Science：昆虫依靠自然进化形成人造机械中功能性机械齿轮结构

英国科学家首次在自然界生物体 伊苏斯(Issus)上发现昆虫幼体的后腿关节上，有着如自行车或汽车变速箱传动装置一样的齿轮结构，过去认为只有在人造机械中才会出现的功能性机械齿轮结构。这表明自然界生物进化成果在某些方面要远超人类预料。这项研究结果近日发表于《science》上。

此外，令科学家更感迷惑的是，他们只在伊苏斯幼体的后腿关节处发现了这种齿轮结构，当幼虫蜕皮为成虫后，这齿轮结构就消失不见了。伊苏斯的齿轮结构有着人造机械齿轮的特点，比如每个轮齿与齿轮带的连接点都有一个圆角，这是人工机械齿轮的特征，可有效减震，防止轮齿断掉。但它也有与人造机械齿轮不同之处：人造齿轮都是对称的，以便在旋转过程中能够彼此咬合，而伊苏斯后腿关节的齿轮结构中，每个轮齿是非对称的，都向一个发力点弯曲，从而为跳跃提供单向动力。论文作者、剑桥大学的马尔科姆·巴罗斯教授指出，伊苏斯的双腿运动速率高达30微秒，这种精确的同步性不可能通过神经系统来实现。伊苏斯利用骨骼结构解决了大脑和神经系统无法解决的问题。它将神经信号传递给肌肉，产生大致相同的力量，当一条腿开始摆动，齿轮就会咬合联动，从而产生绝对的同步性。伊苏斯(Issus)是欧洲常见的一种昆虫，在大多欧洲国家居民的花园中皆可见这种昆虫。英国剑桥大学和布里斯托大学的科学家利用高速摄像设备和现代解剖技术这种昆虫幼体的结构和运动方式进行了研究。他们发现，在这些昆虫幼体的后腿关节上，有着如自行车或汽车变速箱传动装置一样的齿轮结构，其齿轮带大约有400微米长，轮齿数量在10个到12个之间，在昆虫进行跳跃时，两个齿轮带会同步旋转，完美咬合，提供同向推力。

齿轮结构在动物界中并不鲜见，如刺山龟(也称为齿轮龟)的甲壳、车轮虫的背面等都呈齿轮状，但这些结构的功能要么模糊难明，要么随着进化而逐渐丧失，成为一种装饰型结构。

“我们常常认为像机械齿轮这样的结构只是人类机械设计的产物，但事实并非如此，我们没能在生物体上发现它是因为我们观察得不够”，另一位论文作者、布里斯托大学的格里高利·萨顿说。“生物体上的这种齿轮结构不是设计出来的，而是自然进化的结果”。

原文链接：Interacting Gears Synchronize Propulsive Leg Movements in a Jumping Insect.Malcolm Burrows†, Gregory Sutton*.science 1September 2013: Vol. 341 no. 6151 pp. 1254-1256 .DOI: 10.1126/science.1240284