Молодь Issus — прыгающее по растениям насекомое, обитающее в садах по всей Европе, — имеет суставы на задних лапах с изогнутыми зубчатыми полосками противоположных « зубов », которые сцепляются друг с другом, вращаясь, как механические шестерни, чтобы синхронизировать ноги животного, когда оно начинает прыжок. .Открытие демонстрирует, что передаточные механизмы, ранее считавшиеся исключительно созданными руками человека, имеют эволюционный прецедент. Ученые говорят, что это «первое наблюдение механической передачи в биологической структуре».Благодаря сочетанию анатомического анализа и высокоскоростной видеозаписи нормальных движений Иссуса ученые из Кембриджского университета впервые смогли выявить эти функционирующие естественные механизмы.
Результаты сообщаются в последнем выпуске журнала Science.Шестерни задней лапы Issus имеют поразительное инженерное сходство с шестернями, которые можно найти на каждом велосипеде и внутри каждой коробки передач автомобиля.
Каждый зуб шестерни имеет закругленный угол в месте соединения с зубчатой рейкой; функция, идентичная механизмам, сделанным руками человека, таким как велосипедные шестерни — по сути, амортизирующий механизм, предотвращающий срезание зубьев.Зубья шестерен на противоположных задних лапах сцепляются вместе, как в коробке передач автомобиля, обеспечивая почти полную синхронность движений ног — ноги всегда перемещаются в пределах 30 микросекунд друг от друга, при этом одна микросекунда равна одной миллионной доли секунды. Второй.
Это критически важно для мощных прыжков, которые являются основным средством передвижения этого насекомого, поскольку даже незначительные несоответствия в синхронизации между скоростями его ног в точке движения могут привести к "рысканью", в результате чего Иссус безнадежно вылетит из положения. контроль.«Этой точной синхронизации невозможно достичь с помощью нервной системы, так как нервные импульсы потребуют слишком много времени для чрезвычайно жесткой координации, необходимой», — сказал ведущий автор исследования профессор Малкольм Берроуз из Кембриджского отделения зоологии.
«Разрабатывая механические передачи, Issus может просто посылать нервные сигналы своим мышцам, чтобы производить примерно такое же количество силы — тогда, если одна нога начинает продвигать прыжок, шестерни сцепляются, создавая абсолютную синхронность.«В Иссусе скелет используется для решения сложной проблемы, которую мозг и нервная система не могут решить», — сказал Берроуз. «Это подчеркивает важность рассмотрения свойств скелета при создании движения».«Обычно мы думаем о шестеренках как о чем-то, что мы видим в машинах, созданных людьми, но мы обнаружили, что это только потому, что мы недостаточно внимательно смотрели», — добавил соавтор Грегори Саттон, ныне работающий в Бристольском университете.«Эти шестерни не разработаны; они разработаны — представляют собой высокоскоростные и точные механизмы, разработанные для синхронизации в животном мире».
Интересно, что механические шестеренки обнаруживаются только на ювенильных, или «нимфных» стадиях насекомого, и теряются при окончательном переходе к взрослой жизни. Эти переходы, называемые «линьками», происходят, когда животные сбрасывают жесткую кожу в ключевых точках своего развития, чтобы вырасти.Пока не известно, почему Issus теряет задние шестерни по достижении совершеннолетия.
Ученые отмечают, что проблема любой зубчатой передачи заключается в том, что при поломке одного зуба на шестерне снижается эффективность всего механизма. В то время как поломки зубьев шестерен у нимф можно исправить при следующей линьке, любые повреждения во взрослом возрасте остаются необратимыми.Это также может быть связано с большим размером взрослых особей и, следовательно, с их «вертлугами» — насекомыми, эквивалентными бедренным или бедренным костям. Более крупные взрослые вертлуги могут позволить им создать достаточное трение для огромных прыжков с листа на лист без необходимости сцепления зубьев шестерен, чтобы управлять им, говорят ученые.
Каждая зубчатая рейка в молодом Issus была около 400 микрометров в длину и имела от 10 до 12 зубцов, причем обе стороны зубчатого колеса в каждой опоре содержали одинаковое число, что давало передаточное число 1: 1.В отличие от человеческих шестерен, каждый зуб шестерни асимметричен и изогнут к точке, где зубцы сцепляются — так как искусственные шестерни должны иметь симметричную форму для работы в обоих направлениях вращения, тогда как шестерни Issus приводят в действие только один способ запуска животное вперед.
Хотя в животном мире есть примеры явно декоративных шестеренок — например, на панцире черепахи с зубчатым колесом или на задней части колесного жука — шестерни, выполняющие функциональную роль, либо остаются неуловимыми, либо перестали функционировать в результате эволюции.По словам ученых, Issus — это первый пример естественного зубчатого механизма с наблюдаемой функцией.