Ein natürliches Beispiel für einen funktionierenden Getriebemechanismus, von dem man bisher glaubte, dass es nur vom Menschen gemacht ist, wurde in einem gewöhnlichen Insekt entdeckt – was zeigt, dass die Evolution ineinander greifende Zahnräder lange vor uns entwickelt hat.
Der juvenile Issus – ein pflanzenhüpfendes Insekt, das in Gärten in ganz Europa zu finden ist – hat Hinterbein-Gelenke mit gebogenen, zahnradähnlichen Streifen aus gegenüberliegenden “Zähnen”, die ineinander greifen und sich wie mechanische Zahnräder drehen, um die Beine des Tieres zu synchronisieren, wenn es zum Sprung ansetzt.
Die Entdeckung zeigt, dass Getriebemechanismen, von denen man bisher annahm, dass sie nur von Menschen gemacht sind, einen evolutionären Präzedenzfall haben. Die Wissenschaftler sagen, dies sei die “erste Beobachtung eines mechanischen Getriebes in einer biologischen Struktur”.
Durch eine Kombination aus anatomischer Analyse und Hochgeschwindigkeits-Videoaufnahmen normaler Issus-Bewegungen konnten Wissenschaftler der University of Cambridge diese funktionierenden natürlichen Zahnräder zum ersten Mal aufdecken. Die Ergebnisse werden in der neuesten Ausgabe der Zeitschrift Science veröffentlicht.
Die Zahnräder im Hinterbein von Issus haben eine bemerkenswerte technische Ähnlichkeit mit denen, die man an jedem Fahrrad und in jedem Autogetriebe findet. Jeder Zahn hat eine abgerundete Ecke an dem Punkt, an dem er mit der Zahnleiste verbunden ist; ein Merkmal, das auch bei künstlich hergestellten Zahnrädern, wie z. B. Fahrradschaltungen, zu finden ist – im Wesentlichen ein stoßdämpfender Mechanismus, um zu verhindern, dass die Zähne abreißen.
Die Zahnräder an den gegenüberliegenden Hinterbeinen rasten wie bei einem Autogetriebe ineinander ein und sorgen so für eine fast vollständig synchrone Bewegung der Beine – die Beine bewegen sich immer innerhalb von 30 “Mikrosekunden”, wobei eine Mikrosekunde einer Millionstel Sekunde entspricht.
Dies ist entscheidend für die kraftvollen Sprünge, die die primäre Fortbewegungsart dieses Insekts sind, da selbst winzige Diskrepanzen in der Synchronisation zwischen den Geschwindigkeiten seiner Beine am Ort des Vortriebs zu einer “Gierrotation” führen würden – wodurch der Issus hoffnungslos außer Kontrolle geraten würde.
“Diese präzise Synchronisation wäre durch ein Nervensystem unmöglich zu erreichen, da neuronale Impulse viel zu lange für die außerordentlich enge Koordination benötigen würden”, sagt der Hauptautor Professor Malcolm Burrows vom Cambridge Department of Zoology.
“Durch die Entwicklung mechanischer Zahnräder kann der Issus einfach Nervensignale an seine Muskeln senden, um ungefähr die gleiche Menge an Kraft zu erzeugen – wenn dann ein Bein anfängt, den Sprung voranzutreiben, greifen die Zahnräder ineinander, wodurch absolute Synchronität entsteht.
“In Issus wird das Skelett benutzt, um ein komplexes Problem zu lösen, das das Gehirn und das Nervensystem nicht lösen können”, sagt Burrows. “Das unterstreicht, wie wichtig es ist, die Eigenschaften des Skeletts zu berücksichtigen, wenn es um die Erzeugung von Bewegung geht.”
“Normalerweise denken wir bei Zahnrädern an etwas, das wir in von Menschen entworfenen Maschinen sehen, aber wir haben herausgefunden, dass das nur so ist, weil wir nicht genau genug hingesehen haben”, fügte Co-Autor Gregory Sutton hinzu, der jetzt an der Universität von Bristol arbeitet.
“Diese Zahnräder sind nicht konstruiert; sie sind evolviert – sie repräsentieren Hochgeschwindigkeits- und Präzisionsmaschinen, die sich zur Synchronisation in der Tierwelt entwickelt haben.”
Interessanterweise finden sich die mechanistischen Zahnräder nur im Jugend- oder Nymphenstadium des Insekts und gehen beim endgültigen Übergang zum Erwachsenenalter verloren. Bei diesen Übergängen, den sogenannten “Häutungen”, werfen die Tiere an Schlüsselpunkten ihrer Entwicklung die starre Haut ab, um zu wachsen.
Es ist noch nicht bekannt, warum der Issus bei Erreichen des Erwachsenenalters seine Hinterbein-Getriebe verliert. Die Wissenschaftler weisen darauf hin, dass ein Problem bei jedem Getriebesystem darin besteht, dass wenn ein Zahn des Getriebes bricht, die Wirksamkeit des gesamten Mechanismus beschädigt wird. Während der Zahnbruch bei den Nymphen bei der nächsten Häutung repariert werden kann, bleibt der Schaden im Erwachsenenalter dauerhaft.
Möglicherweise liegt es auch an der größeren Größe der erwachsenen Tiere und damit an ihren “Trochantera” – dem Insektenäquivalent zu den Oberschenkelknochen. Die größeren Trochantera der erwachsenen Tiere könnten es ihnen ermöglichen, genügend Reibung zu erzeugen, um die enormen Sprünge von Blatt zu Blatt anzutreiben, ohne dass dafür ineinander greifende Zahnradzähne erforderlich sind, so die Wissenschaftler.
Jeder Zahnradstreifen im juvenilen Issus war etwa 400 Mikrometer lang und hatte zwischen 10 und 12 Zähne, wobei beide Seiten des Zahnrads in jedem Bein die gleiche Anzahl enthielten – was ein Übersetzungsverhältnis von 1:1 ergab.
Im Gegensatz zu den von Menschen hergestellten Zahnrädern ist jeder Zahn asymmetrisch und in Richtung des Punktes gebogen, an dem die Zahnräder ineinander greifen – da die von Menschen hergestellten Zahnräder eine symmetrische Form benötigen, um in beide Drehrichtungen zu funktionieren, während die Zahnräder des Issus nur in eine Richtung angetrieben werden, um das Tier vorwärts zu bringen.
Während es im Tierreich Beispiele für scheinbar ornamentale Zahnräder gibt – wie auf dem Panzer der Zahnradschildkröte oder dem Rücken der Radwanze – bleiben Zahnräder mit einer funktionalen Aufgabe entweder schwer fassbar oder wurden von der Evolution außer Kraft gesetzt.
Der Issus ist daher das erste Beispiel für einen natürlichen Zahnradmechanismus mit einer beobachtbaren Funktion, sagen die Wissenschaftler.
