Så vidt vi ved, blev det mekaniske gear - jævnstore tænder skåret i to forskellige roterende overflader for at låse dem sammen, når de drejer sig - opfundet en gang omkring 300 fvt. Af græsk mekaniker, der boede i Alexandria. I århundreder siden er det enkle koncept blevet en keystone i moderne teknologi, der muliggør alle slags maskiner og køretøjer, inklusive biler og cykler.
Som det viser sig, slog et tre-millimeter langt hoppende insekt kaldet Issus coleoptratus os til denne opfindelse. Malcolm Burrows og Gregory Sutton, et par biologer fra University of Cambridge i Storbritannien, opdagede, at unge af arten har et kompliceret gearingssystem, der låser deres bagben sammen, så begge vedhæng kan rotere på nøjagtigt samme øjeblik, hvilket forårsager små skabninger hopper frem.
Issus coleoptratus
Gearene er placeret på det øverste segment af hvert af insektets bagben
Fundet, der blev offentliggjort i dag i Science, antages at være det første funktionelle gearsystem, der nogensinde er opdaget i naturen. Insekter fra slægten Issus, der ofte kaldes ”planthoppere”, findes i hele Europa og Nordafrika. Burrows og Sutton brugte elektronmikroskoper og videooptagelse i høj hastighed for at opdage eksistensen af gearingen og finde ud af dens nøjagtige funktion.
Årsagen til gearingen, siger de, er koordination: For at hoppe skal begge insektets bagben ben skubbe frem nøjagtigt på samme tid. Fordi de begge svinger i sideretning, hvis den ene blev forlænget en brøkdel af et sekund tidligere end den anden, ville det skubbe insektet fra kursen til højre eller venstre, i stedet for at hoppe lige frem.
Gearet er en elegant løsning. Forskernes højhastighedsvideoer viste, at væsnerne, der hopper i hastigheder så høje som 8, 7 miles i timen, spændte deres bagben i en hoppeposition og derefter skubbes fremad, med hver bevægelse inden for 30 mikrosekunder (det er 30 milliondele af et sekund ) af den anden.
De fint tandede gear i deres ben tillader, at dette sker. ”I Issus bruges skelettet til at løse et komplekst problem, som hjernen og nervesystemet ikke kan, ” sagde Burrows i en pressemeddelelse.
Gearene er placeret øverst på insektenes bagben (på segmenter kendt som trochantera) og inkluderer 10 til 12 koniske tænder, hver ca. 80 mikrometer bred (eller 80 milliondele af en meter). I alle de studerede Issus- hopper var det samme antal tænder til stede på hvert bagben, og tandhjulene låst pænt sammen. Tænderne har endda fileterede kurver i bunden, et design indbygget i menneskeskabte mekaniske gear, fordi det reducerer slid over tid.
For at bekræfte, at gearene udførte denne funktion, udførte forskerne et pænt (omend sygeligt) trick med nogle døde Issus . De bankede benene manuelt tilbage i en hopposition og stimulerede derefter elektrisk hoppemuskelen i det ene ben, så benet strækkede sig. Fordi det låst roterende af tandhjulene, bevægede det andet ikke-stimulerede ben sig også, og det døde insekt sprang fremad.
Hovedmysteriet er det faktum, at voksne af de samme insektarter ikke har nogen gearing - når de unge vokser op og deres hud smelter væk, de ikke klarer at vokse op igen disse geartænder, og de voksne ben synkroniseres af en alternativ mekanisme ( en række fremspring strækker sig fra begge bagben og skubber det andet ben til handling).
Burrows og Sutton antager, at dette kan forklares med gearingens skrøbelighed: Hvis en tand bryder, begrænser det designets effektivitet. Dette er ikke et så stort problem for de unge, der gentagne gange smelter og dyrker nye redskaber før voksenlivet, men for den modne Issus ville det være umuligt at udskifte tænder - deraf det alternative arrangement.
Der har tidligere været fundet gearlignende strukturer på andre dyr (som den stivne skildpadde eller hjulbuggen), men de er rent dekorative. Dette ser ud til at være det første naturlige design, der mekanisk fungerer som vores gearede systemer.
”Vi tænker normalt på gear som noget, vi ser i menneskeligt designet maskiner, men vi har fundet, at det kun skyldes, at vi ikke så hårdt nok ud, ” sagde Sutton. ”Disse gear er ikke designet; de udvikles - repræsenterer maskiner med høj hastighed og præcision udviklet til synkronisering i dyreverdenen.
