Насколько нам известно, механическое зубчатое колесо - зубья равномерного размера, разрезанные на две разные вращающиеся поверхности, чтобы соединить их во время их вращения - было изобретено где-то около 300 г. до н.э. греческими механиками, которые жили в Александрии. За прошедшие столетия простая концепция стала краеугольным камнем современных технологий, позволяющих создавать всевозможные машины и транспортные средства, включая автомобили и велосипеды.
Однако оказывается, что прыгающее насекомое длиной три миллиметра, известное как Issus coleoptratus, побило нас к этому изобретению. Малкольм Барроуз и Грегори Саттон, пара биологов из Кембриджского университета в Великобритании, обнаружили, что у молоди этого вида сложная система зацепления, которая блокирует их задние лапы вместе, позволяя обоим придаткам вращаться в один и тот же момент, вызывая крошечные существа прыгают вперед.
Issus Coleoptratus
Механизмы расположены на верхнем сегменте каждой из задних лап насекомого
Открытие, которое было опубликовано сегодня в журнале Science, считается первой функциональной системой зубчатых колес, когда-либо обнаруженной в природе. Насекомые из рода Issus, которые обычно называют «растениеводцами», встречаются по всей Европе и Северной Африке. Барроуз и Саттон использовали электронные микроскопы и высокоскоростной видеозахват, чтобы обнаружить существование механизма и выяснить его точную функцию.
Говорят, что причиной переключения является координация: чтобы прыгнуть, обе задние лапы насекомого должны одновременно двигаться вперед. Поскольку они оба колеблются в поперечном направлении, если бы один был на доли секунды раньше другого, это оттолкнуло бы насекомое от курса вправо или влево, вместо того, чтобы прыгать прямо вперед.
Передача является элегантным решением. Высокоскоростные видеоролики исследователей показали, что существа, которые прыгают со скоростью до 8, 7 миль в час, взводят задние ноги в прыжковом положении, а затем толкаются вперед, каждый из которых движется в течение 30 микросекунд (это 30 миллионных долей секунды ) другого.
Мелкие зубчатые колеса в их ногах позволяют этому случиться. «В Issus скелет используется для решения сложной проблемы, которую мозг и нервная система не могут», - сказал Барроуз в заявлении для прессы.
Зубчатые колеса расположены в верхней части задних лап насекомого (на сегментах, известных как trochantera) и включают от 10 до 12 конических зубьев, каждый шириной около 80 микрометров (или 80 миллионов долей метра). Во всех исследованных бункерах Issus одинаковое количество зубьев присутствовало на каждой задней ноге, а шестерни аккуратно слипались. Зубья даже имеют изогнутые изгибы в основании, дизайн, встроенный в механические механизмы, созданные человеком, потому что он уменьшает износ с течением времени.
Чтобы подтвердить, что шестерни выполняли эту функцию, исследователи выполнили аккуратный (хотя и болезненный) трюк с каким-то мертвым Иссом . Они вручную подняли ноги назад в прыжковом положении, затем электрически стимулировали основную прыгающую мышцу в одной ноге, чтобы нога вытянулась. Поскольку он был заблокирован вращательными механизмами, другая нестимулированная нога также двигалась, и мертвое насекомое прыгнуло вперед.
Главная загадка заключается в том, что у взрослых особей одного и того же вида насекомых нет никаких механизмов - по мере того, как подростки вырастают и их кожа линяет, они не могут повторно вырастить эти зубья, а взрослые ноги синхронизируются с помощью альтернативного механизма ( ряд выступов простирается от обеих задних ног и толкает другую ногу в действие).
Барроуз и Саттон выдвигают гипотезу, что это можно объяснить хрупкостью зубчатой передачи: если один зуб сломается, это ограничивает эффективность конструкции. Это не такая большая проблема для несовершеннолетних, которые неоднократно линяют и выращивают новые шестерни до взрослой жизни, но для зрелого Исса замена зубов была бы невозможна - отсюда и альтернативное расположение.
Существовали похожие на шестеренки конструкции, ранее найденные на других животных (например, колючая черепаха или жук колеса), но они являются чисто декоративными. Кажется, это первый естественный дизайн, который механически функционирует подобно нашим редукторным системам.
«Мы обычно думаем о механизмах как о чем-то, что мы видим в оборудовании, разработанном человеком, но мы обнаружили, что это только потому, что мы не выглядели достаточно усердно», - говорит Саттон. «Эти механизмы не предназначены; они развиваются, представляя высокоскоростное и точное оборудование, разработанное для синхронизации в мире животных ».
