kwartalnik "Edukacja Biologiczna i Środowiskowa"

ISSN 1643-8779



Koła zębate w żywym organizmie?

We wrześniu 2013 r. w czasopiśmie Science ukazał się artykuł dotyczący mechanizmu poruszania się nimf pluskwiaka gatunku Issus coleoptratus [1]. Jak się okazało w wyniku badań, larwy pluskwiaków w tylnych odnóżach zaopatrzone są w zestaw kół zębatych.

Najkrótszej Historii Wynalazków Bolesława Orłowskiego można przeczytać, że jeszcze w starożytności wynaleziono kołowrotek, tokarkę, żarna obrotowe, krążek linowy, [i] koła zębate[2]. Jak się jednak okazało całkiem niedawno natura znacznie wyprzedziła człowieka w jego pomysłowości. Ostatnie stadium larwalne – nimfy – pluskwiaka Issus coleoptratus widocznego na rysunku 1 nie mają zdolności do lotu za to potrafią skakać podobnie jak koniki polne. Skaczą zadziwiająco dobrze, bo na odległości 300 do 400 milimetrów, a więc większe niż stukrotność długości ich ciała! A wszystko to za sprawą zestawu kół zębatych, które znajdują się w krętarzu ich tylnych odnóży (ryc. 2).

Aby dokonać precyzyjnej obserwacji naukowcy wykorzystali kamerę wykonującą 30.000 klatek na sekundę [5, 6]. Oglądając nagrania przy małej prędkości wykazali, że tylne nogi owada są ze sobą zsynchronizowane dzięki kołu zębatemu z dokładnością do 30 mikrosekund czyli 30 milionowych części sekundy. Najciekawsze jest to że, jak podają autorzy artykułu, tak precyzyjna synchronizacja byłaby nieosiągalna na drodze neuronalnej (czyli sterowania układem nerwowym), jako, że czas trwania pojedynczego impulsu nerwowego to jedna milisekunda, czyli jedna tysięczna część sekundy, a więc trwa ponad 30 razy dłużej niż czas synchronizacji obu odnóży. Tak więc ruch odbywa się za pośrednictwem mechanicznej synchronizacji – kiedy pierwsze, wyróżnione odnóże zaczyna się poruszać, koła zębate zapewniają w zasadzie prawie natychmiastowe przełożenie siły o praktycznie tej samej wartości na drugie odnóże i skok za pomocą obu odnóży.

Mechanizm działa efektywnie tylko w przypadku stadium larwalnego pluskwiaka. W czasie ostatniego linienia do formy dorosłej „zęby” koła zębatego zostają odrzucone. Pomimo tych zmian, jak podają autorzy artykułu, formy imago I. coleoptratus są lepszymi skoczkami niż formy larwalne i osiągają prędkości odrzutu nawet do 5,5 m/s w czasie krótszym niż 1 milisekunda, więc mogą doświadczać przyspieszeń powyżej 700 g! [7]

 

Ryc. 1. Nimfa I. coleoptratus [3]

 

Ryc. 2. Zestaw kół zębatych w krętarzu I. coleoptratus [4]

 

 

Literatura

[1] Malcolm Burrows, Gregory Sutton (2013), Interacting Gears Synchronize Propulsive Leg Movements in a Jumping Insect, Science 341, 1254

[2] Bolesław Orłowski (1993), Najkrótsza Historia Wynalazków, PZSWiR, Warszawa

[3] http://whyfiles.org/wp-content/uploads/2013/09/burrows2hr.jpg

[4] http://whyfiles.org/wp-content/uploads/2013/09/rollover_gear2.jpg

[5] http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=kOM0f0dCCf4

[6] http://www.youtube.com/watch?v=xQk-lP2R04Y

[7] Malcolm Burrows (2009) Jumping performance of planthoppers (Hemiptera, Issidae), The Journal of Experimental Biology 212, 2844-2855, dostępny online, http://jeb.biologists.org/content/212/17/2844.long

 

Marcin Chrzanowski

Tekst pochodzi z EBiŚ 4/2013