Dosud jediný ozubený převod nalezený v přírodě

Malý skákavý hmyz Issus coleoptratus používá ozubené převody na svých kloubech pro přesné vymrštění svých zadních nohou ke skoku vpřed.

Z http://www.smithsonianmag.com/science-nature/this-insect-has-the-only-me... přeložil, zvýrazněním a závěrečným komentářem opatřil Václav Dostál, editace Pavel Kábrt - pavelkabrt@seznam.cz – 1/2016.

Joseph Stromberg

S naší nejlepší rozumovou schopností byl vynalezen mechanický ozubený převod - s rovnoměrnou velikostí zubů zasazených do dvou otočných povrchů, aby do sebe zapadaly při otáčení – někdy kolem r. 300 před Kristem řeckými mechaniky, kteří žili v Alexandrii. V následujících staletích se toto jednoduché pojetí stalo základním principem moderní technologie, umožňující všechny druhy strojů a dopravních prostředků, včetně aut a jízdních kol.
Jak se ale teď ukazuje, tři milimetry dlouhý hmyz, známý jako Issus coleoptratus, nás v tomto objevu dávno porazil. Malcolm Burrows a Gregory Sutton, dvojice biologů z univerzity v Cambridge v Anglii, objevili, že nedospělci tohoto druhu mají sofistikovaný převodový ozubený mechanizmus, který uzamyká jejich zadní nohy do sebe a tím umožňuje oběma částem synchronní rotaci v jediný okamžik, což vyústí u těchto maličkých tvorů ve skok kupředu.

Objev, který byl nyní [září 2013] publikován v časopisu Science, je považován za vůbec první objevený funkční převodový ozubený systém v přírodě. Hmyz z rodu Issus, který je obvykle nazýván termínem "rostlinní skokani", se vyskytuje všude v Evropě a Severní Africe. Burrows a Sutton použili elektronové mikroskopy a vysokorychlostní videozáznam, čímž odhalili existenci ozubeného převodu a zobrazili jeho přesnou funkci.

Říkají, že důvodem pro ozubený převod je koordinace: Aby došlo ke skoku, obě zadní nohy hmyzu se musí vymrštit v naprosto stejném čase. Protože se obě nohy pohybují stranově, pokud by se jedna natáhla jen o zlomek sekundy dříve než druhá, vymrštilo by to hmyz bočně, doleva či doprava, namísto dopředného skoku.

Ozubení je elegantním řešením. Vysokorychlostní videa badatelů ukázala, že tvorové, kteří skáčou rychlostí až 14 km/h, nakloní své zadní nohy do výskoku, potom je napřímí, čímž dojde ke stlačení a výskoku během 30 mikrosekund, čili ve třiceti miliontinách sekundy.


Převzato z: http://public.media.smithsonianmag.com/legacy_blog/gear-jumping.gif

Jemně ozubené převody na nohách tohoto hmyzu umožňují takovýto pohyb. „K řešení složitého problému, který mozeček a nervový systém hmyzu Issus řešit nemůže, je použita jeho kostra“, řekl Burrows v prohlášení pro tisk.

Ozubené převody jsou na vrcholu hmyzích zadních nohou (na segmentech zvaných trochanter /chocholík/) a obsahují 10 až 12 kuželovitých zubů o šířce asi 80 mikrometrů. U všech studovaných skokanů hmyzu Issus byl nalezen tentýž počet zubů na každé zadní noze s elegantně zaklesnutým ozubením. Zuby mají dokonce u paty zaoblení, což je design uplatňovaný u lidmi vyráběných mechanických ozubení, protože to omezuje opotřebení během času.

K potvrzení, že ozubené převody skutečně plní svou funkci, provedli badatelé parádní (i když trochu morbidní) trik s některými mrtvými těly hmyzu Issus. Ručně nastavili jejich zadní nohy do výskočné polohy a pak elektricky stimulovali hlavní výskokový sval na jedné noze, takže noha se natáhla. Druhá, elektricky nestimulovaná noha, ale mechanicky rotačně propojená pomocí ozubení, se také napnula a mrtvý hmyz skočil dopředu.

Největší záhadou je fakt, že dospělci téhož druhu hmyzu pak už nemají žádné ozubené převody - jak mladší jedinci dorůstají a jejich kůže líná, neregenerují už žádné převodové zuby a jejich dospělé nohy jsou synchronizovány jiným mechanismem (řadou protažených výčnělků na obou zadních nohách, které tlačí druhou nohu do pohybu).

Burrows a Sutton mají hypotézu, že to může být vysvětleno křehkostí ozubeného převodu: jestliže se zlomí jeden zub, tak to omezuje efektivitu designu. Pro mláďata, která opakovaně línají a vytvářejí se jim nová ozubení než dospějí, to není až tak velký problém, ale pro dospělé Issusy by nahrazení zubů bylo nemožné – proto zde existuje alternativní uspořádání.

Existují struktury podobné ozubeným převodům, které byly objeveny už dříve u jiných zvířat (jako je ostnitá želva nebo Arilus cristatus), ale ty jsou pouze ozdobné. Výše uvedený mechanismus se jeví jako první přírodní design, který mechanicky funguje jako naše ozubené převodové systémy.

„Na ozubená kola obvykle myslíme jako na lidmi navržené strojní zařízení, ale my jsme shledali, že je to jen proto, že jsme se nedívali dostatečně pilně,“ řekl Sutton. „Nalezené ozubení není navrženo, vyvinulo se – představuje vysokorychlostní a přesné mechanické zařízení, vyvinuté pro synchronizaci v živočišném světě.“

Poznámka o autorovi článku:
Josef Stromberg je reportérem ze světa vědy pro webový portál Vox.com. Původně pracoval v oblasti mediální žurnalistiky pro Smithsonian.

Komentář Václava Dostála:

Je zřejmé, že autor není technik (strojař) a že o umělých ozubených kolech mnoho neví. Jinak by nepopisoval zuby tak nešikovně: Nejprve tvrzením, že profil zubů je kužel a poté, že má zaoblení u paty zubu, přičemž si nevšímá zaoblení u hlavy zubu. Dále neví, že profil zubu musí mít u kola či segmentu na svých bocích křivku, jinak by spolu zuby nemohly zabírat a hned při prvním „záběru“ by se vylomily. Boční křivky na zubech tedy neomezují opotřebení, ale vůbec umožňují vzájemný záběr zubů.

Podle použitých „vědeckých“ termínů v jeho článku můžeme poznat, že autor nerozumí ani ozubení ani možná biologii. Já biologii nerozumím, takže nemohu hodnotit jeho „výklad“ či „reportáž“ po této stránce. Vystudoval jsem však Střední průmyslovou školu strojnickou a ozubení, ozubeným kolům či soukolím tudíž rozumím. Jinak bych tam propadl! A na předmět Mechanika, v jejímž rámci jsme ozubení probírali, jsme měli velmi přísného inženýra!

V článku je ovšem několik odkazů, zejména na původní článek objevitelů. Postrádal jsem odkaz na jiný článek, který by popisoval „výčnělky“ u dospělého Issuse. V článku je pouze podiv, že mechanismy dospívajícího a dospělce jsou rozdílné. O termínu „výčnělky“ bych rád věděl, co tím autor článku míní.

Ačkoli autor píše o „přírodním návrhu“, vzápětí uvádí, že o žádný návrh nejde. To je rozpor. Tak existuje ozubený mechanismus nebo mechanismus „s výčnělky“ u daného tvorečka díky návrhu přírody nebo díky vývoji = evoluci? Co však je „přírodní“ (nebo „přirozený“ či „naturální“) návrh (design)? Někdo by mohl tvrdit, že jde o návrh samovolné evoluce. Má ovšem toto tvrzení smysl? Znamená tvrzení „dané zařízení se vyvinulo“, že se vyvíjelo bez nějakého návrhu? Pak ovšem neexistuje „přírodní“ návrh! Jak to tedy vlastně je?

„Evoluční návrh = návrh evoluce“ vzniku ozubeného mechanismu u Issusů může sice být simulován pomocí počítače, ale to je návrh nějakého zdatného programátora, který navíc rozumí biologii. Vypovídá to ve prospěch inteligentního návrhu a ne proti němu!

Konstrukční zásady, platné pro vyráběné ozubení (ozubená kola, ozubené segmenty) jsou platné i pro ozubení u daného hmyzu. Tyto zásady jsou „přírodními zákony“, jimiž se musí řídit každé ozubení. Vyráběné ozubené segmenty a segmenty u hmyzu Issus nejen lze srovnávat, ale je to dokonce nutné! Tedy po stránce konstrukční (tj. z hlediska přírodních zákonů).
2. 1. 2016

PřílohaVelikost
00829-3.12.2015-dosud_jediny_ozubeny_prevod_nalezeny_v_prirode.doc345 KB
Průměr: 2.3 (3 votes)
Štítky:

Koroslav

Pavle, nevím, jestli vám to došlo, ale komentář DVD byla ironie se špetkou sarkasmu.

Samozřejmě, že mi to došlo (abych řekl pravdu, nevím, jaký je rozdíl mezi ironií a sarkasmem, ale to je vedlejší), na rozdíl od Vás, kterému asi nedošlo, že i moje odpověď byla ironie. Jen pořád čekám, kdy nějaký profesionální evoluční biolog už konečně nám zde uvede fakta z přírody pro evoluční vznik ozubení u skokanů - žebrám, prosím, škemrám, kňourám a těším se na fakta, fakta a fakta z přírody či genetiky, ale zatím marně. Zatím se tu utkali dva strojaři, ale žádný biolog se k věci nemá. Proč asi? Že by evotlučhubům chyběla fakta? Ale vždyť oni fakta přece celkem nikdy žádná nepotřebují, jim stačí počítač, klávesnice, fantazie a dostatečně prořízlá huba, ne? Že by už i ta evolucionistická fantazmagorie jim docházela?

Hned se jdu podívat na obecnou diskuzi, jestli už jste mi odpověděl na moje dvě otázky. PK

Re: DVD

Pavle, nevím, jestli vám to došlo, ale komentář DVD byla ironie se špetkou sarkasmu.

Odkazovaný článek nemám sílu komentovat, protože by se k tomu připletl Foton a nemám sílu někomu po sté vysvětlovat elementární záležitosti evolučních algoritmů. Bohužel něčí schopnost vytrvale odmítat pravdu a popírat realitu je mnohem větší než moje trpělivost. V tomto má můj obdiv neználek, který s tímto individuem dokáže vést slušnou diskuzi.

Nejhorší den pro vědu bude, až se nebude na co ptát.

DVD

Koroslavovi jste odpověděl perfektně, jsem nadšen. Je to též v tomto článku. To, co píše KLM, s tím velmi úzce souvisí (tou vyšší mocí může být např. zedník s projektem v ruce nad hromadou cihel nebo soustružník u frézy). PK

(velmi doporučuji k přečtení výše avizovaný článek)

Obrázek uživatele KLM

DVD

Kreační algoritmus zjevně iterace nepoužívá

Kreace není postupný vývoj ale hotovy sled událostí, vedený vyšší mocí.

KLM

Re: koroslav

Vy jste to nepochopil. Ty algoritmy fungují, protože je fyzika natolik robustní, že i když to počítáme špatně, tak je výsledek dobře. A musíte uznat, že to iterování kolikrát trvá dny i týdny. Kreační algoritmus zjevně iterace nepoužívá (tedy možná se jednou restartuje) a počítá to rovnou optimálně... Já bych to bral. Škoda, že o něm víc nevíme.

PK

Ani já se o ničem jiném nebavil - pouze o tom, jaké "teď a tady" používáte předsudky pro tvoření algoritmů a že tím výsledky neobohatíte.

Tahle logika má jednu drobnou vadu. Ty algoritmy fungují. A protože tvorba algoritmů a je spíš matematická než programátorská záležitost, tak je řečeno i proč a jak fungují.
Takže pokud říkáte, že tím výsledky neobohatíme, tak to není pravda.
viz např.

Nejhorší den pro vědu bude, až se nebude na co ptát.

DVD

Zatím sem "historickou vědu" zanášíte pouze vy. Já se bavím jen o optimalizaci (ozubení) - teď a tady.

Ani já se o ničem jiném nebavil - pouze o tom, jaké "teď a tady" používáte předsudky pro tvoření algoritmů a že tím výsledky neobohatíte. Ale víc už k tomu nejsem schopen vypotit, vyjádřil jsem se dost jasně a moc dlouze, za což se omlouvám. Děkuji. PK

Re: PK

...pochopit rozdíl mezi historickou vědou a experimentální vědou.
...co vidíme, nemusíme věřit, ať už jde o předmět nebo o proces!

Zatím sem "historickou vědu" zanášíte pouze vy. Já se bavím jen o optimalizaci (ozubení) - teď a tady. Je to experimentální nebo historická věda? Vidíte, že ten algoritmus na kružnicích funguje? (Opět opakuji, že se bavím o tom, že funguje teď a tady pro kružnice a ozubení, ne pro koně či osla, ne pro určení původu klávesnic - to sem neustále vnášíte vy.)

Vy dokonce i uznáváte, že evoluční algoritmus funguje. Ale konstatujete, že bych mohl být produktivnější, kdybych zahodil "evoluční víru" a používal kreacionistický přístup, ale nejste mi schopen říct, co to je. Taková debata je v technické praxi bezcenná. Já vám říkám, že neumím používat ve své práci víru, jen evoluční algoritmy (ale rád je nahradím čímkoliv, co bude fungovat lépe).

Dobrým genetikem může být i člověk, který se vůbec o původ genů (zda se první geny vyvinuly či byly stvořeny) nezajímá, a dobrým zoologem může být i člověk, kterému je naprosto ukradené, jak vznikl první kůň či tele (zda evolucí či stvořením).

Na to jsem vám už jednou řekl, že souhlasím. Co chcete víc? Takže ještě jednou: souhlasím. Ovšem s tím, že se špatným modelem dosáhnete dobrých výsledků nesouhlasím.

Že se umělá ropa/uhlí dá vyrobit, je zřejmé. Že k tomu bylo použito kreacionistického modelu, zřejmé není; zejména proto, protože zatím nikdo ten model neukázal. Pro představu - matematický model je soubor dat, vzorců, matic čísel... Nikoliv soubor vět, článků a obrázků. Dá se testovat, má schopnost predikce.

DVD

Ne, vy jste se ptal "jak evoluční báchorka optimalizuje ozubení?" a já měl dvě možnosti - buď nijak, protože nevím, co to je, nebo si to přeložit "jak evoluční teorie optimalizuje..." A na to jsem vám odpověděl.

A já jsem Vám odpověděl, že si to jen namlouváte. Že výsledků dosahujete navzdory své víře v platnost evoluční teorie. Proč to jde jsem vysvětlil dost důkladně v předchozím komentáři.

...a do jisté míry i bez ohledu na špatný algoritmus či model.
Nesouhlasím. Kdyby toto platilo, pak navrhuji všechny fyzikální problémy řešit trojčlenkou (schválně si to zkuste na ty kružnice).
Já nemám evoluční víru, stejně jako nemám gravitační víru, víru relativity ani víru v ozubené kolo.

Toto je naprostý zmatek pojmů a divím se, že se k tomu snížíte. Už v předminulém vstupu jsem se Vás ptal, jestli jste schopen pochopit rozdíl mezi historickou vědou a experimentální vědou. Řekl jsem to jinými slovy, a sice zhruba asi tak, jestli chápete, že dobrým genetikem může být i člověk, který se vůbec o původ genů (zda se první geny vyvinuly či byly stvořeny) nezajímá, a dobrým zoologem může být i člověk, kterému je naprosto ukradené, jak vznikl první kůň či tele (zda evolucí či stvořením). Trojčlenka nemůže nahradit algoritmy stejně jako sčítání a odčítání nemůže nahradit diferenciální počet; a žádná gravitační víra či víra v ozubené kolo neexistuje prostě proto, že to, co vidíme, nemusíme věřit, ať už jde o předmět nebo o proces!

Divím se, že se snížíte k takovému zmatku pojmů a podezřívám Vás z nečestnosti, protože nemohu uvěřit, že jste až tak hloupý. Víra je ta mohutnost lidského myšlení, která se NEMŮŽE opřít o přímá opakovatelná pozorování, ale jen o nepřímé indicie, čili jen o už v minulosti dokončené a neopakující se procesy A JEJICH POZŮSTATKY; víra je v podstatě názor na minulost (případně budoucnost či na cokoli, co nelze opakovaně pozorovat), názor, který si tvoříme v závislosti na spoustě vstupních parametrů, jejichž počet bych ani nedokázal vyjmenovat, namátkou: zkušenost daného člověka, informovanost o dané věci, skryté touhy (např. aby věci byly tak a ne jinak), míra podléhání davovému myšlení atd. atd. Ani nemluvě pro Vás o asi neznámých věcech jako je Boží milost a dary (Bible naznačuje, že pravdivá víra je Boží dar, opak Boží trest).

Je mi trapné, že Vás poučuji jako malého školáka, žel, ukázal jste, že je to nutné. Opravdu Vám není jasné, že původ klávesnice, na které právě píšete Vy nebo já, NELZE žádným způsobem experimentálně prokázat? Čili bezrosporně a falzifikovatelně? Tím méně původ genů či vesmíru? Opravdu tyto základy vědeckého přístupu ke hmotným entitám neznáte a do teď jste nerozlišoval, co patří do oblasti pozorování a co patří do oblasti víry či názorů? Opravdu jste až do teď nepostřehl rozdíl mezi forenzní vědou, postupy ke hledání pravdy v soudnictví (proč asi existuje žalobce a obhájce a porota) - a jak to dělá experimentální věda, kde "porotou" je jen a pouze další pokus a další pozorování? A že výsledky těchto dvou oblastí mají naprosto rozdílnou vypovídací/verifikovatelnou hodnotu? Jen žasnu.

Ale to je přesně to, co neustále hledám! Tak mi řekněte jaký je kreacionistický model. Evoluční algoritmus jsem popsal, teď mě zajímá ten kreační - stačí pět šest kroků, stejně jako jsem je popsal já. Algoritmizaci pak zajistím.

To je zcela mimo oblast mých aktivit, musíte se obrátit na kreacionisty - odborníky v dané oblasti. Ujišťuji Vás, že existují, já jsem členem jedné takové uzavřené americké komunity vědců, kde se denně vyměňují informace, ale nemohu Vám sloužit, jednak jsem v této komunitě jako laik, který jen čte a pasivně přihlíží, o čem se oni baví (málokdy se vmísím), tedy nevědec, jednak nemám ani valného ponětí "who is who there inside".

Víte, kdyby nějaký kreacionista dokázal aplikovat např. model potopy a vytvořit uhlí a ropu, byl by boháč a ještě by výrazně pomohl kreacionismu.

Jsem opět nemile překvapen, že ani nevíte, že uhlí a ropu lze skutečně kreacionisticky vytvořit během pár hodin či dnů - ale boháče to z Vás neudělá, stejně jako z Vás neudělá boháče schopnost vyrobit umělý diamant. Jsem nemile překvapen, že nevíte, že to je právě jeden ze silných kreacionistických důkazů pro potopu a pro původ uhlí a ropy a zemního plynu - tedy rychlost jejich vzniku na rozdíl právě od NEMOŽNOSTI vzniku těchto fosilií za milióny let. Až nyní zjišťuji, že zřejmě o kreacionistické teorii nic nevíte a nikdy jste se neobtěžoval pročíst si pár článků zde na našem webu, třeba o potopě a vzniku fosilních paliv. To je smutek.

Mají kreacionistické organizace nějaké technické patenty?

Samozřejmě, nevím to jistě, ale je možné, že v poměru k počtu vědců na obou stranách mají kreační vědci víc patentů než evolucionisti - dočtete se v příštím článku, který nyní připravuji. Děkuji za rozhovor. PK

Re: Dosud jediný ozubený převod nalezený v přírodě

Do svého výběru z předchozí diskuze jsem na tři místa
vložil tento text:
"Dodatečně (9. 1. 2016) vsunutá pozn.: Uvažoval segment kola - geometricky řečeno výseč kruhu. Tato úvaha se nyní ukazuje jako špatná. Teprve po důkladnějším studiu pozoruji, že jde o výseč elipsy nebo oválu."
Na úplný konec tohoto výběru jsem dodal:
"Další dodatečně (9. 1. 2016) vsunutá pozn.: Pořád nejsem na konci zmíněného studia. Rád bych udělal analýzu článku objevitelů a také analýzu vybraných diskusních příspěvků. Také chci studovat „evoluční algoritmy“. Do skončení tohoto postupu považuji všechny dosavadní závěry za předběžné (na což jsem sice upozornil už dříve, ale možná málo)."
Důvodem mého ukončení diskuze se dvěma oponenty bylo získání času na studium a tedy také na nějakou změnu mých předběžných závěrů. Poněvadž nevím, jak to všechno dopadne, mohu odkázat jenom na výše uvedené.

Customize This