（文／David J. Tenenbaum）齿轮是这个世界上最简单的六种机械装置之一，你可以在门的铰链、烤面包机，甚至法拉利跑车上找到它们。但是在生物学中，我们却很少见到齿轮，斜面、螺丝和滑轮也极为罕见。
不过现在，科学家发现一种瓢蜡蝉的后腿上有类似齿轮的装置，凭借它们，这种瓢蜡蝉的幼虫可以跳出体长100倍的距离。“我以前一直很好奇昆虫是如何移动的，后来，这种兴趣转变为探究昆虫为什么能够迅速、有力地移动。”这项研究的负责人、英国剑桥大学名誉动物学教授马尔科姆•巴罗斯（Malcolm Burrows）说道。
巴罗斯不断寻找昆虫界的奥林匹克跳手，最终将范围缩小到鞘翅瓢蜡蝉这类昆虫上。
当巴罗斯将注意力集中到一种叫鞘翅瓢蜡蝉（Issus coleoptratus，种加词的意思是“有铠甲的翅膀”，和“Coleoptera（鞘翅目）”这个词同源）的时候，他发现这种生物的若虫（昆虫发育的初期阶段）可以跳跃300~400毫米——这个距离大约是其体长的100倍。
为了能精准地跳跃，鞘翅瓢蜡蝉幼虫的腿需要在 30微秒内完成准备-弹射的动作。巴罗斯表示，神经细胞没法精准地处理这么短时间的信息，但要是跳跃不够精准，饿死还是好的，最惨的下场是活活喂了天敌。
这张电镜图展示了鞘翅瓢蜡蝉腿部齿轮结构的特写。来源：Malcolm Burrows
一瞬间发生的故事
虽然表面上看齿轮是在传输动力，但巴罗斯和他的合作者、布里斯托大学的格里高利•萨顿（Gregory Sutton）发现，鞘翅瓢蜡蝉的幼虫其实是利用齿轮同步腿部肌肉：通过三角形的“齿”互相啮合，使运动实现同步。
两个齿轮的旋转速度超过每分钟 3.3万转，而齿轮转动的加速度达到 700g，能瞬间把叶蝉加速到每秒 3.9米的速度。
使用每秒5000帧的高速摄像机，研究者捕捉到了鞘翅瓢蜡蝉起跳的瞬间。根据 Malcolm Burrows 视频制作，图片来源：graphics8.nytimes.com
这种演化结果着实精巧，可还是有个奇怪的地方：成年的鞘翅瓢蜡蝉没有这种齿轮结构，但是它们跳得却更远。
鞘翅瓢蜡蝉成年后仍然需要同步腿部的动作，但成虫不具有齿轮结构。巴罗斯说：“这是个有趣的现象，原理还不清楚。”
至于这个“非凡的齿轮结构”为什么在鞘翅瓢蜡蝉长大后就消失，一个可能的解释是轮齿会断掉。“我们所能想到最合理的解释是：当齿轮上的齿磨光后就没用了。就像一个没有齿轮的变速箱并不能帮助劫匪逃避警察的追捕一样，失去齿的齿轮结构也不能帮助叶蝉逃离捕食者的追捕。
生存的秘诀：跳得更快更远
在鞘翅瓢蜡蝉的成长过程中，齿轮结构每次蜕皮都会得到更新，因此损坏很快就可以修补。
巴罗斯说，“但是如果你是一只还要活数个月或者一年的成虫，你被捕食的几率将会剧增。”而自然——更准确地说，应该是演化——是个非常好的设计者，巴罗斯补充道，有20个科的瓢蜡蝉拥有这种齿轮状的结构。“考虑到物种的多样性和这种结构的普遍性，这种齿轮结构一定出现很长时间了，自然在人类出现之前就已发明出齿轮。”
鞘翅瓢蜡蝉身上齿轮结构的运动，播放速度只有实际运动速度的1/166。来源：Malcolm Burrows
尽管巴罗斯没法在自然界中找到其他类似的齿轮例子，但他发现自然界中还是有类似其他人工机器的结构。有些昆虫会用类似钩毛搭扣或是按扣的结构来固定前后翼。“自然界中还有许多人类不知道的东西，”巴罗斯说：“但目前为止，这是我们在自然界里发现的第一例齿轮。”
【左图说明：当然啦，自然还没有演化出变速箱这么复杂的齿轮结构，比如这架现存于科斯福德英国皇家空军博物馆的引擎。来源：William Warby】
巴罗斯指出，蟋蟀的翅膀上存在一种锯齿状结构，互相摩擦可以发出声音。“但是，这和齿轮之间互相的绞合结构不同，它并不用来行使像同步两个附肢这样的功能。”
- 本文编译自：Got Gears? Synchromesh,leafhopper style
- 原创人员：编辑/Terry Devitt； 设计、制图/ S.V. Medaris； 项目助理/彭一郎； 专题作家/David J. Tenenbaum； 内容开发/Amy Toburen
本文由 Whyfiles.org 授权果壳网（guokr.com）编译发表，
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文章图片：除了小图（来自 flicker 用户 Macro World）和和正文从上往下第三张图片（来自graphics8.nytimes.com），本文图片全部来自英文原文 whyfiles.org