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长个“纯天然”齿轮,跳得更高更远!

(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

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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

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发布于2013-09-28, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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生物科学专业

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