Инженерные находки, реализованные в дикой природе

Известное утверждение о том, что природа не смогла изобрести колесо, было опровергнуто бактериями: их жгутики приводятся в движение надмолекулярным мотором, представляющим собой не что иное, как систему колец. Теперь число человеческих инженерных находок, реализованных в дикой природе, пополнилось за счёт жуков-долгоносиков. Согласно результатам исследователей из Технологического института в Карлсруэ (ФРГ), эти насекомые сумели «изобрести» резьбовое соединение.

Изучая строение тела долгоносика Trigonopterus oblongus, обитающего на островах Папуа — Новой Гвинеи, Александр Ридель обнаружил, что ноги этих жуков в буквальном смысле ввинчиваются в тело. Бедренный сегмент у них снабжён особой «насадкой» — вертлугом, который ввинчивается в тазик (грубо говоря, аналог тазобедренного сустава). На вертлуге исследователи нашли выступы, очень похожие на винт, а в тазике эти выступам соответствовала выемка-резьба. Передние ноги жуков могли вращаться на 90 градусов, средние и задние — на 130.

Как пишут исследователи в журнале Science, они изучили ещё 15 видов долгоносиков из разных групп, и у всех обнаружили похожий механизм соединения конечностей с телом. Учёные полагают, что такое строение сустава даёт преимущество при древесном образе жизни, когда большая степень свободы у конечности облегчает поиск точки опоры.

Так же интерес представляют цикадовые насекомые из отряда полужесткокрылых Issus coleoptratus, которые не умеют летать, зато прекрасно прыгают. Для синхронизации движений задних конечностей нимфы этих насекомых используют зубчатую передачу, 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.

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.