Voor zover wij weten, werd het mechanische tandwiel - tanden van gelijke grootte in twee verschillende roterende oppervlakken gesneden om ze samen te houden terwijl ze draaien - ergens rond 300 voor Christus uitgevonden door Griekse monteurs die in Alexandrië woonden. In de eeuwen daarna is het eenvoudige concept een hoeksteen van de moderne technologie geworden, waardoor allerlei machines en voertuigen, waaronder auto's en fietsen, mogelijk zijn.
Het blijkt echter dat een drie-millimeter lang huppelend insect dat bekend staat als Issus coleoptratus ons versloeg bij deze uitvinding. Malcolm Burrows en Gregory Sutton, een bioloog van de Universiteit van Cambridge in het VK, ontdekten dat jonge exemplaren van de soort een ingewikkeld versnellingssysteem hebben dat hun achterpoten aan elkaar vergrendelt, waardoor beide aanhangsels op exact hetzelfde moment kunnen roteren, waardoor de kleine wezens springen naar voren.
Issus coleoptratus
De tandwielen bevinden zich op het bovenste segment van elk van de achterpoten van het insect
De bevinding, die vandaag in Science werd gepubliceerd, wordt beschouwd als het eerste functionele versnellingssysteem dat ooit in de natuur is ontdekt. Insecten van het Issus- geslacht, die gewoonlijk 'planthoppers' worden genoemd, zijn in heel Europa en Noord-Afrika te vinden. Burrows en Sutton gebruikten elektronenmicroscopen en high-speed video-opname om het bestaan van de tandwieloverbrenging te ontdekken en de exacte functie ervan te achterhalen.
De reden voor de versnelling, zeggen ze, is coördinatie: om te springen moeten beide achterpoten van het insect precies op hetzelfde moment naar voren duwen. Omdat ze allebei lateraal slingeren, als de ene een fractie van een seconde eerder werd verlengd dan de andere, zou het het insect uit de koers naar rechts of links duwen in plaats van recht vooruit te springen.
De gearing is een elegante oplossing. De high-speed video's van de onderzoekers toonden aan dat de wezens, die met snelheden springen tot 8, 7 mijl per uur, hun achterbenen in een springpositie hielden en vervolgens naar voren duwden, waarbij elke beweging binnen 30 microseconden (dat is 30 miljoenste van een seconde) ) van het andere.
De fijn getande tandwielen in hun benen laten dit gebeuren. "In Issus wordt het skelet gebruikt om een complex probleem op te lossen dat de hersenen en het zenuwstelsel niet kunnen, " zei Burrows in een persverklaring.
De tandwielen bevinden zich aan de bovenkant van de achterpoten van de insecten (op segmenten die bekend staan als trochantera) en bevatten 10 tot 12 taps toelopende tanden, elk ongeveer 80 micrometer breed (of 80 miljoenste van een meter). In alle onderzochte Issus- trechters was op elke achterpoot hetzelfde aantal tanden aanwezig en de tandwielen netjes aan elkaar vastgezet. De tanden hebben zelfs gefileerde bochten aan de basis, een ontwerp dat is verwerkt in door de mens gemaakte mechanische tandwielen omdat het slijtage in de loop van de tijd vermindert.
Om te bevestigen dat de versnellingen deze functie uitvoerden, voerden de onderzoekers een nette (zij het morbide) truc uit met enkele dode Issus . Ze hielden hun benen manueel in een springpositie en stimuleerden vervolgens elektrisch de hoofdspringspier in één been, zodat het been zich uitstrekte. Omdat het roterend werd vergrendeld door de tandwielen, bewoog het andere niet-gestimuleerde been ook en sprong het dode insect naar voren.
Het belangrijkste mysterie is het feit dat volwassenen van dezelfde insectensoort geen tandwieloverbrenging hebben - naarmate de juvenielen opgroeien en hun huid wegsmelt, falen ze deze tandwieltanden terug te groeien en worden de volwassen benen gesynchroniseerd door een alternatief mechanisme ( een reeks uitsteeksels reiken vanaf beide achterpoten en duwen het andere been in actie).
Burrows en Sutton veronderstellen dat dit kan worden verklaard door de kwetsbaarheid van de tandwieloverbrenging: als één tand breekt, beperkt dit de effectiviteit van het ontwerp. Dit is niet zo'n groot probleem voor de jongeren, die voor de volwassenheid herhaaldelijk nieuwe versnellingen ruien en laten groeien, maar voor de volwassen Issus zou het vervangen van de tanden onmogelijk zijn - vandaar de alternatieve opstelling.
Er zijn eerder tandwielachtige structuren gevonden bij andere dieren (zoals de stekelige schildpad of de wielinsect), maar ze zijn puur decoratief. Dit lijkt het eerste natuurlijke ontwerp te zijn dat mechanisch functioneert zoals onze tandwielsystemen.
"We denken meestal aan tandwielen als iets dat we zien in door mensen ontworpen machines, maar we hebben ontdekt dat dat alleen is omdat we er niet hard genoeg uitzagen, " zei Sutton. “Deze versnellingen zijn niet ontworpen; ze zijn geëvolueerd - vertegenwoordigen hoge snelheid en precisiemachines die zijn ontwikkeld voor synchronisatie in de dierenwereld. ”
