生物體上發現機械齒輪是怎麼回事？

最近英國科學家在一種昆蟲身上發現首例生物齒輪，這種昆蟲只有半個火蟻大小。

這種小型跳躍昆蟲將兩隻後腿鎖定在準備跳躍的位置，繃緊身體，就像弓箭手拉開一張弓。在它們兩隻後腿的頂部，有一對小齒輪嚙合——這對奇怪的、魚翅狀的齒輪整齊地互相咬合，就像拉鏈一般。然後，在比我們眨眼、思考或是裸眼可視時間還短的瞬間，整個昆蟲就消失在我們的視野中。

在2毫秒的時間內，它像子彈一般發射出去，加速度接近400米每平方秒，是人類所能承受加速度的20多倍。它的最高瞬時速度突破每小時12.8公里，考慮到它不到2.5毫米的個頭，這個速度相當可觀。

這個微縮版奇蹟是一種發育期的蠟蟬（Issus nymph）。根據英國研究人員9月12日在《科學》期刊的報道，它是首個被發現具有運動功能齒輪的生物體。研究人員認為，這種主要生活在歐洲攀爬常青藤上的蠟蟬之所以進化出了特技般的能力，是因為它們需要逃離危險的處境。

無論是袋鼠還是NBA球員，大型動物都是依靠神經系統來推動跳躍，使用穩定的調節和反饋迴路來保持雙腿同步。而蠟蟬雙腿的速度比神經系統的反應速度更快。它從腿部發出一個信號，再從頭部返回，大約需要5到6毫秒，這時跳躍的動作早已完成。與大型動物不同的是，它們通過一對生物齒輪在跳躍之前嚙合，把雙腿鎖定在一起，這樣運動時的同步精度達到了1/300000秒。

這對齒輪本身是一個奇怪的事物，齒形像是波浪的波峰，完全不像我們在汽車或者手錶中看到的那種。（我們最熟悉的齒輪叫做漸開線齒輪，由瑞士數學家歐拉在18世紀設計的。）儘管這種齒形在數學意義上很奇怪，但是齒輪的設計方法有無限多種。形成這種齒形可能有兩個原因：要麼是大自然隨機進化的結果；要麼是特別有利於跳躍。

關於這個發現的另一件奇怪的事情是：雖然類似蠟蟬這樣的跳躍昆蟲有很多，有些跳得更快、更好，但只有蠟蟬具有的天然齒輪。其他昆蟲中大多數都是通過摩擦來同步快速跳躍的雙腿，通過有突起或疙瘩的表面把雙腿頂端擠壓在一起。

更加奇怪的是，蠟蟬並不是整個生命周期都具備這對齒輪。幼年蠟蟬生長過程中會進行多次蛻皮，更新它的外骨骼（包括這對齒輪），不斷變大。但是，在它最終蛻皮成成蟲之後——突然之間，這對齒輪就消失了。它的成蟲像其他植間跳躍昆蟲一樣，通過摩擦來同步雙腿。

對於這種現象，研究人員提出一個假設：如果成蟲的齒輪中有一個齒髮生了滑脫斷裂（研究人員在發育期的蠟蟬中觀察到了這種現象），它的跳躍能力將會受到永久的損傷。成蟲不能再進行蛻皮，沒有機會生長出更多的輪齒。伴隨每一次的跳躍，整個咬合系統可能發生滑脫，從而加速對剩餘輪齒的損害。這就好比汽車的齒輪箱缺失了一個輪齒，那麼每一次轉到那個缺齒的位置，齒輪箱都會發生顛簸。

（答案整理自科學公園）

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