举个栗子:生物体上发现机械齿轮是怎么回事?

生物体上发现机械齿轮是怎么回事?的头图

最近英国科学家在一种昆虫身上发现首例生物齿轮,这种昆虫只有半个火蚁大小。

这种小型跳跃昆虫将两只后腿锁定在准备跳跃的位置,绷紧身体,就像弓箭手拉开一张弓。在它们两只后腿的顶部,有一对小齿轮啮合——这对奇怪的、鱼翅状的齿轮整齐地互相咬合,就像拉链一般。然后,在比我们眨眼、思考或是裸眼可视时间还短的瞬间,整个昆虫就消失在我们的视野中。

在2毫秒的时间内,它像子弹一般发射出去,加速度接近400米每平方秒,是人类所能承受加速度的20多倍。它的最高瞬时速度突破每小时12.8公里,考虑到它不到2.5毫米的个头,这个速度相当可观。

这个微缩版奇迹是一种发育期的蜡蝉(Issus nymph)。根据英国研究人员9月12日在《科学》期刊的报道,它是首个被发现具有运动功能齿轮的生物体。研究人员认为,这种主要生活在欧洲攀爬常青藤上的蜡蝉之所以进化出了特技般的能力,是因为它们需要逃离危险的处境。

无论是袋鼠还是NBA球员,大型动物都是依靠神经系统来推动跳跃,使用稳定的调节和反馈回路来保持双腿同步。而蜡蝉双腿的速度比神经系统的反应速度更快。它从腿部发出一个信号,再从头部返回,大约需要5到6毫秒,这时跳跃的动作早已完成。与大型动物不同的是,它们通过一对生物齿轮在跳跃之前啮合,把双腿锁定在一起,这样运动时的同步精度达到了1/300000秒。

这对齿轮本身是一个奇怪的事物,齿形像是波浪的波峰,完全不像我们在汽车或者手表中看到的那种。(我们最熟悉的齿轮叫做渐开线齿轮,由瑞士数学家欧拉在18世纪设计的。)尽管这种齿形在数学意义上很奇怪,但是齿轮的设计方法有无限多种。形成这种齿形可能有两个原因:要么是大自然随机进化的结果;要么是特别有利于跳跃。

关于这个发现的另一件奇怪的事情是:虽然类似蜡蝉这样的跳跃昆虫有很多,有些跳得更快、更好,但只有蜡蝉具有的天然齿轮。其他昆虫中大多数都是通过摩擦来同步快速跳跃的双腿,通过有突起或疙瘩的表面把双腿顶端挤压在一起。

更加奇怪的是,蜡蝉并不是整个生命周期都具备这对齿轮。幼年蜡蝉生长过程中会进行多次蜕皮,更新它的外骨骼(包括这对齿轮),不断变大。但是,在它最终蜕皮成成虫之后——突然之间,这对齿轮就消失了。它的成虫像其他植间跳跃昆虫一样,通过摩擦来同步双腿。

对于这种现象,研究人员提出一个假设:如果成虫的齿轮中有一个齿发生了滑脱断裂(研究人员在发育期的蜡蝉中观察到了这种现象),它的跳跃能力将会受到永久的损伤。成虫不能再进行蜕皮,没有机会生长出更多的轮齿。伴随每一次的跳跃,整个咬合系统可能发生滑脱,从而加速对剩余轮齿的损害。这就好比汽车的齿轮箱缺失了一个轮齿,那么每一次转到那个缺齿的位置,齿轮箱都会发生颠簸。

(答案整理自科学公园)

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