首次在自然界中发挥作用的“机械齿轮”

幼小的艾苏斯（Issus）是一种在欧洲各地的花园中发现的跳跃植物的昆虫，后肢关节上有弯曲的齿状齿状相对的“牙齿”，这些齿相互啮合，像机械齿轮一样旋转，以使动物的腿在跳跃时同步。该发现表明，以前被认为是纯人工制造的齿轮机构具有进化的先例。科学家说，这是“对生物结构中机械齿轮的首次观察”。

通过解剖学分析和正常Issus运动的高速视频捕捉的结合，剑桥大学的科学家们首次能够揭示这些正常运转的自然齿轮。该发现发表在最新一期的《科学》杂志上。 Issus后腿上的齿轮与每个自行车以及每个汽车变速箱内的​​齿轮都具有明显的工程相似性。每个齿轮齿在其与齿轮条的连接点处都有一个圆角；与自行车齿轮等人造齿轮具有相同的功能–本质上是一种减震机构，可防止牙齿脱落。相对的后腿上的齿轮齿像汽车变速箱中的齿轮一样锁定在一起，从而确保腿部运动几乎完全同步-腿部始终在彼此之间30毫秒内移动，一毫秒等于一分之一毫秒。第二。这对于作为昆虫主要运输方式的有力跳跃至关重要，因为在推进点上，即使双腿速度之间的微小差异也可能导致“偏航旋转”，从而导致伊苏斯无可救药地失控旋转。 。剑桥大学动物学系的主要作者马尔科姆·伯罗斯教授说：“通过神经系统无法实现这种精确的同步，因为神经冲动需要太长时间才能达到极其严格的协调。”通过开发机械齿轮，Issus可以向肌肉发送神经信号以产生大致相同的力-然后，如果一只脚开始推动跳跃，齿轮将互锁，从而实现绝对的同步。 Burrows说：“在Issus中，骨骼用于解决大脑和神经系统无法解决的复杂问题。” “这强调了在运动产生方式中考虑骨骼特性的重要性。” “我们通常认为齿轮是我们在人工设计的机器中看到的东西，但是我们发现那仅仅是因为我们看起来不够努力，”合著者格里高里·萨顿（Gregory Sutton）补充说，在布里斯托大学。 “这些齿轮不是经过设计的；它们得到了发展，代表了为在动物世界中同步而发展的高速和精密机械。”有趣的是，仅在昆虫的幼年阶段（或“若虫”阶段）发现了机械齿轮，并在成年的最后过渡中消失了。这些转变称为“蜕皮”，是指动物在成长的关键时刻从坚硬的皮肤上剥下以生长。目前尚不清楚为什么Issus在成年后会失去后腿功能。科学家们指出，任何齿轮系统都存在一个问题，即如果齿轮上的一个齿断裂，则会损害整个机构的有效性。虽然若虫的齿轮齿断裂可以在下一次蜕皮中修复，但成年后的任何损害都将永久存在。也可能是因为成年人的体型较大，因此也可能是他们的“转子”（相当于股骨或大腿骨的昆虫）。科学家说，较大的成年转子可以使它们产生足够的摩擦力，以驱动从一个叶片到另一个叶片的巨大飞跃，而无需相互啮合的齿轮来驱动它。幼年Issus中的每个齿轮齿条长约400微米，有10到12个齿，每条腿的齿轮两侧包含相同的齿数–齿轮比为1：1。与人造齿轮不同，每个齿轮齿都是不对称的，并且弯曲到齿轮互锁的点，因为人造齿轮需要对称的形状才能在两个旋转方向上工作，而Issus齿轮仅以一种方式来驱动动物向前。虽然在动物界中有一些显然是装饰性的嵌齿的例子，例如嵌齿轮wheel龟的壳或轮虫的后部，但具有功能性的齿轮要么难以捉摸，要么因进化而消失。科学家们说，《伊苏斯》是具有可观察功能的天然齿轮机理的第一个例子。