Fungsi gir mekanis yang pertama kali ada di alam

Sebelumnya diyakini ini hanya manusia yang membuatnya, namun contoh alami mekanisme fungsi gigi telah ditemukan pada serangga biasa - yang menunjukkan bahwa evolusi mengembangkan hubungan roda gigi sudah lama sebelum yang kita lakukan.

Issus remaja - serangga tanaman lompat yang ditemukan di kebun-kebun di seluruh Eropa - memiliki sendi belakang - sambungan kaki dengan lajur melengkung seperti gigi-gigi yang berhadap-hadapan yang saling bertautan, berputar seperti roda gigi mekanik yang menyinkronkan kaki hewan itu ketika meluncur untuk melompat.

Temuan ini menunjukkan bahwa mekanisme gigi yang sebelumnya dianggap semata-mata buatan manusia memiliki preseden evolusi. Para ilmuwan mengatakan ini adalah "pengamatan pertama adanya gigi mekanik dalam struktur biologis".

Melalui kombinasi analisis anatomi dan pengambilan video berkecepatan tinggi pada gerakan Issus normal, para ilmuwan dari University of Cambridge telah mampu mengungkapkan fungsi gigi alami ini untuk pertama kalinya. Temuan ini dilaporkan dalam edisi terbaru jurnal Science.

Gigi di belakang kaki Issus memperlihatkan rekayasa kemiripan yang luar biasa dengan yang ditemukan pada setiap sepeda dan gir-box di dalam setiap mobil.

Setiap gigi gir memiliki sudut bulat pada titik yang menghubungkan ke lajur gir, sebuah fitur yang identik dengan gir buatan manusia seperti di gir sepeda - yang pada dasarnya sebagai mekanisme menyerap goncangan yang menghentikan gigi dari bergeser.

Gigi gir pada sisi berlawanan di kaki belakang secara bersamaan juga mengunci seperti yang ada di gir-box mobil, yang memastikan sinkronisitas hampir lengkap pada pergerakan kaki - kaki-kaki ini selalu bergerak dalam kecepatan 30 'mikrodetik' satu sama lain, dengan satu mikrodetik sama dengan sepersejuta detik.

Ini adalah sangat penting untuk membuat lompatan-lompatan kuat karena modus transportasi utama serangga ini, bahkan perbedaan kecil dalam sinkronisasi antara kecepatan kakinya pada titik propulsi akan menghasilkan "rotasi oleng" - menyebabkan Issus berputar tanpa daya di luar kendali.

"Sinkronisasi yang tepat ini akan mustahil dicapai melalui sistem saraf, karena impuls saraf akan memakan waktu terlalu lama untuk keperluan koordinasi yang luar biasa ketat," kata pemimpin penulis Profesor Malcolm Burrows, dari Department of Zoology Cambridge.

"Dengan mengembangkan gir mekanis, Issus hanya perlu mengirim sinyal saraf ke otot untuk menghasilkan kira-kira jumlah gaya yang sama - kemudian jika satu kaki mulai mendorong lompatan, masing-masing gir akan saling mengunci, menciptakan sinkronisasi mutlak.

"Di Issus, tulangnya digunakan memecahkan masalah yang kompleks yang tidak bisa diselesaikan otak dan sistem saraf," kata Burrows. "Ini menekankan pentingnya mempertimbangkan bentuk dari tulang pada bagaimana gerakannya dihasilkan." 

"Kita biasanya berpikir gir adalah sesuatu yang kita lihat sebagai bagian mesin yang dirancang manusia, tapi kami telah menemukan bahwa itu karena kita tidak mencarinya cukup keras," tambah penulis Gregory Sutton, yang sekarang di University of Bristol.

"Gir ini tidak dirancang, mereka berkembang - mewakili pengembangan mesin berkecepatan tinggi dan presisi yang disinkronisasi dalam dunia hewan."

Menariknya, gir mekanistik ini hanya ditemukan dalam serangga remaja - atau tahap 'nymph' -, dan hilang dalam transisi akhir saat dewasa. Transisi ini, yang disebut 'molts', adalah ketika hewan membuang kulit kakunya pada tempat-tempat penting dalam perkembangan pertumbuhan mereka.

Issus "nymph" (sumber phys.org)

Belum diketahui mengapa Issus kehilangan gir di kaki belakang saat mencapai usia dewasa. Para ilmuwan menunjukkan bahwa masalah dengan sistem gir adalah bahwa jika satu gigi pada gir rusak, efektivitas seluruh mekanisme menjadi rusak. Sementara dengan gigi gir yang rusak saat menjadi di nimfa bisa diperbaiki saat berganti kulit berikutnya, kerusakan yang terjadi di masa dewasa tetap permanen.

Ini juga mungkin karena ukuran yang semakin lebih besar saat dewasa dan berakibat pada 'trochantera' mereka - atau sama dengan tulang paha. Semakin besar trochantera dewasa kemungkinannya cukup bagi mereka untuk menciptakan gaya gesekan yang menyertakan lompatan besar dari daun ke daun tanpa perlu koneksi antar gigi gir untuk menggerakkanya, kata para ilmuwan.

Setiap lajur gigi pada Issus remaja panjangnya sekitar 400 mikrometer dan memiliki antara 10 sampai 12 gigi, dengan kedua sisi gir di setiap kaki berisikan jumlah yang sama - memberikan rasio gir 1:1.

Tidak seperti gir buatan manusia, setiap gigi gir Issus ini asimetris dan melengkung mengarah ke titik yang roda giginya saling mengunci - sementara gir buatan manusia membutuhkan bentuk simetris untuk bekerja di kedua arah rotasi, dan gir Issus hanya memperkuat satu arah untuk mendorong binatang itu ke depan.

Meskipun ada contoh ternyata roda gigi hiasan dalam kerajaan hewan - seperti pada cangkang kura-kura roda gigi (cog wheel turtle) atau bagian belakang serangga roda (wheel bug) - gir dengan peran fungsional yang baik tetap sulit dipahami atau telah dimatikan oleh evolusi.

Issus adalah contoh pertama dari mekanisme gir yang ada di alam dengan fungsi yang dapat diamati, kata para ilmuwan.

sumber