Самая древняя «шестеренка» обнаружена на ногах насекомых
Зубчатая передача, считавшаяся ранее одним из достижений технической мысли человека, используется личинками насекомых для синхронизации движения конечностей в прыжке.
Кто был первым из людей, придумавшим использовать зубчатую передачу, неизвестно. Шестеренки использовались в Антикитерском механизме около двух тысяч лет тому назад, в ряде работ Леонардо да Винчи использовались зубчатые передачи, очень похожие на современные.
Ученые из Кембриджского и Бристольского университетов - специалист по движениям животных Малкольм Берроуз и инженер Грегори Саттон обнаружили округлые зубчатые структуры, очень напоминающие шестеренки, у личинок (нимф) Issus coleoptratus из рода свинушек отряда Полужесткокрылых, обитающих в Европе и Северной Америке. В отличие от кузнечиков, у этих насекомых ноги располагаются не по бокам туловища, а под ним. При такой постановке конечностей важно, чтобы движения левой и правой ноги были абсолютно синхронными, потому что если насекомое оттолкнется одной ногой чуть раньше чем другой, то его снесет в сторону. Чтобы приспособиться к прыжкам (а нимфы свинушек, имея размеры около 5 мм в длину, одним прыжком преодолевают расстояние в 1 метр), им, видимо, и пришлось пойти по пути «научно-технического прогресса».
Если сравнивать строение ног насекомых с анатомией нижних конечностей млекопитающих, то функцию тазобедренного сустава выполняет вертлуг — самый маленький членик ноги. На внутренней поверхности вертлугов находятся полукруглые образования с зубчатым краем. Каждая такая «шестеренка» имеет 10-12 зубчиков, размер которых не превышает 15–30 мкм. Зубчики, напоминающие по форме акулий плавник, обеспечивают плавную работу передачи и не так сильно травмируют соприкасающиеся поверхности. Когда нимфа становится взрослой особью, «шестеренки» пропадают. Ученые связывают это с тем, что во взрослом состоянии насекомые не линяют и не могут заменить изношенные детали «механизма». Взрослые свинушки тоже прыгают, но для синхронизации движений конечностей используют трение между вертлугами обеих ног, предполагают ученые, хотя до конца это еще не изучено.
Любопытно, что зубчики, о которых идет речь, были обнаружены и описаны еще в 1957 году, но тогда энтомологи не смогли предположить, как насекомые их используют. Авторы исследования, результаты которого были недавно опубликованы в журнале «Science», использовали специальную камеру, снимающую со скоростью 5 тысяч кадров в секунду. Движение ног в прыжке, при котором работают «шестеренки», длится всего лишь 30 миллисекунд.
По словам профессора Берроуза, механическая передача передает импульс быстрее, чем это могла бы делать нервная система. А если одна нога будет опережать другую, произойдет блокировка системы. Другой соавтор исследования, Грегори Саттон, уже думает о том, как это открытие можно использовать: «Прежде мы считали, что подобные механизмы не могут быть столь миниатюрными из-за силы трения, но благодаря этим насекомым видим, что оказывается, и это возможно. Мы все еще шокированы от того, что обнаружили столь уникальную конструкцию у себя в саду».
