چرخ‌دنده‌های طبیعت

حشره‌ای معمولی که می‌توان خیلی از وقت‌ها آن را در حال جهش روی گیاهان دید و در تمام باغ‌های دنیا هم یافت می‌شود و ژوینل نامیده می‌شود، دانشمندان را شگفت‌زده کرده است. این حشره دارای مفصل‌های مجهز به نوارهای دندانه‌داری در پاهای عقبی خود است که مانند چرخ‌دنده‌های مکانیکی با یکدیگر درگیر شده و با چرخیدن دندانه‌ها، باعث همزمانی حرکت پاهای جانور هنگام آغاز پرش می‌شود.

کد خبر: ۶۰۸۴۶۷

این یافته‌ها نشان می‌دهد مکانیسم چرخ‌دنده که قبلا تصور می‌شد منحصرا ساخته دست انسان است یک سابقه تکاملی در جانوران دارد. این اولین بار است که چرخ‌دنده‌های مکانیکی در یک ساختار بیولوژیکی مشاهده می‌شود. دانشمندان دانشگاه کمبریج به کمک ضبط تصاویر ویدئویی سرعت بالا و تجزیه تحلیل آناتومی بدن این حشره توانستند برای اولین بار عملکرد این چرخ‌دنده‌های طبیعی را آشکار کنند.

چرخ‌دنده‌های موجود در پای عقب این حشره به لحاظ مهندسی شباهت قابل توجهی به چرخ‌دنده‌های موجود در دوچرخه یا جعبه دنده اتومبیل دارد. هر یک از دندانه‌ها در نقطه اتصال دارای گوشه‌های گردی است که مشابه چرخ‌دنده‌های ساخت بشر برای جلوگیری از بریدن چرخ‌دنده به این شکل طراحی شده و مانند جعبه‌دنده ماشین، دندانه‌ها در چرخ مقابل با دندانه‌های مخالف خود کاملا درگیر شده و همزمانی حرکت پاها هنگام پرش را تقریبا به طور کامل تضمین می‌کنند. پاها معمولا در فاصله کمتر از 30 میکرو ثانیه از هم حرکت می‌کنند (هر میکروثانیه معادل یک میلیونیم ثانیه است). این موضوع برای انجام پرشی قدرتمند و نقطه شروع اولیه حرکت این حشره بسیار حیاتی است. چرا که اختلاف حتی جزئی در هماهنگی بین حرکت و سرعت پاها می‌تواند به انحراف چرخشی منجر شده و در نتیجه حشره دچار چرخش کنترل نشده شود. چرخشی که می‌تواند او را در رسیدن به غذا یا فرار از دست یک پرنده شکارچی با مشکل مواجه کند.

پروفسور مالکوم باروفس از بخش جانورشناسی دانشگاه کمبریج می‌گوید: رسیدن به چنین هماهنگی دقیقی از طریق سیستم عصبی، تقریبا غیر ممکن است و تکانه‌های عصبی برای ایجاد چنین هماهنگی دقیقی بیش از حد طولانی می‌شود. با وجود چرخ‌دنده‌های مکانیکی، حشره فقط با ارسال یک سیگنال عصبی به عضلات برای تولید مقدار تقریبی نیروی لازم جهت پرش به مقصود می‌رسد. سپس اگر یک پا شروع به پرش کند چرخ‌دنده‌های پای مقابل درگیر شده و باعث ایجاد همزمانی مطلق در هنگام پرش می‌شود.

اسکلت این حشره برای حل مشکل پیچیده‌ای که مغز و سیستم عصبی از انجام آن ناتوان هستند نقش مهمی ایفا می‌کند. این موضوع بر اهمیت نگرش به خواص اسکلت حشره در چگونگی ایجاد حرکت تاکید می‌کند.

گریگوری ساتون از دانشگاه بریستول می‌گوید: تفکر ما در مورد چرخ‌دنده‌ها معمولا ‌ آن چیزی است که در ماشین‌آلات طراحی شده توسط انسان شاهد ‌ هستیم، اما اکنون دریافته‌ایم این نگرش ناشی از عدم بینش دقیق ما نسبت به طبیعت اطرافمان است. این چرخ‌دنده‌ها طراحی نشده‌اند، بلکه تکامل یافته‌اند و نشانگر ماشین‌آلات دقیق و سریعی هستند که برای ایجاد هماهنگی در دنیای جانوران وجود دارد.

مشکلی که هر سیستم چرخ‌دنده‌ای با آن روبه‌روست این است که در صورت شکسته‌شدن یکی از دندانه‌ها اثربخشی کل مکانیسم آسیب می‌بیند. در مورد این حشره هرگونه آسیبی قبل از بلوغ قابل ترمیم است، اما پس از رسیدن به بلوغ، آسیب‌های احتمالی در بزرگسالی حشره به صورت دائمی باقی می‌مانند. به همین دلیل چرخ دنده های این حشره در زمان بلوغ ناپدید می شود . طول هر نوار چرخ‌دنده در حشره نوجوان حدود 400میکرومتر است و هر نوار بین 10 تا 12 دندانه دارد. برخلاف چرخ‌دندانه‌های ساخت بشر که برای کار‌کردن در دو جهت دارای شکل متقارنی هستند، چرخ‌دنده‌های پای این حشره دارای شکل نامتقارنی هستند چون تنها در یک جهت و هنگام پرش حشره به جلو به کار می‌افتند.