В живых организмах обнаружены функционирующие шестеренки

Нимфы (личинки) мелких цикадовых насекомых Issus coleoptratus для синхронизации работы конечностей при прыжке используют зубчатую передачу. Благодаря такому простому механизму задние ноги насекомого начинают двигаться удивительно слаженно — с разницей не более чем в 30 микросекунд (миллионных долей секунды).

Цикадовые насекомые из отряда полужесткокрылых Issus coleoptratus не умеют летать, зато прекрасно прыгают. Для синхронизации движений задних конечностей нимфы этих насекомых используют зубчатую передачу (рис. 2), благодаря которой их лапки при прыжке начинают двигаться почти одновременно — разница во времени не превосходит 30 микросекунд. Такой аккуратности не удалось бы достичь при передаче сигнала с помощью нервных импульсов — оказывается, они для этого недостаточно быстрые.

Рис. 2. Зубчатая передача между задними конечностями Issus coleoptratus (Trochanter — вертлуг, Gears — зубчатые колеса); фотография сделана сканирующим электронным микроскопом. Внизу: характеристики зубчатой передачи: ?_gear — радиус кривизны, ?? — расстояние (шаг) между зубцами (в градусах). Фото из обсуждаемой статьи в Science

В живых организмах и раньше находили структуры, напоминающие детали механизмов с зубчатой передачей, однако до сих пор еще ни разу не было продемонстрировано, чтобы эти шестеренки на самом деле работали подобно созданным человеком деталям. Обычны случаи, когда регулярно расположенные выросты имеют заостренные концы и используются для защиты животного, как, например, шипы на краю панциря колючей черепахи Heosemys spinosa (рис. 3).

Рис. 3. Панцирь черепахи Heosemys spinosa. Изображение с сайта

У некоторых насекомых ряды регулярно расположенных выростов образуют нечто вроде гребенки, которая используется как инструмент для звукоизвлечения (рис. 4). Ясно, что в этих случаях регулярно расположенные выросты лишь напоминают детали созданных человеком механизмов, но никакого отношения к зубчатой передаче не имеют.

Рис. 4. Равномерно расположенные зубчики на теле сверчка Gryllus bimaculatus используются как инструмент для звукоизвлечения. Фото из статьи Montealegre-Z et al., 2009. Mechanical phase shifters for coherent acoustic radiation in the stridulating wings of crickets: the plectrum mechanism // The Journal of experimental biology. V. 212. P. 257–269

Зубчики на задних конечностях Issus coleoptratus были описаны еще в пятидесятых годах, однако установить, что они работают, как сцепленные шестеренки, оказалось не так-то просто: для этого потребовалось отснять прыжки насекомых с очень высоким временным разрешением (5000 кадров в секунду). Кроме того, исследователи рассматривали, как функционируют конечности у насекомых, зафиксированных на спинке, то есть не ограниченных в своих движениях — это позволило получить крупные качественные картинки движущихся суставов. На видео хорошо видно, что шестеренки действительно обеспечивают механическое сцепление конечностей. Этот механизм не требует никакого контроля со стороны нервной системы и функционирует даже в мертвых насекомых.

Когда одна конечность начинается двигаться для прыжка, ее шестеренка передает силу на другую конечность и индуцирует ее движение. Левые и правые мышцы задних конечностей иннервируются каждая отдельно — парой моторных (двигательных) нейронов. Эти нейроны действуют синхронно, обеспечивая одинаковую силу напряжения парных мышц. Однако, как уже было сказано, скорость передачи сигнала по нейронам была бы недостаточной для того, чтобы обеспечить почти идеальную слаженность движения ног в начале прыжка, которую обеспечивает простой механизм шестеренок.

Интересно, что зубчатая передача используется для синхронизации движения конечностей только у нимф насекомых, а у взрослых животных для этих целей служит фрикционная передача: сила передается с одной конечности на другую просто через трение прилегающих друг к другу частей. При этом взрослые насекомые прыгают лучше нимф — они достигают скорости 5,5 м/с, тогда как у нимф скорость в прыжке около 3,9 м/с. Однако авторы не берутся утверждать, что взрослые насекомые прыгают лучше именно благодаря отказу от зубчатой передачи, так как при переходе из стадии нимфы во взрослую стадию в организме насекомого происходит очень много различных изменений.

В то же время ясно, почему взрослые насекомые не могут позволить себе зубчатую передачу: всё дело в возможных поломках такой системы. Зубчики шестеренок на ногах у личинок хорошо укреплены, но если хотя бы один из зубцов сломается, передача перестанет работать или же будет работать очень плохо, не обеспечивая необходимой синхронности движения конечностей. Для нимфы насекомого это не смертельно: поломка может быть восстановлена после следующей линьки. Однако после того, как прошла последняя линька и насекомое перешло во взрослую стадию, такой ремонт станет невозможен. В то же время, поскольку взрослые насекомые крупнее нимф, трение для них может быть более выгодным механизмом синхронизации, чем зубчатая передача.

Как бы то ни было, теперь нам известно, что механизм, который раньше считался исключительно достижением человеческой мысли, был разработан природой в ходе эволюции задолго до изобретения его человеком.

Источник: Malcolm Burrows, Gregory Sutton. Interacting gears synchronize propulsive leg movements in a jumping insect // Science. 2013. V. 341. P. 1254–1256. Doi:10.1126/science.1240284.

Юлия Кондратенко