Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
Р. Найт
«Смотри, что у тебя внутри». Глава из книги


К. Циммер
«Микрокосм». Глава из книги


Н. Резник
Как черепахи нарыли себе панцирь


Интервью с Б. Янишем
Наследники Поппера


А. Гуков
Крупные животные Арктики: сколько их осталось?


А. Огнёв
Откуда жизнь? Еще теплее!


Р. Докинз
«Эгоистичный ген». Глава из книги


А. Бердников
Вдоль по лунной дорожке


В. Бабицкая, С. Горбунов
Как и зачем птицы общаются с охотниками за медом


Е. Чернова
Хаос и порядок: фрактальный мир







Главная / Новости науки версия для печати

В живых организмах обнаружены функционирующие шестеренки


Рис. 1. Issus coleoptratus: нимфа (слева) и взрослое насекомое (справа)

Рис. 1. Issus coleoptratus: нимфа (слева) и взрослое насекомое (справа). Фото из обсуждаемой статьи в Science и с сайта en.wikipedia.org. (На увеличенной картинке нимфа вверху, взрослое насекомое внизу. Фото с сайта www.natur-in-nrw.de)

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

Рис. 2. Зубчатая передача между задними конечностями Issus coleoptratus (Trochanter — вертлуг, Gears — зубчатые колеса); фотография сделана сканирующим электронным микроскопом. Внизу: характеристики зубчатой передачи: ρgear — радиус кривизны, Δθ — 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

Рис. 3. Панцирь черепахи Heosemys spinosa. Изображение с сайта en.wikipedia.org

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

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


Комментарии (4)



Последние новости: ЭнтомологияНаука и техникаЮлия Кондратенко

26.09
Муравьи-листорезы при уходе за потомством используют противогрибковый препарат
19.09
Муравьи помогают тлям сохранять разнообразие окраски
07.07
В бирманском янтаре мелового периода найден вымерший убийца пауков
15.06
Получение генов пектиназ от протеобактерий резко ускорило видообразование палочников
06.06
Промышленный меланизм бабочек получил генетическое объяснение
24.05
Клещи ездили на насекомых уже 320 миллионов лет назад
11.04
Самцы стрекоз, активно ухаживающие за самками, живут меньше
15.03
Регуляторные элементы вирусного происхождения помогают работе нашего иммунитета
05.02
Удаление стареющих клеток продлевает мышам жизнь
25.01
Ящерицы тегу в период размножения становятся теплокровными

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Антон Морковин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Павел Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Дмитрий Сутормин, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Александр Храмов, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия