desenredar los secretos de adhesión de las lenguas de rana podría tener aplicaciones futuras para cosas como mecanismos adhesivos de alta velocidad para cintas transportadoras o mecanismos de agarre rápido en robótica suave.
Lo más importante es que este trabajo proporciona información valiosa sobre la biología y la función de los anfibios, de los cuales el 40 por ciento está en declive catastrófico o ya se ha extinguido. Trabajando con la organización de conservación The Amphibian Foundation, tuvimos acceso a especies de ranas vivas y preservadas. Los resultados de nuestra investigación nos proporcionan una mayor comprensión de este grupo en peligro. El conocimiento reunido sobre las funciones únicas de las especies de ranas y sapos puede informar las decisiones de conservación para el manejo de poblaciones en ecosistemas dinámicos y en declive.
Si bien no es fácil ser verde, una rana puede encontrar consuelo en el hecho de que su lengua es un adhesivo increíble.
Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lee el artículo original.
Alexis Noel es estudiante de doctorado en biomecánica en el Instituto de Tecnología de Georgia
David Hu es profesor asociado de ingeniería mecánica y biología y profesor adjunto de física en el Instituto de Tecnología de Georgia.
