跳蝽是唯一已知拥有齿轮机制的生物。 Issus coleoptratus 是首个被正式描述其齿轮状机制的跳蝽种类。大多数 Issus 属的物种分布于欧洲、近东和北非。
根据一项新研究,跳蝽 Issus coleoptratus 是首个拥有功能性齿轮的活体生物。当该昆虫跳跃时,其后腿上的两个相互啮合的齿轮帮助同步两条腿。
跳蝽的跳跃齿轮
每条腿都有一条弯曲的、包含10至12个齿轮齿的条带,连接在昆虫的足节上。Malcolm Burrows 于1957年描述了这些结构,但没有人证明这些齿轮能够工作。
昆虫的后腿可以有两种排列方式。蚱蜢和跳蚤的腿在身体两侧的不同平面上运动,而像跳蝽这样的优秀跳跃昆虫的腿则在身体下方的同一平面上运动。因此,跳蝽的腿必须紧密耦合。
如果两条腿之间的时机有轻微差异,身体就会开始旋转。
Malcolm Burrows,英国剑桥大学神经生物学名誉教授
根据发表在《Science》期刊9月13日刊号中的研究结果,齿轮将后腿的运动同步至约30微秒以内,这远快于神经系统能够实现的速度。
Burrows 注意到齿轮有时会相互滑过,但当它们最终啮合时,两条腿便同步了。
Burrows 对一只死亡的跳蝽进行实验:当他拉动其一条腿时,两条腿会快速伸展。因此,他声称骨骼系统的机械结构能够自行同步腿部运动。(来源:Live Science)
未成熟的跳蝽有什么样的齿轮?
只有未成熟的跳蝽(若虫)在最后一次蜕皮时会失去齿轮。成虫通过腿部之间的摩擦实现与齿轮相同的效果。
据 Burrows 称,成虫可能会放弃齿轮,因为齿轮齿可能会断裂,危及昆虫’的生存。若虫在成年前会蜕皮五至六次并能修复损伤,而成虫只有一次体表。
成年动物体型更大、更加僵硬,因此摩擦可能是它们同步腿部动作的更有效方式。
看到人类机械工程的一个又一个组成部分也在活的世界中被发现,真是令人兴奋。
亚历山大·里德尔,德国卡尔斯鲁厄自然历史州立博物馆馆长
还有一些其他动物拥有齿轮状结构。顾名思义,齿轮乌龟的壳上有装饰性的齿轮。一些爬行动物拥有齿轮形心脏瓣膜,可增加血流阻力。此外,一些昆虫有齿轮状的突起,可发出啁啾声。然而,这些结构都不以传统意义上的齿轮方式运作。
Burrows 最初在德国一位同事的花园里发现了齿轮腿昆虫。他在英格兰寻找过,但未能找到。(来源:Live Science)
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