Z www.smithsonianmag.com připravil Václav Dostál, editace Pavel Kábrt – 01/2016.
S naší nejlepší rozumovou schopností byl vynalezen mechanický ozubený převod – s rovnoměrnou velikostí zubů zasazených do dvou otočných povrchů, aby do sebe zapadaly při otáčení – někdy kolem r. 300 před Kristem řeckými mechaniky, kteří žili v Alexandrii. V následujících staletích se toto jednoduché pojetí stalo základním principem moderní technologie, umožňující všechny druhy strojů a dopravních prostředků, včetně aut a jízdních kol.
Jak se ale teď ukazuje, tři milimetry dlouhý hmyz, známý jako Issus coleoptratus, nás v tomto objevu dávno porazil. Malcolm Burrows a Gregory Sutton, dvojice biologů z univerzity v Cambridge v Anglii, objevili, že nedospělci tohoto druhu mají sofistikovaný převodový ozubený mechanizmus, který uzamyká jejich zadní nohy do sebe a tím umožňuje oběma částem synchronní rotaci v jediný okamžik, což vyústí u těchto maličkých tvorů ve skok kupředu.
Objev, který byl nyní [září 2013] publikován v časopisu Science, je považován za vůbec první objevený funkční převodový ozubený systém v přírodě. Hmyz z rodu Issus, který je obvykle nazýván termínem „rostlinní skokani“, se vyskytuje všude v Evropě a Severní Africe. Burrows a Sutton použili elektronové mikroskopy a vysokorychlostní videozáznam, čímž odhalili existenci ozubeného převodu a zobrazili jeho přesnou funkci.
Říkají, že důvodem pro ozubený převod je koordinace: Aby došlo ke skoku, obě zadní nohy hmyzu se musí vymrštit v naprosto stejném čase. Protože se obě nohy pohybují stranově, pokud by se jedna natáhla jen o zlomek sekundy dříve než druhá, vymrštilo by to hmyz bočně, doleva či doprava, namísto dopředného skoku.
Ozubení je elegantním řešením. Vysokorychlostní videa badatelů ukázala, že tvorové, kteří skáčou rychlostí až 14 km/h, nakloní své zadní nohy do výskoku, potom je napřímí, čímž dojde ke stlačení a výskoku během 30 mikrosekund, čili ve třiceti miliontinách sekundy.
Převzato z: public.media.smithsonianmag.com
Jemně ozubené převody na nohách tohoto hmyzu umožňují takovýto pohyb. „K řešení složitého problému, který mozeček a nervový systém hmyzu Issus řešit nemůže, je použita jeho kostra“, řekl Burrows v prohlášení pro tisk.
Ozubené převody jsou na vrcholu hmyzích zadních nohou (na segmentech zvaných trochanter /chocholík/) a obsahují 10 až 12 kuželovitých zubů o šířce asi 80 mikrometrů. U všech studovaných skokanů hmyzu Issus byl nalezen tentýž počet zubů na každé zadní noze s elegantně zaklesnutým ozubením. Zuby mají dokonce u paty zaoblení, což je design uplatňovaný u lidmi vyráběných mechanických ozubení, protože to omezuje opotřebení během času.
K potvrzení, že ozubené převody skutečně plní svou funkci, provedli badatelé parádní (i když trochu morbidní) trik s některými mrtvými těly hmyzu Issus. Ručně nastavili jejich zadní nohy do výskočné polohy a pak elektricky stimulovali hlavní výskokový sval na jedné noze, takže noha se natáhla. Druhá, elektricky nestimulovaná noha, ale mechanicky rotačně propojená pomocí ozubení, se také napnula a mrtvý hmyz skočil dopředu.
Největší záhadou je fakt, že dospělci téhož druhu hmyzu pak už nemají žádné ozubené převody – jak mladší jedinci dorůstají a jejich kůže líná, neregenerují už žádné převodové zuby a jejich dospělé nohy jsou synchronizovány jiným mechanismem (řadou protažených výčnělků na obou zadních nohách, které tlačí druhou nohu do pohybu).
Burrows a Sutton mají hypotézu, že to může být vysvětleno křehkostí ozubeného převodu: jestliže se zlomí jeden zub, tak to omezuje efektivitu designu. Pro mláďata, která opakovaně línají a vytvářejí se jim nová ozubení než dospějí, to není až tak velký problém, ale pro dospělé Issusy by nahrazení zubů bylo nemožné – proto zde existuje alternativní uspořádání.
Existují struktury podobné ozubeným převodům, které byly objeveny už dříve u jiných zvířat (jako je ostnitá želva nebo Arilus cristatus), ale ty jsou pouze ozdobné. Výše uvedený mechanismus se jeví jako první přírodní design, který mechanicky funguje jako naše ozubené převodové systémy.
„Na ozubená kola obvykle myslíme jako na lidmi navržené strojní zařízení, ale my jsme shledali, že je to jen proto, že jsme se nedívali dostatečně pilně,“ řekl Sutton. „Nalezené ozubení není navrženo, vyvinulo se – představuje vysokorychlostní a přesné mechanické zařízení, vyvinuté pro synchronizaci v živočišném světě.“
Poznámka o autorovi článku:
Josef Stromberg je reportérem ze světa vědy pro webový portál Vox.com. Původně pracoval v oblasti mediální žurnalistiky pro Smithsonian.