英首次在昆蟲身上發現功能性機械齒輪結構

   時間:2014-03-11 19:14:43
英首次在昆蟲身上發現功能性機械齒輪結構簡介
      科技日報倫敦9月13日電(記者劉海英)英國科學家在最新一期《科學》雜誌上發表論文稱,他們在歐洲一種常見的昆蟲身上發現了過去認為只有在人造機械中才會出……
英首次在昆蟲身上發現功能性機械齒輪結構正文
  

科技日報倫敦9月13日電(記者劉海英)英國科學家在最新一期《科學》雜誌上發表論文稱,他們在歐洲一種常見的昆蟲身上發現了過去認為只有在人造機械中才會出現的功能性機械齒輪結構。科學家稱,這是首次在自然界生物體上發現此類結構,表明自然界生物進化成果在某些方面要遠超人類預料。

伊蘇斯(Issus)是歐洲常見的一種昆蟲,在大多歐洲國家居民的花園中皆可見這種昆蟲。英國劍橋大學和布里斯託大學的科學家利用高速攝像設備和現代解剖技術這種昆蟲幼體的結構和運動方式進行了研究。他們發現,在這些昆蟲幼體的後腿關節上,有著如自行車或汽車變速箱傳動裝置一樣的齒輪結構,其齒輪帶大約有400微米長,輪齒數量在10個到12個之間,在昆蟲進行跳躍時,兩個齒輪帶會同步旋轉,完美咬合,提供同向推力。

論文作者、劍橋大學的馬爾科姆·巴羅斯教授指出,伊蘇斯的雙腿運動速率高達30微秒,這種精確的同步性不可能通過神經系統來實現。伊蘇斯利用骨骼結構解決了大腦和神經系統無法解決的問題。它將神經信號傳遞給肌肉,產生大致相同的力量,當一條腿開始擺動,齒輪就會咬合聯動,從而產生絕對的同步性。

伊蘇斯的齒輪結構有著人造機械齒輪的特點,比如每個輪齒與齒輪帶的連接點都有一個圓角,這是人工機械齒輪的特徵,可有效減震,防止輪齒斷掉。但它也有與人造機械齒輪不同之處:人造齒輪都是對稱的,以便在旋轉過程中能夠彼此咬合,而伊蘇斯後腿關節的齒輪結構中,每個輪齒是非對稱的,都向一個發力點彎曲,從而為跳躍提供單向動力。

此外,令科學家更感迷惑的是,他們只在伊蘇斯幼體的後腿關節處發現了這種齒輪結構,當幼蟲蛻皮為成蟲后,這齒輪結構就消失不見了。

齒輪結構在動物界中並不鮮見,如刺山龜(也稱為齒輪龜)的甲殼、車輪蟲的背面等都呈齒輪狀,但這些結構的功能要麼模糊難明,要麼隨著進化而逐漸喪失,成為一種裝飾型結構。

「我們常常認為像機械齒輪這樣的結構只是人類機械設計的產物,但事實並非如此,我們沒能在生物體上發現它是因為我們觀察得不夠」,另一位論文作者、布里斯託大學的格里高利·薩頓說。「生物體上的這種齒輪結構不是設計出來的,而是自然進化的結果」。


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