Frösche fangen Beute mit scherverdünnendem Speichel ein, der sich über Insekten ausbreitet, wenn die Zunge trifft, und sich dann verdickt und klebt, wenn sich die Zunge zurückzieht – so Forscher in den USA. In Kombination mit den einzigartigen Materialeigenschaften der Zunge macht diese zweiphasige, viskoelastische Flüssigkeit die Zunge extrem klebrig, so dass Frösche Beute, die schwerer ist als sie selbst, im Handumdrehen fangen und schlucken können. Die Forschung könnte zur Entwicklung neuer Arten von Klebstoffen und Materialhandhabungstechnologien führen, sagen die Wissenschaftler.
Frösche können fliegende Insekten mit erstaunlicher Geschwindigkeit mit einer Bewegung ihrer peitschenartigen Zungen fangen. Aber es sind nicht nur leichte Insekten, die sie greifen können. Untersuchungen haben gezeigt, dass eine Froschzunge das 1,4-fache des Körpergewichts eines Frosches ziehen kann. Und Frösche wurden aufgezeichnet, um größere Tiere wie Mäuse und Vögel zu fangen.
Zu Beginn der neuesten Studie filmten Alexis Noel vom Georgia Institute of Technology in Atlanta und Kollegen gemeine Leopardenfrösche, Rana Pipiens und andere Arten, die Grillen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera mit 1400 Bildern pro Sekunde einfingen. Sie fanden heraus, dass die Zunge eines Leopardenfrosches ein Insekt in weniger als 0,07 Sekunden einfangen kann – fünfmal schneller als Menschen blinzeln können.
Honigfalle
Die Berechnungen des Teams zeigen, dass die Kraft auf das Insekt beim Zurückziehen der Zunge das 12-fache der Schwerkraft erreichen kann. Die Zunge ist in der Lage, unter solchen Kräften an Beute zu haften, weil sie extrem weich und viskoelastisch ist und in einem nicht-newtonschen, scherverdünnenden Speichel beschichtet ist, so die Forscher. Scherverdünnung ist die Eigenschaft einiger Flüssigkeiten, wobei eine Scherkraft auf die Flüssigkeit ihre Viskosität verringert. Bei niedrigen Scherraten ist der Speichel sehr dick und viskoser als Honig. Aber wenn sie hohen Scherkräften ausgesetzt sind, zum Beispiel wenn die Zunge in die Beute eindringt, verdünnt sich der Speichel und wird etwa 50 mal weniger viskos, fanden die Forscher heraus.
„Während des Beuteaufpralls erfährt der Speichel hohe Scherraten, was dazu führt, dass der Speichel dünn und flüssig wird und Insektenrisse durchdringt“, erklärt Noel. „Während des Insektenrückzugs erfährt der Speichel niedrige Scherraten, strafft und behält den Griff auf das Insekt.“
„Froschspeichel ist ähnlich wie Farbe, eine andere scherverdünnende Flüssigkeit“, sagt Noel. „Farbe lässt sich leicht mit einem Pinsel an Wänden verteilen. Sobald der Pinsel entfernt ist, bleibt die Farbe fest an der Wand haften. Dies liegt daran, dass sich die Viskosität der Farbe mit der angewandten Scherrate ändert.“
Weiches Material
Die Forscher fanden auch heraus, dass die Froschzunge eines der weichsten bekannten biologischen Materialien ist. Es ist so weich wie Hirngewebe und 10 mal weicher als die menschliche Zunge. Die extreme Weichheit ermöglicht es der Zunge, sich während des Aufpralls zu verformen und um die Beute zu wickeln, wodurch eine große Kontaktfläche entsteht, die das Einfangen und die Haftung unterstützt.
Die Weichheit und viskoelastische Natur der Zunge hilft ihr auch, den Kontakt mit dem Insekt aufrechtzuerhalten, wenn es sich wieder in den Mund zurückzieht. Den Forschern zufolge ist die Zunge stark gedämpft und wenn das Insekt in Richtung Frosch gezogen wird, wirkt es wie ein Stoßdämpfer, speichert Energie in seinem Weichgewebe und verringert die Trennkräfte zwischen Speichel und Insekt. Noel verwendet die Analogie eines Bungee-Seils. „Wenn die Zunge steifer wäre, wäre es wie ein Mensch, der mit einem steifen Seil um den Knöchel von einer Brücke springt.“
Sobald sich das Insekt im Maul des Frosches befindet, kommt der scherverdünnende Speichel wieder ins Spiel. Der Frosch zieht seine Augäpfel in die Mundhöhle zurück, um das Insekt in den Hals zu drücken. Diese Bewegung erzeugt eine Scherkraft parallel zur Zunge, die hoch genug ist, um den Speichel dünn und wässrig zu machen, und das Insekt wird freigesetzt und verschluckt. Der zweiphasige Speichel hilft in allen Phasen des Beutefangs: Niedrige Viskosität hilft beim Aufprall und bei der Freisetzung, während hohe Viskosität bei der Beuteadhäsion hilft.
Reversible Klebstoffe
Die Forscher glauben, dass diese Mechanismen das Design von synthetischen reversiblen Klebstoffen für Hochgeschwindigkeitsanwendungen inspirieren könnten. Noel sagte Physics World, dass sie sich vorstellen könnte, dass ein solcher Klebstoff „für einen schnellen Objektsammelmechanismus in Drohnen verwendet wird“ oder um empfindliche Objekte von einem Förderband in einer Produktionsanlage zu greifen.
Pascal Damman von der Universität Mons in Belgien sagte gegenüber Physics World: „Diese Studie bestätigt, was wir in unserer Arbeit an Chamäleons gezeigt haben, dass die Kombination der elastischen Verformung der Zunge zusammen mit dem viskosen Schleim einen effizienten Beutefang gewährleistet. Ich bin jedoch überrascht zu sehen, dass die für die Frösche beobachtete Adhäsionskraft viel geringer ist als die für Chamäleons beobachtete Adhäsionskraft.“
Die Studie ist in Royal Society Interface beschrieben.