Маленькое прыгающее насекомое Issus coleoptratus развило зубчатые шестерни на суставах, чтобы точно синхронизировать движения задних лап при прыжке вперед
Автор: Джозеф Стромберг
Насколько нам известно, механическое зубчатое колесо — зубцы одинакового размера, расположенные на двух поверхностях, сцепляющихся при вращении — было изобретено где-то около 300 г. до н. э. греческими механиками, жившими в Александрии. За прошедшие с тех пор столетия простая концепция стала краеугольным камнем современных технологий, позволяя использовать все виды машин и транспортных средств, включая автомобили и велосипеды.
Однако оказалось, что прыгающее насекомое длиной три миллиметра, известное как Issus coleoptratus, обогнало нас в этом изобретении. Малькольм Берроуз и Грегори Саттон, пара биологов из Кембриджского университета в Великобритании, обнаружили, что молодые особи этого вида используют сложную зубчатую систему, которая соединяет их задние ноги вместе, позволяя им двигаться синхронно, совершая прыжок.
Открытие, опубликованное в журнале Science, считается первым примером функционального зубчатого механизма, когда-либо обнаруженного в природе. Насекомые из рода Issus, которых обычно называют «цикадки», встречаются по всей Европе и Северной Африке. Берроуз и Саттон использовали электронные микроскопы и высокоскоростную видеозапись, чтобы обнаружить наличие зубчатого механизма на их лапках и выяснить его точное назначение.
Они говорят, что задачей механизма является координация: чтобы прыгнуть, обе задние лапы насекомого должны двигаться вперед одновременно.
Зубчатый механизм — элегантное решение. Высокоскоростные видеоролики исследователей показали, что существа, которые прыгают со скоростью до 8,7 миль в час, поднимают задние ноги в прыжковом положении, а затем отталкиваются вперед, причем каждое из них движется в течение 30 микросекунд (это 30 миллионных долей секунды).
Мелкозубчатые шестерни на их ногах позволяют этому произойти. «Скелет насекомого используется для решения сложной проблемы, которую мозг и нервная система не могут решить» — отметил Берроуз в заявлении для прессы.
Шестерни расположены в верхней части задних лап насекомых и включают от 10 до 12 конических зубцов, каждый шириной около 80 микрометров (или 80 миллионных долей метра). Во всех исследованных личинках Issus на каждой задней лапе было одинаковое количество зубцов, а шестерни аккуратно фиксировались вместе. Зубья даже имеют скругленные изгибы в основании, конструкция встроена в механические зубчатые колеса, потому что она снижает износ с течением времени.
Чтобы подтвердить, что шестерни выполняют эту функцию, исследователи проделали изящный трюк с мертвым насекомым. Они вручную поднимали ноги назад в прыжковое положение, затем электрически стимулировали основную прыгающую мышцу одной ноги, чтобы она выпрямлялась. Поскольку вращение блокировалось шестернями, другая нестимулированная нога также двигалась, и мертвое насекомое прыгало вперед.
Главная загадка заключается в том, что взрослые особи одного и того же вида насекомых не имеют зубчатых колес — по мере того, как молодые особи растут и их кожа линяет, они не могут отрастить эти зубья, и взрослые ноги синхронизируются с помощью альтернативного механизма (серия выступов идет от обеих задних ног и заставляет другую ногу действовать).
Берроуз и Саттон предполагают, что это можно объяснить хрупкостью зубчатой передачи: если один зуб сломается, это ограничит эффективность конструкции. Это не такая уж большая проблема для молодых особей, которые неоднократно линяют и отращивают новые шестеренки до взрослого возраста, но для взрослых Issus замена зубьев представляется невозможной — отсюда и альтернативное расположение.
Ранее были обнаружены структуры, похожие на шестеренки, у других животных (например, у колючей черепахи или колесного жука), но они играют чисто декоративную роль. Кажется, это первая естественная конструкция, которая механически работает как наши редукторные системы.
«Обычно мы думаем о шестеренках как о чем-то, что мы видим в машинах, созданных людьми, но мы обнаружили, что это происходит только потому, что мы недостаточно внимательно смотрели на мир вокруг нас» — говорит Саттон. «Эти шестерни не предназначены для подобного; они развиваются — представляют собой высокоскоростные и точные механизмы, разработанные для синхронизации в животном мире».
Оригинал: Smithsonian Magazine
