Nach unserem besten Wissen wurde das mechanische Zahnrad - gleich große Zähne, die in zwei verschiedene rotierende Oberflächen geschnitten wurden, um sie beim Drehen zusammenzuhalten - irgendwann um 300 v. Chr. Von griechischen Mechanikern erfunden, die in Alexandria lebten. In den Jahrhunderten seitdem hat sich das einfache Konzept zu einem Grundpfeiler der modernen Technologie entwickelt, der alle Arten von Maschinen und Fahrzeugen, einschließlich Autos und Fahrrädern, ermöglicht.
Wie sich jedoch herausstellt, hat uns ein drei Millimeter langes, als Issus coleoptratus bekanntes Hüpfinsekt zu dieser Erfindung verholfen . Malcolm Burrows und Gregory Sutton, zwei Biologen von der Universität Cambridge in Großbritannien, stellten fest, dass Jugendliche dieser Art über ein kompliziertes Zahnradsystem verfügen, das ihre Hinterbeine zusammenhält und es beiden Anhängen ermöglicht, sich genau zum gleichen Zeitpunkt zu drehen kleine Kreaturen springen vorwärts.
Issus coleoptratus
Die Zahnräder befinden sich am oberen Segment jedes Hinterbeins des Insekts
Es wird angenommen, dass das heute in Science veröffentlichte Ergebnis das erste funktionale Getriebesystem ist, das jemals in der Natur entdeckt wurde. In ganz Europa und Nordafrika gibt es Insekten der Gattung Issus, die gemeinhin als "Planthoppers" bezeichnet werden. Burrows und Sutton verwendeten Elektronenmikroskope und Hochgeschwindigkeitsvideos, um die Existenz des Getriebes zu entdecken und seine genaue Funktion herauszufinden.
Der Grund für die Schaltung sei die Koordination: Um zu springen, müssen beide Hinterbeine des Insekts genau zur gleichen Zeit nach vorne gedrückt werden. Da beide seitlich schwingen, würde, wenn einer Sekundenbruchteil früher als der andere ausgefahren würde, das Insekt vom Kurs nach rechts oder links verschoben, anstatt geradeaus zu springen.
Das Getriebe ist eine elegante Lösung. Die Hochgeschwindigkeitsvideos der Forscher zeigten, dass die Kreaturen, die mit einer Geschwindigkeit von bis zu 14 km / h springen, ihre Hinterbeine in eine springende Position spannten und dann nach vorne schoben, wobei sich jede Bewegung innerhalb von 30 Mikrosekunden vollzog (das sind 30 Millionstelsekunden) ) des anderen.
Die feinverzahnten Zahnräder in ihren Beinen ermöglichen dies. "In Issus wird das Skelett verwendet, um ein komplexes Problem zu lösen, das das Gehirn und das Nervensystem nicht lösen können", sagte Burrows in einer Presseerklärung.
Die Zahnräder befinden sich oben an den Hinterbeinen der Insekten (auf Segmenten, die als Trochantera bezeichnet werden) und umfassen 10 bis 12 sich verjüngende Zähne mit einer Breite von jeweils etwa 80 Mikrometern (oder 80 Millionstel Metern). Bei allen untersuchten Issus- Hoppern befand sich auf jedem Hinterbein die gleiche Anzahl von Zähnen, und die Zahnräder waren sauber miteinander verbunden. Die Zähne haben sogar abgerundete Ecken an der Basis, ein Design, das in von Menschen gefertigte mechanische Zahnräder integriert ist, da es den Verschleiß mit der Zeit verringert.
Um zu bestätigen, dass die Zahnräder diese Funktion ausführten, führten die Forscher einen ordentlichen (wenn auch krankhaften) Trick mit einem toten Issus durch . Sie spannten ihre Beine manuell in eine springende Position zurück und stimulierten dann den Hauptsprungmuskel in einem Bein elektrisch, so dass das Bein gestreckt wurde. Da es durch die Zahnräder drehgesperrt war, bewegte sich auch das andere nicht stimulierte Bein, und das tote Insekt sprang vorwärts.
Das Hauptgeheimnis ist die Tatsache, dass Erwachsene der gleichen Insektenspezies keine Ausrüstung haben - wenn die Jugendlichen aufwachsen und ihre Haut zerfließt, können sie diese Zähne nicht nachwachsen und die Beine der Erwachsenen werden durch einen alternativen Mechanismus synchronisiert ( Eine Reihe von Vorsprüngen erstreckt sich von beiden Hinterbeinen und drückt das andere Bein in Aktion.
Burrows und Sutton gehen davon aus, dass dies durch die Zerbrechlichkeit der Verzahnung erklärt werden könnte: Wenn ein Zahn bricht, schränkt dies die Wirksamkeit des Designs ein. Dies ist kein so großes Problem für die Jugendlichen, die vor dem Erwachsenenalter wiederholt mausern und neue Zahnräder wachsen lassen, aber für die reifen Issus wäre ein Zahnersatz unmöglich - daher die alternative Anordnung.
Es gab zahnradähnliche Strukturen, die zuvor bei anderen Tieren gefunden wurden (wie der stacheligen Schildkröte oder dem Radkäfer), aber sie sind rein dekorativ. Dies scheint das erste natürliche Design zu sein, das mechanisch wie unsere Getriebesysteme funktioniert.
"Wir denken normalerweise an Getriebe als etwas, das wir in von Menschen entworfenen Maschinen sehen, aber wir haben festgestellt, dass dies nur darauf zurückzuführen ist, dass wir nicht genau genug ausgesehen haben", sagte Sutton. „Diese Zahnräder sind nicht konstruiert. Sie wurden entwickelt - sie repräsentieren Hochgeschwindigkeits- und Präzisionsmaschinen, die für die Synchronisation in der Tierwelt entwickelt wurden. “
