Από όσο γνωρίζουμε, τα μηχανικά δόντια με ομοιόμορφο γρανάζι που κόπηκαν σε δύο διαφορετικές περιστρεφόμενες επιφάνειες για να τους κλειδώσουν μαζί καθώς περιστρέφονται - εφευρέθηκε κάποτε γύρω στα 300 π.Χ. από Έλληνες μηχανικούς που ζούσαν στην Αλεξάνδρεια. Κατά τους αιώνες που ακολούθησαν, η απλή ιδέα έχει καταστεί βασικό στοιχείο της σύγχρονης τεχνολογίας, επιτρέποντας όλα τα είδη μηχανημάτων και οχημάτων, συμπεριλαμβανομένων των αυτοκινήτων και των ποδηλάτων.
Όπως αποδεικνύεται, όμως, ένα έντομο με ύψος τριών χιλιοστών που ονομάζεται Issus coleoptratus μας έπεσε σε αυτή την εφεύρεση. Ο Malcolm Burrows και ο Gregory Sutton, ένας ζευγάρι βιολόγων από το Πανεπιστήμιο του Cambridge στο Ηνωμένο Βασίλειο, ανακάλυψαν ότι τα νεαρά άτομα του είδους έχουν ένα περίπλοκο σύστημα γραναζιών που κλειδώνει τα πίσω πόδια τους, επιτρέποντας σε αμφότερα τα εξαρτήματα να περιστρέφονται ακριβώς στην ίδια στιγμή, προκαλώντας μικροσκοπικά πλάσματα πηδούν προς τα εμπρός.
Issus coleoptratus
Τα γρανάζια βρίσκονται στο άνω τμήμα κάθε οπίσθιου σκέλους του εντόμου
Το εύρημα, το οποίο δημοσιεύθηκε σήμερα στην επιστήμη, πιστεύεται ότι είναι το πρώτο λειτουργικό σύστημα μετάδοσης που ανακαλύφθηκε ποτέ στη φύση. Έντομα από το γένος Issus, τα οποία ονομάζονται συνήθως φυτά, βρίσκονται σε όλη την Ευρώπη και τη Βόρεια Αφρική. Οι Burrows και Sutton χρησιμοποίησαν ηλεκτρονικά μικροσκόπια και υψηλής ταχύτητας σύλληψη βίντεο για να ανακαλύψουν την ύπαρξη των εργαλείων και να καταλάβουν την ακριβή λειτουργία τους.
Ο λόγος για την επιτάχυνση, λένε, είναι ο συντονισμός: Για να πηδήξετε, και τα δύο πίσω πόδια του εντόμου πρέπει να προωθούνται ακριβώς την ίδια στιγμή. Επειδή και οι δύο ταλαντεύονται πλευρικά, αν κάποιος επεκταθεί ένα κλάσμα του δευτερολέπτου νωρίτερα από το άλλο, θα έπρεπε να σπρώξει το έντομο από τη διαδρομή προς τα δεξιά ή προς τα αριστερά, αντί να πηδήσει απλά.
Το γρανάζι είναι μια κομψή λύση. Τα βίντεο υψηλής ταχύτητας των ερευνητών έδειξαν ότι τα πλάσματα που πηδούν σε ταχύτητες τόσο υψηλές όσο τα 8, 7 μίλια ανά ώρα, έσπρωξαν τα πόδια τους σε μια θέση πηδώντας και έπειτα έσπρωξαν προς τα εμπρός, με κάθε κίνηση μέσα σε 30 μικροδευτερόλεπτα (δηλαδή 30 εκατομμύρια του δευτερολέπτου ) του άλλου.
Τα άκρως οδοντωτά γρανάζια στα πόδια τους επιτρέπουν να συμβεί αυτό. "Στο Issus, ο σκελετός χρησιμοποιείται για να λύσει ένα πολύπλοκο πρόβλημα που δεν μπορεί να κάνει ο εγκέφαλος και το νευρικό σύστημα", δήλωσε ο Burrows σε δελτίο Τύπου.
Τα γρανάζια βρίσκονται στην κορυφή των οπίσθιων ποδιών των εντόμων (σε τμήματα γνωστά ως trochantera) και περιλαμβάνουν 10 έως 12 κωνικά δόντια, έκκεντρα πλάτους 80 μοιρών (ή 80 εκατομμυριοστά του μέτρου). Σε όλες τις χοάνες Issus που μελετήθηκαν, ο ίδιος αριθμός δοντιών ήταν παρών σε κάθε οπίσθιο πόδι και τα γρανάζια κλείδωναν μαζί τακτοποιημένα. Τα δόντια έχουν ακόμη φιλέτα καμπύλες στη βάση, ένα σχέδιο που ενσωματώνεται σε ανθρώπινα μηχανικά εργαλεία επειδή μειώνει τη φθορά με την πάροδο του χρόνου.
Για να επιβεβαιώσουμε ότι τα εργαλεία πραγματοποίησαν αυτή τη λειτουργία, οι ερευνητές πραγματοποίησαν ένα καθαρό (αν και νοσηρό) τέχνασμα με κάποιους νεκρούς Issus . Πέδησαν με το χέρι τα πόδια τους σε μια θέση πηδώντας, στη συνέχεια ηλεκτρικά διεγείρουν τον κύριο πηδαλόμενο μυ σε ένα πόδι έτσι ώστε το πόδι να εκτείνεται. Επειδή ήταν κλειδωμένο περιστροφικά από τα γρανάζια, το άλλο μη διεγερμένο πόδι κινήθηκε επίσης, και το νεκρό έντομο πήδηξε προς τα εμπρός.
Το κύριο μυστήριο είναι το γεγονός ότι οι ενήλικες των ίδιων ειδών εντόμων δεν έχουν κανένα εργαλείο - καθώς οι νεαροί μεγαλώνουν και οι κηλίδες του δέρματος τους μακριά, αποτυγχάνουν να αναζωογονήσουν αυτά τα δόντια γραναζιών και τα ενήλικα πόδια συγχρονίζονται από έναν εναλλακτικό μηχανισμό μια σειρά προεξοχών εκτείνεται και από τα δύο οπίσθια πόδια και ωθεί το άλλο σκέλος σε δράση).
Οι Burrows και Sutton υποθέτουν ότι αυτό μπορεί να εξηγηθεί από την ευθραυστότητα του μηχανισμού: εάν ένα δόντι σπάσει, περιορίζει την αποτελεσματικότητα του σχεδίου. Αυτό δεν είναι τόσο μεγάλο πρόβλημα για τους νεαρούς, που επανειλημμένα molt και αναπτύσσουν νέα εργαλεία πριν από την ενηλικίωση, αλλά για την ώριμη Issus, αντικαθιστώντας τα δόντια θα ήταν αδύνατο-επομένως η εναλλακτική ρύθμιση.
Έχουν υπάρξει κινούμενες με γρανάζια δομές που είχαν βρεθεί προηγουμένως σε άλλα ζώα (όπως η αγκαθωτή χελώνα ή το τροχόσπιτο), αλλά είναι καθαρά διακοσμητικά. Αυτό φαίνεται να είναι ο πρώτος φυσικός σχεδιασμός που λειτουργούν μηχανικά όπως τα συστήματα με μηχανισμό.
"Συνήθως σκεφτόμαστε τα εργαλεία ως κάτι που βλέπουμε σε μηχανήματα σχεδιασμένα από τον άνθρωπο, αλλά διαπιστώσαμε ότι αυτό συμβαίνει μόνο επειδή δεν φαινόταν αρκετά σκληρά", δήλωσε ο Sutton. "Αυτά τα γρανάζια δεν έχουν σχεδιαστεί? εξελίσσονται - αντιπροσωπεύουν μηχανήματα υψηλής ταχύτητας και ακριβείας που εξελίχθηκαν για συγχρονισμό στον ζωικό κόσμο. "
