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Dans la bouche de chaque grenouille se trouve une balle collante et grabby

Comment se coincer-t-il en étudiant des langues de grenouille? Notre étude du monde gluant et gluant des grenouilles a débuté par une vidéo humoristique d’un vrai ouaouaron fuyant les faux insectes dans un jeu mobile. Cette grenouille était clairement un expert en jeu; la vitesse et la précision de sa langue pourraient rivaliser avec les pouces des adolescents qui envoient des textos.

D'autres recherches sur YouTube ont permis de découvrir d'incroyables vidéos de grenouilles mangeant des souris, des tarentules et même d'autres grenouilles.

La langue de grenouille polyvalente peut saisir les surfaces mouillées, poilues et glissantes avec la même facilité. Il fait bien mieux que nos adhésifs techniques - même les rubans domestiques ne peuvent pas adhérer fermement aux surfaces humides ou poussiéreuses. Ce qui rend cette langue encore plus impressionnante est sa rapidité: plus de 4 000 espèces de grenouilles et de crapaud s’acharnent plus vite qu’un humain ne peut cligner des yeux.

Qu'est-ce qui rend la langue de la grenouille si collante? Notre groupe visait à savoir.

Au début de l'attention scientifique moderne sur les langues de grenouilles vint en 1849, lorsque le biologiste Augustus Waller publia la première étude documentée sur la langue de grenouille sur les nerfs et les papilles - les microstructures de surface trouvées sur la langue. Waller était fasciné par la nature molle et collante de la langue de la grenouille et par ce qu'il appelait «les avantages particuliers de la langue de la grenouille vivante… l'extrême élasticité et la transparence de cet organe m'ont incité à la soumettre au microscope».

Dans les 165 ans qui ont suivi, les chercheurs en biomécanique Kleinteich et Gorb ont été les premiers à mesurer les forces de la langue chez la grenouille à cornes Ceratophrys cranwelli . Ils ont constaté en 2014 que les forces d'adhésion des grenouilles peuvent atteindre jusqu'à 1, 4 fois le poids du corps. Cela signifie que la langue collante de la grenouille est assez forte pour soulever près de deux fois son propre poids. Ils ont postulé que la langue agissait comme un ruban adhésif ou un adhésif sensible à la pression - une surface collante en permanence qui adhère aux substrats sous une pression légère.

Langue de grenouille tenant une boîte de Pétri avec son caractère collant. Langue de grenouille tenant une boîte de Pétri avec son caractère collant. (Alexis Noel / Georgia Tech, CC BY-ND)

Pour commencer notre propre étude sur les langues de grenouilles collantes, nous avons filmé divers grenouilles et crapauds mangeant des insectes au moyen de la vidéographie à haute vitesse. Nous avons constaté que la langue de la grenouille était capable de capturer un insecte en moins de 0, 07 seconde, cinq fois plus rapidement qu'un clignement des yeux. En outre, l'accélération des insectes vers la gueule de la grenouille pendant la capture peut atteindre 12 fois l'accélération de la gravité. À titre de comparaison, les astronautes subissent normalement une accélération de la gravité trois fois plus grande lors du lancement d'une fusée.

Complètement intrigués, nous voulions comprendre comment la langue collante retient si bien la proie à des accélérations élevées. Nous avons d'abord dû récolter des langues de grenouille. Ici à Georgia Tech, nous avons dépisté une classe de dissection de biologie sur le campus, qui utilisait régulièrement des grenouilles léopards du Nord.

Le plan était le suivant: piquez le tissu de la langue pour déterminer la douceur et faites tourner la salive de grenouille entre deux plaques pour déterminer la viscosité. La douceur et la viscosité sont des paramètres courants pour comparer les matériaux solides et fluides, respectivement. La douceur décrit la déformation de la langue lorsqu’une force d’étirement est appliquée et la viscosité décrit la résistance de la salive au mouvement.

Déterminer la douceur du tissu de la langue de grenouille n'était pas une tâche facile. Nous avons dû créer nos propres outils d'indentation car la douceur de la langue dépassait les capacités des équipements traditionnels de test des matériaux sur le campus. Nous avons décidé d'utiliser une machine à indentation, qui fouille les matériaux biologiques et mesure les forces. La relation force-déplacement peut ensuite décrire la souplesse en fonction de la forme de la tête d'indentation, telle qu'un cylindre ou une sphère.

Lorsque la tête d’indentation s’éloigne de la langue, elle adhère et s’étire. Lorsque la tête d’indentation s’éloigne de la langue, elle adhère et s’étire. (Alexis Noel / Georgia Tech, CC BY-ND)

Cependant, les têtes typiques pour les machines à indenter peuvent coûter 500 USD ou plus. Ne voulant pas dépenser de l'argent ni attendre l'expédition, nous avons décidé de fabriquer nos propres empreintes sphériques et à tête plate à partir de boucles d'oreilles en acier inoxydable. Après nos tests, nous avons découvert que les langues des grenouilles étaient à peu près aussi douces que le tissu cérébral et 10 fois plus douces que la langue humaine. Oui, nous avons testé les tissus du cerveau et de la langue humaine (post mortem) en laboratoire à des fins de comparaison.

Pour tester les propriétés de la salive, nous avons rencontré un problème: la machine à filer la salive de grenouille nécessitait environ un cinquième d'une cuillère à thé de fluide pour exécuter le test. Cela semble petit, mais pas dans le contexte de la collecte de crachat de grenouille. Les amphibiens sont uniques en ce qu'ils sécrètent la salive à travers des glandes situées sur leur langue. Alors, une nuit, nous avons passé quelques heures à gratter 15 langues de grenouille mortes pour obtenir un échantillon de salive assez grand pour le matériel d’essai.

Comment obtenez-vous la salive d'une langue de grenouille? Facile. Tout d'abord, vous tirez la langue de la bouche. Deuxièmement, vous frottez la langue sur une feuille de plastique jusqu'à la formation d'un (petit) globule de salive. Les globules se forment en raison des protéines du mucus à longue chaîne qui existent dans la salive de la grenouille, un peu comme la salive humaine; ces protéines enchevêtrent comme des pâtes quand on les fait tourner. Ensuite, vous saisissez rapidement le globule à l'aide d'une pince à épiler et placez-le dans un récipient hermétique pour réduire l'évaporation.

Après les tests, nous avons été surpris de constater que la salive est un fluide viscoélastique à deux phases. Les deux phases dépendent de la rapidité avec laquelle la salive est cisaillée au repos entre des plaques parallèles. À faible taux de cisaillement, la salive est très épaisse et visqueuse; à des taux de cisaillement élevés, la salive de la grenouille devient fine et liquide. Ceci est similaire à la peinture, qui se propage facilement avec un pinceau, tout en restant fermement collé sur le mur. Ce sont ces deux phases qui donnent à la salive sa réversibilité lors de la capture d’une proie, pour l’adhérence et la libération d’un insecte.

Comment les tissus mous et une salive en deux phases aident-ils la langue de la grenouille à coller à un insecte? Passons en revue un scénario de capture de proies, qui commence par une langue de grenouille qui s’agrandit et se transforme en insecte.

Au cours de cette phase d'impact, la langue se déforme et s'enroule autour de l'insecte, augmentant la zone de contact. La salive devient liquide, pénétrant dans les fissures de l'insecte. Lorsque la grenouille tire sa langue dans la bouche, le tissu s’étire comme un ressort, ce qui réduit les forces exercées sur l’insecte (comme un cordon élastique réduit les forces exercées sur votre cheville). La salive retourne à son état épais et visqueux, maintenant ainsi l’adhérence sur l’insecte. Une fois que l'insecte est à l'intérieur de la bouche, les globes oculaires le poussent dans la gorge, ce qui ramène la salive à devenir plus fine et liquide.

Il est possible que le démêlage des secrets d’adhésion des langues de grenouilles puisse avoir de futures applications dans des domaines tels que les mécanismes adhésifs à grande vitesse pour les courroies de convoyage ou les mécanismes à saisie rapide en robotique douce.

Plus important encore, ces travaux fournissent des informations précieuses sur la biologie et la fonction des amphibiens, dont 40% sont en déclin catastrophique ou sont déjà éteints. En travaillant avec l'organisation de conservation The Amphibian Foundation, nous avons eu accès à des espèces de grenouilles vivantes et préservées. Les résultats de nos recherches nous permettent de mieux comprendre ce groupe en péril. Les connaissances acquises sur les fonctions uniques des espèces de grenouilles et de crapauds peuvent éclairer les décisions de conservation visant à gérer les populations dans des écosystèmes dynamiques et en déclin.

Bien qu'il ne soit pas facile d'être vert, une grenouille peut trouver du réconfort dans le fait que sa langue est un adhésif incroyable.


Cet article a été publié à l'origine sur The Conversation. Lire l'article original. La conversation

Alexis Noel est étudiant au doctorat en biomécanique au Georgia Institute of Technology

David Hu est professeur agrégé de génie mécanique et de biologie et professeur agrégé auxiliaire de physique au Georgia Institute of Technology.

Dans la bouche de chaque grenouille se trouve une balle collante et grabby