(Лапы личинок свинушек сочленены между собой зубчатым соединением)

Насекомым, у которых огромные прыжки — один из главных способов перемещения, приходится решать серьёзную механическую задачу. Кузнечики, блохи и прочие прыгуны преодолевают в прыжке расстояние, во много раз превышающее длину их тела, а это значит, что их ноги обладают соответствующей силой. И тут чрезвычайно важно, чтобы обе конечности срабатывали абсолютно в унисон. Малейшая рассинхронизация начнёт вращать прыгуна вокруг собственной оси и снесёт в сторону.

Личинка свинушки рода Issus (здесь и ниже фото Malcom Burrows / University of Cambridge)

Одними лишь нервными импульсами тут не обойдёшься, а потому кузнечики и блохи, скажем, полагаются также на особое крепление ног к телу, которое обеспечивает стабилизацию и позволяет прыгать даже с помощью одной ноги. Но кузнечиками и блохами число прыгучих насекомых не исчерпывается, и одно из самых удивительных приспособлений в этой области демонстрируют личинки свинушек, родственников цикад.

Они прыгают со скоростью почти 4 м/с, которую развивают за 2 мс. Malcolm Burrows и Gregory Sutton из Бристольского университета (Великобритания) обнаружили, что для синхронизации работы ног личинки свинушки Issus coleoptratus пользуются... зубчатым сочленением между ногами!

В журнале Science учёные описывают, как устроена эта удивительная зубчатая передача: ноги на конце завершаются утолщениями, которые несут на себе 10–12 зубчиков, каждый размером 15–30 мкм. Зубцы одной ноги входят в пазы между зубцами другой — и получается всем известная передача.

Та самая зубчатая передача, решающая проблему синхронизации работы ног

Движение ног длится всего 30 мс. Работу этого механизма удалось зафиксировать видеокамерой на скорости 5 000 кадров в секунду. По мнению исследователей, такая механическая уловка лучше синхронизирует работу конечностей, чем если бы этим занимались одни только нейроны.

Исследователи засняли и проанализировали, в общей сложности, 206 прыжков, из которых всего лишь один оказался неудачным. Все удачные прыжки насекомые выполнили идеально синхронным отталкиванием от поверхности обеими задними ногами. Неудачным оказался прыжок, при котором эта синхронность работы толчковых ног была нарушена. По словам ученых, уже рассогласования в 0,2 миллисекунды достаточно, чтобы прыжок сорвался. Но такое случается редко. Обычно же погрешность в синхронности отталкивания двумя ногами составляет не более 30 микросекунд, то есть 0,03 миллисекунды.

Таким образом, мы знали, что должен быть какой-то механизм, позволяющий насекомым синхронизировать движение задних ног, - говорит Грегори Саттон. - Но какой? Нервная система обеспечить такую синхронность не может. Нейрону даже на самое быстрое возбуждение требуется почти целая миллисекунда. Это в 300 раз дольше, чем наблюдавшаяся нами средняя погрешность в синхронности. А ведь потом этот нервный импульс еще должен дойти до мышцы, и та должна на него отреагировать. Все это требует времени. Прыжок же происходит гораздо быстрее".

Итак, нервная система не способна обеспечить нужную координацию движений цикад. Британские исследователи продолжили изучение и высокоскоростную съемку насекомых, перевернув их на спину и закрепив в таком положении. Грегори Саттон рассказывает: "Их можно расшевелить мягкой кисточкой, слегка дотрагиваясь до брюшка щетинками. На раздражение цикады отвечают тем, что отталкивают кисточку от себя, при этом задние ноги совершают то же самое движение, что и при прыжке".

Анализируя отснятый материал, ученые обнаружили то, что раньше, при съемке прыжков, оставалось незамеченным. Оказалось, что у этих цикад основания бедер задних ног имеют ряд миниатюрных отростков, напоминающих зубья шестерни. Перед самым толчком насекомое сводит ноги так, что зубья одной ноги входят в зацепление с зубьями другой, что и обеспечивает практически идеальную синхронность движений обеих конечностей. "Таким образом, это чисто механическое решение, - говорит Грегори Саттон. - Это зубчатая передача, придуманная природой в процессе эволюции миллионы лет назад".

К слову сказать, впервые эти зубчики были обнаружены в 1957 году, но тогда энтомологи просто описали их как факт, сам механизм в действии удалось увидеть только сейчас. Подобное устройство есть не только у вида  Issus coleoptratus: исследователи проверили на предмет зубчатой передачи несколько видов свинушек, и у всех нашли зубчики. То есть, возможно, этим видом механической передачи пользуются все виды семейства.

Но вот что любопытно: у взрослых насекомых такого механизма нет, он утрачивается во время последней линьки, которая отделяет личинку-нимфу от имаго. Взрослые свинушки тоже прыгают, но синхронизация у них достигается простым трением между концами ног. Исследователи связывают это с тем, что, сломайся зубчатая передача у взрослого насекомого, её невозможно будет отремонтировать, а у личинки она может восстановиться после очередной линьки.

И последнее. Насекомые не в первый раз демонстрируют в своей анатомии «человеческие» механические приспособления. Тут нельзя не вспомнить о жуках-долгоносиках, у которых ноги, снабжённые полноценной винтовой резьбой, буквально ввинчиваются в тело. Такое крепление, предположительно, допускает бóльшую свободу движений их конечностей.

Источник: сайт "Мир дикой природы"