Állati találmányok: fogaskerék

Ez a bejegyzés egy olyan felfedezésről szól, amely nem váltja meg a világot: nem oldja meg az emberiség energiagondjait, nem fékezi meg az ebólát, nem lassítja a klímaváltozást, és nem adja meg a kérdést a 42-re.
Másrészt viszont olyan, klasszikusan szép felfedezés ez, amilyenre mind ki vagyunk éhezve régen, mert bármily meglepő is a dolog, mégis mindannyian megértjük.
Talán még ez is megfordul némelyőnk fejében:

Ne már! Ezt én is felfedezhettem volna!

A főszereplő bemutatásával kezdem:

Issus Coleoptratus Jr.
(1 rovarpalánta 1:1-es áttétellel)

Junior "keresztnevét" természetesen kisbetűvel írják, tehát Issus coleoptratus a becsületes neve. A faj az Issidae családba tartozik. Ezeket magyarul pajzsoskabócának hívják. Kiterjedt rokonságáról egy másik bejegyzésemben találsz (majd, esetleg) unalmas részleteket. Egy kicsivel talán kevésbé unalmasat ugyanitt, csak lentebb, a Mik ezek a mitugrászok? című részben. Most csak egy portrét mutatok róla és egy felnőtt fajtársáról:

Ezzel a fiatal Issus coleoptratus nimfával/lárvával folytatta
Prof. Malcolm Burrowsazokat a kísérleteit, amelyekről szó lesz.
[Courtesy of Prof. Malcolm Burrows] 

Így néz ki a Wikipedia szerint egy felnőtt Issus coleoptratus rovar.
[Picture taken from Wikipedia]

Időközben magam is találkoztam egy felnőttel, aki volt szíves engedélyezni, hogy készítsek róla néhány felvételt. Most már a magyar nevét is tudom - fa-pajzsoskabóca:

Nos, a gyerekkabóca – más családban is előfordul ilyen – nemcsak szépségével, de egy különleges tulajdonságával is kitűnik a felnőttek közül, nevezetesen, mindkét hátsó ugrólábának combtöve egy-egy fogaskerékfélét alkot, melyek fogai egymásba kulcsolódnak. Legalábbis ez derül ki a két felfedező, Malcolm Burrows és Gregory Sutton 2013-as cikkéből, mely a Science (Tudomány) c. folyóiratban jelent meg, és az interneten is elérhető bárki számára, miután ingyenesen regisztrálta magát.

Ez a fénykép, melynek eredetijét a biofogaskerekek felfedezőjétől, Prof. Malcolm Burrowstól, a Cambridge-i Egyetem emerituszától kaptam, jól mutatja a fogak összekapcsolódását. Látszik az is, hogy a fogak  nemcsak lekerekítettek kissé (hogy ne törjön le a végük működés közben), hanem egy picit íveltek is (felfelé hajlanak, ami az aszimmetrikus működéssel függhet össze). A méreteket jobban érzékeled, ha tudod, hogy a színes vonal hossza (20 µm) alig haladja meg egy befőzési celofán vastagságát (15 µm). [Courtesy of Prof. Malcolm Burrows]

Hogy mire jó egy ilyen fogaskerék a lárvának, azt a Scientific American alábbi videójából megtudod. A videót angolul és magyarul is feliratoztam: ha gondolod, kapcsold be valamelyiket, ha magától nem jön elő.

A videóban egy-egy pillanatra láthattad a biofogaskerekek működését egyik irányban. Most ember készítette fogaskerekekkel modellezve, folyamatosan láthatod a két combtő együttműködését az ugrólábak lassú behúzása (balra), ill. a gyors elrugaszkodás közben (jobbra). Nyilvánvaló, hogy a két ugróláb a fogak egymásba kapcsolódása miatt nem képes egymástól függetlenül mozogni, magyarán a lábak egyszerre, szinkronban mozognak. Természetesen nem folyamatos forgásként kell elképzelni a dolgot, hiszen a rovar combja nincs becsapágyazva, hanem oda-vissza fordul el az ízületében egy bizonyos szögben. Mindenesetre a sebességek és az erők aszimmetriája elegendő okot adhat arra, hogy a biofogaskerék fogai ne legyenek olyan szimmetrikusak, mint ahogy itt, az Euler által kitalált fogaskerékprofil esetében látjuk:

Bal kép: láb visszahúzása.                            Jobb kép: elrugaszkodás.
[Source of the animations: Wikimedia]

Mutatok egy másik videót is, melyet szintén feliratoztam. Ez (a választott indexkép ellenére) sokkal személyesebb, és érzékelteti Prof. Burrowst, a felfedezőt, mint nagypapát és mint közösségi embert is. A videót, melynek eredetije ezen az oldalon látható beágyazva, a Cambridge-i Egyetem bocsátotta rendelkezésemre feliratozás céljából.

Érdekes módon, ezek a mechanikus fogaskerekek csak a rovarok lárváiban – a nimfákban – találhatók meg, és a felnőtté válás utolsó átalakulási fázisában, tehát az utolsó vedlés során, nyom nélkül eltűnnek. Nem tudni, mért veszíti el a rovar a fogaskerekeit, amikor kifejlett állattá vedlik. Talán azért, mert ha kitörik egy fog, akkor csődöt mond az egész mechanizmus. A nimfák esetében ez csak átmeneti problémát jelent, hiszen a kitinvázuk olyan, mint a tejfog, lesz helyette új és hibátlan a következő vedléskor. Ám ha a felnőtt (kerék)foga törik ki, az már nem nő újra.
Elképzelhető, hogy összefügg a dolog azzal, hogy a felnőtt rovarnak nagyobb, erősebb az a része, ami a mi combcsontunknak felel meg. Ezért lehet, hogy a két „combcsontot” összeszorítva, nagyobb súrlódással képes pótolni a fogak hiányát, miközben ugrik.
 A fogakat tartalmazó sáv kb. 400 µm hosszú, és 10-12 fogat tartalmaz – ugyanannyit mindkét oldalon. Mint említettem, a fogak abban különböznek az ember által gyártott fogaskerékétől, hogy aszimmetrikusak, ami a használat aszimmetriájával függ össze. Amiről eszembe jut a bicikli lánckereke, amit szintén aszimmetrikusan használnak, kivéve talán az örökhajtóst és a kontrást. A mai racsnik lánckerekeit nem szokás leszedni, és fordítva visszatenni, hogy egyformán kopjanak. Tehát lehet, hogy egy kis "beépített" aszimmetria jót tenne nekik. Na igen, én még emlékszem a cápafogas racsnikra a 80-as években, amelyeken szintén kissé hajlított fogak voltak.

Na igen, emlékeztem, csak rosszul. A 90-es években volt. Keresgéltem az interneten, de már nyoma sem volt ennek a típusnak. Aztán előkerestem az Új! Bicajoskönyv egy példányát, és kimásoltam belőle ezt a képet. (Courtesy of myself, mert a könyvet én írtam még 2004-ben :) Nos, a cápafogazat olyasmi, mint az előrekoptatott farmer: úgy néz ki, mintha már használt lenne, de nem az, Csak össze kell vetni ezzel a használt racsnival itt. Rögtön látszik, melyek voltak a tulaj kedvenc áttételei, mert azokon a fogak éppúgy hátrahajlanak, mint ezen némelyik. Egyébként az, hogy ez a típus "kikopott" a kínálatból, nem jelenti azt, hogy az ötlet rossz volt. Ne feledd, hogy a lánc jobbra  P húzza a hátsó lánckereket, tehát nem ez a szembetűnő "kopás" az, ami a problémát jelent, hanem az, ami a fogak bal oldalán van (nem a fenti képen, mert azon nincs), ahol a láncgörgő nekifeszül. Tömören: lehet, hogy ez egy jó elgondolás volt, de nem egészen eredeti, mert a lámpáskabócák már sok millió éve használják.

Ugyanaz a fogaskerék a rokonságban
(az Acanalonia conica, egy másik lámpáskabóca faj)

A 2013-as felfedezés óta más lámpáskabócák lárváiban is kimutattak biofogaskereket. Ezen az oldalon például két gyönyörű képet is találunk Igor Siwanowicztól, aki végzettségét tekintve biokémikus, de 5 éve profilt váltott, és neurobiológusként dolgozik a Howard Hughes Orvosi Intézet Janelia Kutatási Kampuszában. A fotográfia csupán hobbi számára, ahogy mondja, de aki megnézi Igor Siwanowicz onlájn galériáját, az bizonyára elcsodálkozik ezen.
Igor, aki a fogaskerekeket az Acanalonia conica nevű faj lárváiban kimutatta, volt szíves elküldeni nekem az alábbi három mikroszkópos felvételt, melyek ugyanarról a példányról készültek, csak más-más nézetből. Az első a dorzális (az állat háta felőli) nézetből mutatja a hátsó combokat. A második a poszterior (az állat feneke felőli, kb. 90°-kal elforgatott) nézet, a harmadik pedig a ventrális (az állat hasa felőli) nézet, mely pont a másik oldalról mutatja ugyanazt, amit a dorzális.

Acanalonia conica, dorzális nézet. [Courtesy of Igor Siwanowicz]

Acanalonia conica, poszterior nézet. [Courtesy of Igor Siwanowicz]

Acanalonia conica, ventrális nézet. [Courtesy of Igor Siwanowicz]

Technikai megjegyzés a fenti képekkel kapcsolatban: Az ilyen képeket konfokális pásztázó mikroszkóppal gyűjtik, pontról pontra. Az eljárást optikai szeletelésnek hívják, ami abból áll, hogy egy vastag mintát, mint ez a rovar is, áttolnak az objektív fókuszsíkján, miközben letapogatják lézerfénnyel. A minta valamely szelete tehát mindig a lézer fókuszában van, és közben mélységi információ is gyűlik a pásztázott pontokhoz. Hogy a kétdimenziós képpé lapított (stacked) pontokhoz tartozó 3D információ ne vesszen el, Igor mélység szerinti színkódot rendelt az egyes rétegekhez. Vagyis a kép színei olyan hamis színek, mint amilyeneket a térképeken látunk, csak itt a színátmenet folytonos. (Lásd a stacking egy másik esetét ebben a bejegyzésemben: Ezt látnod kell: Válogatás Rahmé Nikola sztereómakróiból.)

Az Acanalonia conica nem pajzsoskabóca ugyan, de szintén zenész... akarom mondani: szintén egy lámpáskabóca faj, ahogy a pajzsoskabócák is azok. (Az ismert dallam, csak más szöveggel: Minden pajzsoskabóca lámpáskabóca, de nem minden lámpáskabóca pajzsoskabóca.) És persze zenész is, mint a színkabócák többsége, akár halljuk, akár nem (de ez már egy magasabb kategória, a kabócaság legáltalánosabb szintje :).
A felnőttek nagyon szépek. Kicsit csúcsos a fejük (nem véletlenül cone-headed planthopper, azaz kúpfejű növényugrász a nevük angolul), de jól áll nekik:

Felnőtt Acanalonia conica képe a Wikimediából. Színétől és csúcsos fejétől eltekintve
megszólalásig hasonlít az amerikai importból származó lepkekabócához,
mely szintén második unokatestvér, egy másik családból. [Source: Wikimedia]

A nimfák is szépek, de csak kicsit. A maguk módján. Mondjuk, az anyukájuknak tetszenek. Másnak inkább csúnyácskáknak tűnnek. Nekik viszont nagyon:

Most látom, hogy ez csak egy testvérfaj. Egy másik Acanalonia sp. Nem baj, a miénk sem lehet sokkal különb. Melyik is a dorzális nézet, ha így félig fejjel lefelé áll? Igen, kb. 2 óránál van az ember szeme ilyenkor.

Egy bónusz Igor Siwanowicztól
(a Metcalfa pruinosa, az amerikai lepkekabóca)

Ennek a rovarnak mintha sokkal finomabb lenne a fogaskerék-struktúrája, mint az előzőké. Te nem úgy látod? Ismerős ez a csipkeszerű pelenkaöltés. Vagy fordítva. Mintha hártyásszárnyúakkal kapcsolatban láttam volna ilyesmit valahol.

Metcalfa pruinosa, dorzális nézet [Courtesy of Igor Siwanowicz]

Igor Siwanowicztól kaptam egy olyan képet is, amelyik a lepkekabóca-lárva "ugrókészülékét" szemlélteti:

A lepkekabóca-lárva ugrókészüléke bizonyos értelemben egy íjhoz hasonló. Van itt is egy ívelt rugó, amelyet fel kell húzni. Igen, az a C alakú dolog tárolja az ugráshoz szükséges energiát. Az íj idegének egy erős izom felel meg (ez nem látható a képen), mely összeköti a C felső csücskét és a tölcsérhez hasonló ínt a C aljánál. Ez húzza fel az íjat, mely eleresztéskor működésbe hozza az ugrólábat. A két "íj" működését a fogaskerék szinkronizálja. [Courtesy of Igor Siwanowicz]

Gondold el, hogy ez a szerkezet egy 3-4 mm-es lárvába van beépítve. Figyeld, milyen apró a lárva a kezemen látható szőrszálakhoz viszonyítva. Ahhoz képest viszonylag nagyot rúgott a kezembe, amikor elpattant róla.

És itt egy szép felnőtt példány 2013-ból, mely a kabócafélék éve volt a kertünkben. Ahogy a Science magazinnál is, de ezt akkor én még nem tudtam.

Fogaskeréknek látszik, de nem az

Egyik ismerősöm, Jancsó Ákos, üzent nekem a Facebookon a jelen bejegyzéssel kapcsolatban. Úgy emlékezett egy videó alapján, hogy az egysejtűek ostorát is fogaskerék hajtja. Köszönöm neki, hogy szólt, mert talán más is így emlékszik. Nos, az eukarióták ostora más, de a bakteriális ostort egy forgó molekuláris gép hajtja, mely annyiban kétségtelenül veri a lámpáskabócák fogaskerekét, hogy folyamatosan képes körben forogni. Mutatok is egy vázlatot a magyar Wikipédia Ostor (sejtszervecske) című cikkéből.

Egy ostor (flagellum) működési vázlata. [Forrás: Wikipédia] 

Az angol Wikipedia Flagellum című cikke mutat egy fogaskerékre kísértetiesen hasonlító "fizikai modellt" is ugyanerre, íme:

Baktérium flagelluma (ostora)  [Source: Wikimedia]

Az angol cikkből nyilvánvaló, hogy a hasonlóságtól eltekintve, funkcionális értelemben szó sincs itt fogaskerékről, mert a fogaskerék működése egyszerű mechanikai erőkkel kapcsolatos (nyomóerő, súrlódás). Ami a formát illeti, felmerül a kérdés: fogaskeréknek tekintendő egy 100 forintos csak azért mert recés a pereme? Lehetne éppen fogaskerékként is használni (talán), de nem az, mert nem arra használják. A baktérium flagellumát pedig szerintem nem is lehetne. (Ehhez kettőt úgy kéne összehozni, hogy egyik forgassa a másikat.)

A fogaskerék, mint motívum, sok helyen felbukkan az élővilágban. Gondolj a kerekded, fogazott levelekre. Vagy erre a két salátaboglárka-virágra itt, mely úgy akadt össze, mintha a kettő fogaskerék-áttételt alkotna. Fogaskerekek ezek? Funkcionálisan  éppoly kevéssé, mint egy 100 vagy egy 20 forintos.

Sasvári Ferenc: Szabad egy táncra? [Forrás: Növényhatározó FB csoport]

Ugrászati kutatások

Az ugrást magát nemcsak az Issus coleoptratus második unokatestvéri körében vizsgálják (magyarán a lámpáskabócák között), hanem pl. a mezeikabócák körében is, amelyek már távolabbi rokonok. Ezeknél nem találtak fogaskereket, ám a feltett kérdések mégis érdekesek. Mint az előző videókban elhangzik, hatalmas gyorsulások működnek elrugaszkodáskor, vagyis az erők még a kis tömegek ellenére is számottevőek. Emlékszem, párszor meglepett, mennyire megpöccinti a kezem egy-egy ilyen kis mitugrász, amikor elpattan róla. Szóval a kérdések:

• Hogyhogy nem törik el a lábuk ugrás közben?
• Hogyhogy nem lyukad ki a levél, amiről elrugaszkodnak?

Mutatok egy röpke videót. Ezen egy Cicadella viridis (fűzöld mezeikabóca, méregzöld mezeikabóca, zöld szötyöke) látható alulról, elugrás közben. Figyeld, hogy imbolyog az ugróláb középső része az utolsó pillanatban. Állítólag ez a trükkje: ezzel a finom mozgással rendezi el az erőket a lábán, hogy ne essen baja.

Mutatok egy tipikus színes képet a méregzöld mezeikabócáról is. Szerintem a névadó nem látott jól (a méregtől talán :), mert én a rovart gyönyörű kéknek látom. És Te?

Mik ezek a mitugrászok?
(Bugarászati angol. Mottó: Mit ugrász? Az apád nem cukrász!)

Itt egy fordítóknak és/vagy amatőr bogarászoknak való rész következik, amilyen én vagyok. Ha nem vagy fordító és/vagy amatőr bogarász és/vagy olyan, mint én, akkor ezt a részt valószínűleg unni fogod, tehát csak a saját felelősségedre folytasd az olvasást, mert én megmondtam.

Ha megnézed a második videó átiratát (itt adok egy kis segítséget hozzá, ha igényled), láthatod, hogy Prof. Burrows három módon utal az Issus coleoptratusra: insect, bug, és planthopper.
Az insect jelentése egy az egyben rovar: szabatos meghatározás, nem igényel magyarázatot.

A bug – ez hangzik el a leggyakrabban – köznyelvi szinten valamilyen ízeltlábút jelent biológiai értelemben: nem túl hosszút, nem túl nagyot, nem túl szárnyasat, nem túl sok lábút, nem túl nyilvánvalóan rákot vagy pókfélét. A Wikipedia nem pont így látja, tehát olvasd el azt is. Magyarul csábító a bogár szóval helyettesíteni, melyet ugyanabban az értelemben használnak sokan, főleg a gyerekek. Aki azonban felnőtt fejjel használja ebben a tág értelemben, az számíthat arra, hogy aki jobban tudja, az esetleg nyilvánosan is kijavítja rovarra, vagy amire kell. Az a lényeg, hogy az angolban nem jár lefitymálással a bug szó ilyen használata, míg aki a magyarban a bogár szót használja így, az műveletlennek számít. Prof. Burrows szóhasználatát színezheti az is (de nem biztos), hogy a rovaroknak azt a rendjét (félfedelesszárnyúak, Hemiptera), amelybe beletartozik a pajzsoskabóca (és a többi olyan rovar, melynek magyar nevében benne van az, hogy kabóca), továbbá a poloskák és a levéltetvek is, angolul true bugs néven illetik hivatalosan.

A planthopper – helyi használatra magyarítva: növényugrász – egyszer hangzik el, Maxot idézve. Én az ugrós szóval magyarítottam, mert úgy éreztem, ez jobban hangzik egy ötéves szájából, mintha azt mondaná, hogy "elkaptam egy Fulgoromorpha alrendágba tartozó rovart". Na jó, lámpáskabócát, mert magyarul ezeket így hívják hivatalosan, bár nem nyilvánvaló, miért (lásd lentebb, a megjegyzést). Az angol planthopper  sem pusztán egy alkalmi kifejezés a stílus színesítéséhez, hanem ugyanolyan hivatalos elnevezés, mint a lámpáskabóca, és pontosan ugyanazt az alrendágat is jelenti.
Megjegyzés: Az Urania Állatvilág Rovarok kötetének 160. oldalán van egy fejezet "Bordásfejű vagy lámpahordozó kabócák családja – Fulgoridae" címmel. Így kezdődik:
"Egyik általánosan elterjedt nevük Merian festőnő képe alapján rögződött meg tévesen, aki mintegy 260 évvel ezelőtt a nagy lámpahordó kabócát (Fulgora laternaria) úgy festette meg, mintha annak feje a sötétben világítana."
Ezt a rovart mutatja az alábbi felvétel, mely a Flickrről töltődik be:

Az ITTS (Integrated Taxonomic Information System) Hemiptera rendről szóló oldala az angol hopper (ugrász) mint szakszó jelentését az egész Auchenorrhyncha alrendre kiterjeszti. A magyar internetes források általában a színkabócák nevet használja az alrendre. (A görög eredetű kifejezés arra utal, hogy a színkabócák szívókája a nyakuknál ered.)

Ami a hopper elnevezést illeti, tudni kell, hogy a Fulgoromorpha mellett van egy másik alrendág is a színkabócák alrendjén belül, a Cicadomorpha, melyet magyarul igazi kabócák néven említenek. Nos, az igazi kabócákon belül, az énekeskabóca-félék (Cicadidae) sem kifejlett, sem nimfa állapotban nem ugrálnak. Ezek angol neve cicada (cikáda). Ami a többi Cicadomorphát illeti, használják angolul a leafhopper (levélugrász, azaz mezeikabóca), a treehopper (faugrász, azaz púposkabóca) és a froghopper (békaugrász, azaz tajtékoskabóca) hivatalos elnevezéseket is, jól körülhatárolható jelentéssel.
Akkor most mutatok egy közös képviselőt ezek közül is. Mondjuk egy olyant, amelyik nem ugrál, viszont boldog (tudod: "A kabóca vígan él, felesége nem beszél"), tehát az óriás énekeskabócát (Tibicina haematodes). Méghozzá egy lárvát, hogy lásd, ez tényleg nem sokat ugrálhat, mert ahelyett, hogy ugrólába lenne hátul, ásókeze van elöl (metszőollóval kiegészítve gyökérakadály-elhárításhoz), akár a vakondnak vagy a vakondtücsöknek. Hogy miért? Mert a földben él ez is, ahogy azok. Csak fejlődése legvégén jön elő, készen az átvedlésre, hogy élete végén szaporodóképes felnőtté váljon, ahogy a lefényképezett példány:

Ha még nem untad el teljesen (csodálkoznék rajtad :), akkor keresd fel ezt az oldalamat, hogy további részletekkel fárasszalak: Kabócarendszertan amatőr bogarászoknak. (Nem most. Majd ha meglesz.)

Befejezésképp mutatok egy felvételt, mely 2014 Karácsonyán készült Burrows papáról és unokáiról. Éppen a Bugs Bunnyt nézik a tévében. (Csak vicceltem.)

A kép szereplői balról jobbra: Riley, Sophie (Max húga), Burrows papa, Clara,
Max (aki az "ugrósat" fogta) és Harry. Riley, Clara és Harry fiúági unokák,
Sophie és Max leányágiak. [Courtesy of Malcolm Burrows]

Kapcsolódó linkek

• Interacting Gears Synchronize Propulsive Leg Movements in a Jumping Insect (az eredeti Science publikáció: ingyenes, de regisztrálni kell)
• Functioning ‘mechanical gears’ seen in nature for the first time (a felfedezés bejelentése a Cambridge-i Egyetem oldalán, ahonnan a második videó származik)
• Interactive gears in the hind legs of Issus coleoptratus from Cambridge gears-3.jpg (ezt a Creative Commons licence alá eső képet feltöltöttem a Wikimediára, ahonnan bárki jogszerűen letöltheti és felhasználhatja. Igekszem kérni egy nagyobb felbontású képet is erre a célra.)
• Fogaskerék/Képgyűjtemény (a magyar Wikipédiába is betettem a fenti képet)
• ELTE TTK Biosz állatrendszertan gyakorlat fajlista latin magyar (a magyar elnevezések egyik forrása)
• Igor Siwanowicz onlájn galériája:  http://photo.net/photos/siwanowicz
• in depth on planthopper gears (ezen a fotomakrográfiai oldalon találsz bandzsítós és anaglif 3D képeket is Igor Siwanowicztól, és itt egy bejegyzésem a bandzsítós 3D használatáról)
• Janelia Researcher Wins Olympus BioScapes Imaging Competition (Igor Siwanowicz egy díjnyeretes felvéte a púpos rence, alias Utricularia gibba, nevű ragadozó növény csapdájának belsejéről, mellyel mikroszkopikus vízi gerincteleneket zsákmányol)