Зубчатая передача - изобретение живой природы

На первый взгляд, то, чем занимаются два британских нейробиолога - Малком Барроуз (Malcolm Burrows) из Кембриджского университета и Грегори Саттон (Gregory Sutton) из Бристольского университета, - может показаться не вполне серьезным. Объект их научных интересов - блохи, цикады, кобылки, пенницы и прочие прыгающие насекомые, - причем внимание исследователей приковано именно к прыгательным способностям этих членистоногих. На самом же деле учеными руководит, конечно, не просто праздное любопытство. Потенциально все исследования такого рода могут дать - и многие действительно дают - результаты, которые потом находят конкретное практическое применение в технике. Например, в роботостроении. Ведь насекомые - поистине кладезь интересных технических решений. Да и не только насекомые. "Животные - это машины поразительной сложности", - подчеркивает Грегори Саттон.

Прыжок насекомого полон загадок

Несколько лет назад эта самая пара исследователей выяснила на примере блохи, как насекомым удается совершать гигантские - относительно размеров их тела - прыжки. Оказалось, что они используют механизм, напоминающий катапульту или лук. Заблокировав задние конечности так, чтобы те не двигались, насекомое начинает медленно сокращать мышцы. При этом энергия упругой деформации накапливается в эластичной структуре, состоящей из особого белка - резилина. Именно эта структура и выполняет функцию согнутого лука или закрученного жгута катапульты: она практически мгновенно высвобождает до 98 процентов накопленной энергии. По словам Грегори Саттона, это гораздо более высокий показатель, чем у любого из соединений, применяемых сегодня в технике. Но один важный вопрос остался тогда без ответа: как насекомые синхронизируют обе ноги, чтобы оттолкнуться ими строго одновременно?

Изучили блоху - взялись за цикаду

Теперь, похоже, выясняется, что вместо единого, универсального решения этой непростой технической задачи природа реализовала несколько различных решений. Одно из них британские исследователи описали в статье в журнале Science. Оно представляет собой, в сущности, миниатюрную зубчатую передачу, а обнаружили ее ученые у насекомых вида Issus coleoptratus - представителей семейства "иссиды" (Issidae) отряда полужесткокрылых. Речь идет о мелких (длина тела от 5 до 7 миллиметров) цикадах, широко распространенных по всей Европе - и не только. Они обитают на травах и кустарниках. Главная особенность этих насекомых - способность спасаться от опасности высоким прыжком, причем делать это мгновенно. "Прыжки выполняются невероятно быстро, - говорит Грегори Саттон. - Между состоянием полного покоя цикады и ее отрывом от поверхности проходит менее одной миллисекунды. Этот процесс протекает очень упорядоченно, очень организованно и целенаправленно. Все попытки человека воспроизвести такой механизм, то есть сконструировать прыгающего робота с более или менее близкими параметрами, до сих пор успехом не увенчались".

Нервная система слишком медлительна

Как и в случае с блохами, британские ученые использовали для изучения цикад высокоскоростную камеру. Исследователи засняли и проанализировали, в общей сложности, 206 прыжков, из которых всего лишь один оказался неудачным. Все удачные прыжки насекомые выполнили идеально синхронным отталкиванием от поверхности обеими задними ногами. Неудачным оказался прыжок, при котором эта синхронность работы толчковых ног была нарушена. По словам ученых, уже рассогласования в 0,2 миллисекунды достаточно, чтобы прыжок сорвался. Но такое случается редко. Обычно же погрешность в синхронности отталкивания двумя ногами составляет не более 30 микросекунд, то есть 0,03 миллисекунды.

"Таким образом, мы знали, что должен быть какой-то механизм, позволяющий насекомым синхронизировать движение задних ног, - говорит Грегори Саттон. - Но какой? Нервная система обеспечить такую синхронность не может. Нейрону даже на самое быстрое возбуждение требуется почти целая миллисекунда. Это в 300 раз дольше, чем наблюдавшаяся нами средняя погрешность в синхронности. А ведь потом этот нервный импульс еще должен дойти до мышцы, и та должна на него отреагировать. Все это требует времени. Прыжок же происходит гораздо быстрее".

Бедра с зубчатым зацеплением

Итак, нервная система не способна обеспечить нужную координацию движений цикад. Британские исследователи продолжили изучение и высокоскоростную съемку насекомых, перевернув их на спину и закрепив в таком положении. Грегори Саттон рассказывает: "Их можно расшевелить мягкой кисточкой, слегка дотрагиваясь до брюшка щетинками. На раздражение цикады отвечают тем, что отталкивают кисточку от себя, при этом задние ноги совершают то же самое движение, что и при прыжке".

Анализируя отснятый материал, ученые обнаружили то, что раньше, при съемке прыжков, оставалось незамеченным. Оказалось, что у этих цикад основания бедер задних ног имеют ряд миниатюрных отростков, напоминающих зубья шестерни. Перед самым толчком насекомое сводит ноги так, что зубья одной ноги входят в зацепление с зубьями другой, что и обеспечивает практически идеальную синхронность движений обеих конечностей. "Таким образом, это чисто механическое решение, - говорит Грегори Саттон. - Это зубчатая передача, придуманная природой в процессе эволюции миллионы лет назад".

Нимфы и имаго прыгают по-разному

Но природа придумала и другие решения этой же задачи, ученым пока неизвестные. Дело в том, что зубчатое зацепление синхронизирует толчковые ноги только у личинок цикад. Как и все прочие насекомые с неполным превращением, цикады проходят лишь три стадии метаморфоза: яйца, личинки (нимфы) и взрослой особи (имаго). Личинки, внешне сходные со взрослыми цикадами (имагообразные нимфы), в процессе роста несколько раз линяют, и зубчатые отростки на бедрах заново формируются при каждой линьке, так что любое случайное повреждение этого механизма синхронизации ног быстро устраняется. Но последняя линька приводит к утрате зубчиков. У взрослой цикады их нет. Однако насекомое не утрачивает способности прыгать: имаго делает это ничуть не хуже нимф. Вот только какой механизм синхронизирует толчковые ноги взрослых цикад, пока неизвестно. Это ученым еще только предстоит выяснить.