カエルの滑りやすい舌はどうやってハエを捕まえるのでしょうか？

カエル狩りといえば、カエル​​が長い舌を伸ばして、空中で電光石火の速さで羽ばたくハエに吸い付き、すぐに口の中に引っ込めるという光景が必ず思い浮かぶでしょう。

画像出典: gizmodo.com

たとえ自分の目で見たことがなくても、このシーンは人気の科学イラストやちょっとしたゲーム、アニメーションシーンなどを作るために何度も使われているので、このプロセスには馴染みがあるはずです。もちろん、面白い動画もいろいろあります。

カエルの舌を研究しようと思ったきっかけは、面白いビデオでした。

面白い動画から生まれたカエル研究

ある日、ジョージア工科大学の生物物理学者アレクシス・C・ノエル氏がインターネットをサーフィンしていたところ、次のようなビデオを目にしました。

ビデオgif。画像クレジット: ThumbPress

このビデオは非常に人気があり、少なくとも 2011 年には YouTube で 1,300 万回再生され、ヒットしました。わずか 26 秒で、カエルが舌を出して携帯電話の画面上のアリを攻撃し、食べようとしています...

ノエルの頭に、あるアイデアが浮かびました。カエルはどうやって舌で昆虫に素早くくっつくのだろう？これは研究する価値のある問題だと彼女は考えた。

そこでノエルが最初にしたのは、アトランタ動物園に駆けつけ、ハイスピードカメラを使ってさまざまなカエルが昆虫を捕まえる様子をビデオで撮影することだった。その不幸な昆虫はコオロギでした。

画像出典: 文書 1

彼女はビデオを分析して、カエルがコオロギを0.07秒で捕まえることができることを発見した。つまり、まばたきに 0.2 秒かかるとすると、瞬きの間に 3 匹のコオロギを捕まえることができることになります。

画像出典: 文書 1

カエルが獲物を捕まえるために使う舌は、速いだけでなく、力強いです。この短い瞬間に、舌の加速度は重力加速度の12倍に達することがあります。つまり、小さなコオロギがカエルの舌で攻撃されると、それは 1 ドル硬貨で殴られたようなものになります。

コオロギの重さはわずか約0.7グラム、コインは約5グラムです。もしあなたがそのコオロギだったら、感じる力は数人の200ポンドの太った男に押さえつけられるのと同等でしょう。

粘着質なカエルの舌には、一体何が不思議なのでしょうか?

カエルのベタベタした舌に触れるとどんな感じがするのか、誰もが興味があるはずです。ノエルも興味を持っていました。それで彼女はそれを手で試してみたところ、案の定、とても粘着性がありました。

画像出典: 文書 1

ノエルはそれをこう表現しました: 「マシュマロか噛んだガムのような感じ」

カエルの舌がベタベタしているのは、舌自体がベタベタしているからではなく、舌の粘液腺から分泌される唾液がハイドロゲルのようにベタベタしているからです。そこでノエル氏とその同僚は、さまざまなカエルやヒキガエルの口から出たぬるぬるした唾液のサンプルを検査した。唾液は人間の唾液の7倍の厚さがあり、最も厚いものは0.7mmに達します。

右側はカエルの唾液、左側は参照対象物です。画像出典: 文書 1

さらに分析するために、ノエルさんは大学の生物学の授業で解剖したカエルの口から舌を取り出し、スプーンで少しずつ唾液をゆっくりとかき出しました。唾液を採取するだけでも数時間かかりました...

画像出典: 文書 1

その後、唾液をラミナレオメーター（液体の粘度を検査する機器）で検査したところ、粘液の粘度は70 Pa/sに達したことが分かりました。あなたはこの数字にあまり敏感ではないかもしれません。換算すると、カエルの唾液の粘度は人間の唾液の5万倍ということになります。怖い感じがしますか？

画像出典: 文書 1

カエルの唾液の粘度が変化する

しかし実際には、カエルの唾液は特定の状況下でのみ非常に粘着性があり、他の場合には粘度はそれほど高くありません。なぜこのようなことが起こるのでしょうか?

唾液は液体と固体の両方の性質を持っているからです。非ニュートン流体という概念について聞いたことがあるかもしれません。つまり、流れが速いほど粘度は低くなります。はい、カエルの唾液も非ニュートン流体です。

カエルが舌を出してコオロギに触れると、唾液の粘度が100分の1に低下し、唾液がコオロギの体全体を包み込み、体のあらゆる隙間に入り込みます。

カエルの舌が引っ込み始めるとき、引っ込む速度は伸ばす速度よりもはるかに遅くなります。この時点で、粘液は非常に粘着性になり、コオロギは舌に完全にくっついてしまいます。

まるで壁に絵を描いているような気分です。壁を素早く塗ると滑らかになりますが、ゆっくり塗りすぎるとベタベタした感じになります。

問題は、唾液がそれほど粘着性があるのに、カエルはどうやってそれを飲み込むのかということです。

答えは、飲み込みを助けるために眼球を使うことです。科学者たちは、X線装置を使ってカエルが飲み込む様子を観察し、コオロギがカエルの口に入ったとき、カエルはコオロギを放さなければならないことを発見した。

カエルがコオロギを飲み込む前に。画像出典: 文書2

カエルがコオロギを飲み込んだ後、眼球の位置が変わることに注目してください。画像出典: 文書2

このとき、カエルの眼球は引っ込み、眼の筋肉が密接につながっている口腔の筋肉を駆動して食べ物を押し込み、嚥下を助けます。これがカエルが舌を使って餌を捕まえる秘密です。

なぜそんな「退屈な」ことを勉強するのでしょうか?

カエルが唾液を使って狩りをするというのは、とても退屈な研究のように思えますが、これについて言えば、ノエルの指導者であるフー・リデ氏についても触れなければなりません。彼自身も退屈な研究をしている教授です。例えば、哺乳類が排尿するには21秒かかります...彼はイグノーベル賞も受賞しました。誰かが彼に尋ねました、このような研究をするのはお金の無駄ではないですか？彼はこう答えました。「私はこの国で最も無駄遣いをする科学者だ！」もちろん、それは単なる冗談です。

カエルの捕食の問題に戻ると、この研究の最も可能性の高い応用は、高速接着用の可逆接着剤、つまり速度を制御することで異なる粘度を実現できる接着剤を開発することです。物を貼り付ける必要がある場合は 502 接着剤と同じで、剥がす必要がある場合はすぐに粘着力が失われます。

科学研究の中には、完了後すぐに価値が生まれるものもあり、これを応用科学と呼びます。科学研究の中には、価値が出てくるまでに 10 年、あるいは数十年かかるものもあり、これを基礎科学と呼びます。カエルの舌を研究することは後者のカテゴリーに属し、それが「退屈な」科学を研究することを意味します。

参考文献:

[1] Noel AC、Guo HY、Mandica M、他。カエルは粘弾性のある舌と非ニュートン性の唾液を使って獲物を捕まえます[J]。ロイヤルソサエティインターフェースジャーナル、2017年、14(127):20160764。

[2] ハマーマンDL. 1969年カエルの舌：I. Rana catesbeiana の糸状乳頭と粘液腺の一般的な発達と組織形成。アクタ・ズール。 50、11–23。

この記事は中国科学普及協会が制作し、蘇成宇氏が執筆し、中国科学院コンピュータネットワーク情報センターが監修した。