Så langt vi kjenner til, ble det mekaniske giret - jevnt store tenner kuttet i to forskjellige roterende flater for å låse dem sammen når de snur seg - oppfunnet en gang rundt 300 f.Kr. av gresk mekaniker som bodde i Alexandria. I århundrene siden har det enkle konseptet blitt en nøkkelstein i moderne teknologi, noe som muliggjør alle slags maskiner og kjøretøy, inkludert biler og sykler.
Det viser seg at et tre-millimeter langt hoppende insekt, kjent som Issus coleoptratus, slo oss til denne oppfinnelsen. Malcolm Burrows og Gregory Sutton, et par biologer fra University of Cambridge i Storbritannia, oppdaget at ungdyr av arten har et intrikat girsystem som låser bakbenene sammen, slik at begge vedhengene kan rotere på samme øyeblikk og forårsake bittesmå skapninger hopper fremover.
Issus coleoptratus
Girene er plassert på det øverste segmentet av hvert av insektets bakben
Funnet, som ble publisert i dag i Science, antas å være det første funksjonelle girsystemet som noen gang er oppdaget i naturen. Insekter fra Issus- slekten, som ofte kalles “planthoppere”, finnes i hele Europa og Nord-Afrika. Burrows og Sutton brukte elektronmikroskop og høyhastighets videoopptak for å oppdage eksistensen av giringen og finne ut den nøyaktige funksjonen.
Årsaken til giringen, sier de, er koordinering: For å hoppe, må begge insekts bakben skyve seg frem på nøyaktig samme tid. Fordi de begge svinger sideveis, hvis det ene ble utvidet et brøkdel av et sekund tidligere enn det andre, ville det presset insektet av kurs mot høyre eller venstre, i stedet for å hoppe rett frem.
Gearingen er en elegant løsning. Forskernes høyhastighetsvideoer viste at skapningene, som hopper i hastigheter så høye som 8, 7 mil i timen, slo bakbenene i en hoppposisjon, og deretter presset fremover, med hver bevegelse innen 30 mikrosekunder (det er 30 milliondeler av et sekund ) av den andre.
De fint tannede tannhjulene i beina gjør at dette kan skje. "I Issus brukes skjelettet til å løse et komplekst problem som hjernen og nervesystemet ikke kan, " sa Burrows i en pressemelding.
Girene er plassert på toppen av insektenes bakben (på segmenter kjent som trochantera) og inkluderer 10 til 12 avsmalnende tenner, hver omlag 80 mikrometer bred (eller 80 milliondeler av en meter). I alle de studerte Issus- hopperne var det samme antall tenner tilstede på hvert bakben, og tannhjulene låst pent sammen. Tennene har til og med fileterte kurver ved basen, en design integrert i menneskeskapte mekaniske tannhjul fordi det reduserer slitasje over tid.
For å bekrefte at girene utførte denne funksjonen, utførte forskerne et pent (om enn sykelig) triks med noen døde Issus . De knep benene manuelt tilbake i en hoppestilling, og stimulerte deretter elektrisk hoppemuskelen i det ene benet slik at benet forlenget seg. Fordi det ble rotert låst av tannhjulene, beveget det andre ikke-stimulerte benet seg også, og det døde insektet hoppet frem.
Hovedmysteriet er det faktum at voksne av samme insektsart ikke har noen giring - når ungdyrene vokser opp og huden deres smelter bort, klarer de ikke å vokse opp igjen disse tannhjulene, og de voksne benene synkroniseres av en alternativ mekanisme ( en rekke fremspring strekker seg fra begge bakbena, og skyver det andre benet til handling).
Burrows og Sutton antar at dette kan forklares med skjørheten i giringen: hvis en tann bryter, begrenser det effektiviteten til designen. Dette er ikke et så stort problem for ungdommene, som gjentatte ganger smelter og dyrker nye tannhjul før voksen alder, men for den modne Issus ville det være umulig å bytte ut tennene - derav alternativt arrangement.
Det har vært redskapslignende strukturer som tidligere har blitt funnet på andre dyr (som den spiny skilpadden eller hjulfeilen), men de er rent dekorative. Dette ser ut til å være den første naturlige designen som mekanisk fungerer som våre girsystemer.
"Vi tenker vanligvis på tannhjul som noe vi ser i menneskeskapte maskiner, men vi har funnet ut at det bare skyldes at vi ikke så hardt ut, " sa Sutton. “Disse girene er ikke designet; de er utviklet - som representerer maskiner med høy hastighet og presisjon utviklet for synkronisering i dyreverdenen. "
