Natura wyprzedziła człowieka z wynalezieniem koła zębatego

Dotąd sądzono, że koła zębate są wyłącznie ludzkim wynalazkiem, ostatnio jednak naukowcy z Uniwersytetu w Cambridge odkryli taki mechanizm u owadów - przedstawicieli rodzaju Issus.

W stawach tylnych odnóży nimf Issus znajdują się pasy ("lamówki") z zębami. Każdy z pasków ma długość ok. 400 mikrometrów i 10-12 zębów. Liczba wypustek w przeciwległych paskach jest identyczna. Dzięki temu mechanizmowi, przygotowując się do skoku, owad może synchronizować swoje odnóża.

Brytyjczycy dokonali odkrycia, przyglądając się anatomii i analizując nagrania z szybkiej kamery. Autorzy artykułu z pisma Science podkreślają, że pod względem inżynieryjnym rozwiązanie występujące w tylnych odnóżach owadów jest bardzo podobne np. do zębatek rowerów.

Zęby z obu odnóży zaczepiają się o siebie, zapewniając niemal idealne zgranie ich ruchu. Akademicy podkreślają, że nawet drobne rozbieżności w zakresie synchronizacji prędkości nóg w punkcie napędowym mogłyby się źle skończyć - owad wpadłby w niekontrolowany korkociąg, bo przed spasowaniem zębów jedno z odnóży częściowo by się wyprostowało.

Koła zębate występują u wielu przedstawicieli rodzaju Issus, lecz Gregory Sutton natknął się na nie po raz pierwszy u Issus coeleoptratus.

Filmując owady, Sutton i Malcolm Burrows stwierdzili, że tylne odnóża zawsze poruszają się w odstępie do 30 mikrosekund. W takim czasie neuron ledwie zacząłby się wyładowywać, panowie od razu więc wiedzieli, że wyjaśnienia trzeba szukać gdzie indziej.

Już w latach 50. inni naukowcy zauważyli, że u nimf na krętarzu występują drobne wypukłości. Znajdowały się one wyłącznie na tylnych kończynach. Choć ich funkcja pozostawała owiana tajemnicą, wydawało się, że nikomu to nie przeszkadzało. To jeden z tych dziwnych [...] przypisów z podręczników do anatomii - opowiada Sutton.

Duet z Cambridge odkrył działanie wypukłości, delikatnie szturchając owady w odwłok. Tuż przed próbą skoku krętarze się do siebie przyciskały, zęby na siebie zachodziły i tryby zaczynały się po sobie przesuwać.

Gdy Sutton posłużył się szczypcami i ciągnął ścięgno mięśni skokowych tylko jednego odnóża i tak prostowały się obie nogi (koła zębate przekazywały ruch z jednego krętarza na drugi).

Co ciekawe, zębatki znikają, gdy nimfa staje się imago. Niektórzy zaczęli je więc porównywać do dodatkowych kółek w rowerkach dziecięcych. Gdy ktoś dochodzi do wprawy, przestaje już potrzebować wspomagaczy... U dorosłych owadów krętarze wchodzą ze sobą w bardziej bezpośredni kontakt, dlatego Sutton uważa, że synchronizację pozwala zachować tarcie.

Sutton podkreśla, że odkrycie z pozoru entomologiczne może także wpłynąć na inżynierię, a konkretnie na konstrukcję mikromaszyn. Zęby większości kół zębatych mają kształt ewolwenty (zawdzięczamy to XVIII-wiecznemu matematykowi Leonhardowi Eulerowi), tymczasem zęby Issus wyglądają raczej jak rekinia płetwa. Współczesna maszyneria często nie działa zbyt dobrze w drobnych skalach. Tarcie nie liczy się aż tak bardzo, gdy mamy obok siebie 2 duże koła zębate, lecz gdy są one miniaturowe, jego działanie zaczyna być zabójcze.

Issus coeleoptratus koło zębate staw nimfa skok krętarz Gregory Sutton Malcolm Burrows