Már a hellének is

Mai legjobb tudomásunk szerint a mechanikus fogaskerekeket - egyenlő méretű fogakat két különböző forgó felületre vágva, hogy forgás közben egymáshoz rögzítsék őket, - valamikor Kr.e. 300 körül fedezték fel az Alexandriában élő görög mechanikusok. Az elmúlt évszázadokban az egyszerű koncepció a modern technológia sarokkövévé vált, amely mindenféle gépet és járművet lehetővé tesz, beleértve az autókat és a kerékpárokat is.

Mint kiderült, az Issus coleoptratus azaz fa-pajzsoskabóca néven ismert három milliméter hosszú ugráló rovar ránk vert pár millió évet, ami ezt a találmányt illeti. Malcolm Burrows és Gregory Sutton, az Egyesült Királyság Cambridge-i Egyetemének biológusai felfedezték, hogy a fajok fiataljainak fogaskerekeik vannak, amely rögzíti a hátsó lábaikat, lehetővé téve, hogy mindkét függelék pontosan ugyanabban a pillanatban forduljon el, amitől az apró lény előre ugrik.

A tudósok a Science tudományos folyóiratban tették közzé közzé felfedezésüket, véleményük szerint ez az első funkcionális fogaskerékrendszer, amelyet valaha felfedeztek a természetben. A faj az Issidae családba tartozik, amit magyarul pajzsoskabócának hívnak. A rovarok, amelyeket „növényugróknak” is neveznek, Európában és Észak-Afrikában is előfordulnak. Burrows és Sutton elektronmikroszkópokat és nagysebességű videofelvételeket használt a fogaskerék létezésének felfedezéséhez és pontos funkciójának meghatározásához.

Az eredmények alapján azt állítják, hogy a fogaskerekek oka a koordináció: az ugráshoz a rovar mindkét hátsó lábának, egy időben, előre kell lendítenie az állatot. Mivel mindkét láb kimozdulhat oldalirányban is, ha az egyik a másodpercnek akár csak töredékével hamarabb rúg ki, mint a másik, akkor a rovar jobbra vagy balra ugrik majd el, ahelyett, hogy egyenesen előre ugorna.

Elegancia és hatékonyság

Valljuk be, a fogaskerék elegáns megoldás. A kutatók nagysebességű videóiból kiderült, hogy a 14 km per órás sebességgel ugró lények, ugró helyzetbe húzzák fel hátsó lábaikat, majd előre lendülnek, mindegyik láb 30 mikroszekundumon belül mozogva a másikhoz képest, (ez a másodperc 30 milliomod része.)

“A lábakban lévő finoman fogazott fogaskerekek teszik ezt lehetővé számukra. A faj csontváza olyan összetett probléma megoldására használatos, amelyre az agy és az idegrendszer nem képes"

- mondta el  Burrows egy sajtóközleményben.

A fogaskerekek a rovarok hátsó lábainak combtövén találhatóak (a trochantera néven ismert szegmenseken), és 10–12 kúpos fogat tartalmaznak, amelyek mindegyike kb. 80 mikrométer (avagy a méter 80 milliomod része) méretű. Az összes  vizsgált rovarban mindkét hátsó lábon azonos számú fog volt található, a fogaskerekek pedig szorosan össze voltak zárva. A fogaknak még tisztán forduló ívei is vannak az alapjuknál, ami az ember által készített mechanikus fogaskerekeknél is kötött forma, mivel ez, az idővel csökkenti a kopást.

Annak megerősítésére, hogy a fogaskerekek valóban a sejtett funkciót hajtják végre, a kutatók egy ügyes (bár kissé talán morbid) kísérletet végeztek - mielőtt végeztek - néhány rovarral. Az elpusztult állatokban kézzel állították a lábakat ugró helyzetbe, majd az egyik lábban elektromosan stimulálták a fő ugró izmot úgy, hogy a láb kirúgott. Mivel a fogaskerekek elforgathatóan reteszelték, a másik, nem stimulált láb is mozgott, és az elhullott rovar előreugrott.

Rejtély is akad

A legérdekesebb rejtély az a tény, hogy ugyanazon rovarfaj felnőttjeinek nincs semmiféle fogaskerekük, mivel a fiatal példányok - a nimfák - az utolsó vedlés után már nem növesztik újra az elveszített fogaskereket, és ráadásul a felnőtt lábakat egy másik mechanizmus szinkronizálja (a kiálló részek mindkét hátsó lábtól kinyúlnak, és működésbe hozzák a másik lábat.)

Burrows és Sutton azt feltételezi, hogy ez a fogaskerekek törékenységével magyarázható: ha egy fog eltörne egy felnőtt rovarban, vedlés híján már nem tudná újranöveszteni, és ez korlátozná a hatékonyságát. A nimfák számára ez nem olyan nagy probléma, hiszen felnőtt koruk előtt többször is vedlenek és új fogaskerekeket is növesztenek.

Van aki csak dísznek használja őket

Találtak már más állatokban is mechanikus jellegű szerkezeteket, (mint például a tüskés teknős  vagy a kerékcsiga esetében), de ott azok általában dísznek bizonyultak. Úgy tűnik, hogy ez az első természetesen kialakult funkcionális mechanikus dizájn, amely úgy működik, mint a mi hajtómű-rendszereink.

"A fogaskerekekre általában úgy gondolunk, mint amiket az ember által tervezett gépekben találni, de azt tapasztaltuk, hogy ez csak azért van, mert nem nézünk alaposan körül"

- mondta Sutton. „Ezeket a fogaskerekeket nem tervezték, ezek kifejlődtek, - nagy sebességet és precíziós gépeket képviselnek, melyeket az állatok, saját mozgásuk szinkronizálására fejlesztettek ki."

Akad aki a praktikumra esküszik

A fa-pajzsoskabócákban történt 2013-as felfedezés óta más lámpáskabócák lárváiban is kimutattak biomechanikus fogaskerekeket. Igor Siwanowicz biokémikus, a Howard Hughes Orvosi Intézet Janelia Kutatási Kampuszának neurobiológusa az Acanalonia conica nevű faj lárváiban találta meg őket. És még ennél is van több, de ahhoz már Nagy Sándor magkémikus, természetfotós és hobbi-bogarász nagyszerű és alapos cikkét is meg kell látogatnotok a témáról. Érdemes.

(Forrás: Smithsonianmag, Nagy Sándor,  Képek: Nagy Sándor, Teepublic)