Zgodnie z naszą najlepszą wiedzą, mechanizm mechaniczny - zęby o równych rozmiarach przecięte na dwie różne obracające się powierzchnie w celu zablokowania ich podczas obracania się - został wynaleziony około 300 pne przez greckich mechaników mieszkających w Aleksandrii. Przez wieki prosta koncepcja stała się fundamentem nowoczesnej technologii, umożliwiającej wszelkiego rodzaju maszyny i pojazdy, w tym samochody i rowery.
Jak się jednak okazuje, trzy milimetrowy owad skaczący znany jako Issus coleoptratus pobił nas do tego wynalazku. Malcolm Burrows i Gregory Sutton, para biologów z University of Cambridge w Wielkiej Brytanii, odkryli, że młode osobniki tego gatunku mają skomplikowany system przekładni, który blokuje ich tylne nogi razem, umożliwiając obracanie się obu wyrostków dokładnie w tym samym momencie, powodując małe stworzenia skaczą do przodu.
Issus coleoptratus
Koła zębate znajdują się w górnym segmencie każdej tylnej łapy owada
Odkrycie, które zostało opublikowane dzisiaj w Science, jest uważane za pierwszy funkcjonalny system przekładni, jaki kiedykolwiek odkryto w naturze. Owady z rodzaju Issus, które są powszechnie nazywane „konikami roślinnymi”, występują w całej Europie i Afryce Północnej. Burrows i Sutton użyli mikroskopów elektronowych i szybkiego rejestrowania wideo, aby odkryć istnienie przekładni i ustalić jej dokładną funkcję.
Mówi się, że przyczyną zmiany biegów jest koordynacja: aby skoczyć, obie tylne nogi owada muszą popchnąć do przodu w tym samym czasie. Ponieważ oboje kołyszą się na boki, jeśli jedno zostanie przedłużone o ułamek sekundy wcześniej niż drugie, zepchnie owada z kursu w prawo lub w lewo, zamiast skoczyć prosto do przodu.
Przekładnia jest eleganckim rozwiązaniem. Szybkie filmy badaczy pokazały, że stworzenia, które skaczą z prędkością nawet 8, 7 mil na godzinę, przechyliły swoje tylne nogi w pozycji do skoku, a następnie pchały do przodu, przy czym każde poruszało się w ciągu 30 mikrosekund (to jest 30 milionowych sekundy) ) z drugiej.
Umożliwiają to drobno zębate koła zębate w nogach. „W Issus szkielet służy do rozwiązania złożonego problemu, którego mózg i układ nerwowy nie są w stanie rozwiązać”, powiedział Burrows w komunikacie prasowym.
Koła zębate znajdują się na górze tylnych łap owadów (na segmentach zwanych trochantera) i zawierają od 10 do 12 zwężających się zębów, każdy o szerokości około 80 mikrometrów (lub 80 milionowych metra). We wszystkich badanych lejach Issus na tylnych łapach znajdowała się taka sama liczba zębów, a koła zębate były starannie zgrane. Zęby mają nawet zaokrąglone zaokrąglenia u podstawy, konstrukcję włączoną do mechanicznych kół zębatych wytwarzanych przez ludzi, ponieważ zmniejszają zużycie w czasie.
Aby potwierdzić, że koła zębate spełniły tę funkcję, naukowcy wykonali zgrabną (choć chorobliwą) sztuczkę z jakimś martwym Issusem . Ręcznie przekrzywiły nogi w pozycji skaczącej, a następnie stymulowały elektrycznie główny mięsień skaczący w jednej nodze, tak aby noga się wyprostowała. Ponieważ była zablokowana obrotowo przez koła zębate, również druga niestymulowana noga poruszyła się, a martwy owad skoczył do przodu.
Główną tajemnicą jest fakt, że dorosłe osobniki tego samego gatunku owadów nie mają żadnego mechanizmu zębatego - gdy młode rosną, a ich skóra topi się, nie odrastają tych zębów zębatych, a dorosłe nogi są synchronizowane przez alternatywny mechanizm ( seria wypustów wystaje z obu tylnych nóg i popycha drugą nogę do działania).
Burrows i Sutton wysuwają hipotezę, że można to wyjaśnić kruchością uzębienia: złamanie jednego zęba ogranicza skuteczność projektu. Nie jest to tak duży problem dla nieletnich, którzy przed dorosłością kilkakrotnie topią i hodują nowe narzędzia, ale dla dojrzałego Issusa wymiana zębów byłaby niemożliwa - stąd alternatywne ustawienie.
Na innych zwierzętach (takich jak kolczasty żółw lub pluskwa koła) znaleziono struktury podobne do narzędzi, ale mają one charakter wyłącznie dekoracyjny. Wydaje się, że jest to pierwszy naturalny projekt, który działa mechanicznie jak nasze systemy przekładniowe.
„Zwykle myślimy o przekładniach jako o czymś, co widzimy w maszynach zaprojektowanych przez ludzi, ale stwierdziliśmy, że dzieje się tak tylko dlatego, że nie wyglądaliśmy wystarczająco mocno” - powiedział Sutton. „Te koła zębate nie są zaprojektowane; są ewoluowane - reprezentują maszyny o wysokiej prędkości i precyzji, opracowane do synchronizacji w świecie zwierząt ”.
