لماذا لا يمكن أن يصل حجم الحشرات إلى حجم الإنسان؟

يصعب على الحشرات أن تكبر حتى يصل حجمها إلى حجم الإنسان، لأن أنابيبها الهوائية المتفرعة تواجه صعوبة في إيصال الأكسجين مع ازدياد حجم أجسامها. كان للحفرية Meganeura monyi باع جناحين بلغ 70 cm (2.3 ft)، أي نحو 2.3 ضعف طول مسطرة قياسية يبلغ طولها 30 cm.

حتى عمالقة ما قبل التاريخ لم تكن حشرات بحجم الإنسان

كانت Meganeura حشرة طائرة قريبة من اليعاسيب الحديثة. ويبيّن باع جناحيها مدى امتداد جناحيها، لا طول جسمها. ويتناول عرض متحف التاريخ الطبيعي لليعاسيب العملاقة (تفتح في علامة تبويب جديدة) هذه الحشرة التي عاشت في العصر الكربوني، حين كانت مستويات الأكسجين في الغلاف الجوي مرتفعة على نحو غير مألوف.

تعطينا Titanomyrma giganteum صورة مختلفة عن أحجام الحشرات القديمة. بلغ طول جسم ملكتها 5 cm (2 in)، أي نحو 8.3 أضعاف طول حبة أرز طويلة. وهذا قياس لطول الجسم، بخلاف باع جناحي Meganeura، لذلك تعرض الحفريتان بُعدين مختلفين، لا مثالين متطابقين لطول الجسم.

أما مفصليّ الأرجل الآخر الذي عاش في عصور ما قبل التاريخ، Arthropleura armata، فقد بلغ طوله 2.6 m (8.5 ft) من الرأس إلى الذيل، أي نحو 1.3 ضعف ارتفاع مدخل قياسي. كان Arthropleura قريبًا عملاقًا من ألفيات الأرجل، لا حشرة. وهو يوضح إلى أي حجم كان يمكن أن يصل مفصليّ أرجل من عصور ما قبل التاريخ، لكنه لا يُعدّ حشرة بحجم الإنسان.

يمرّ الهواء الذي تحتاجه الحشرة عبر أنابيب متفرعة

يبدأ جهاز التنفس لدى الحشرات المعتمد على الأنابيب الهوائية بفتحات على امتداد جسمها. وتتصل هذه الفتحات بأنابيب متفرعة تُسمى القصبات الهوائية، تتشعب إلى ممرات أدق توصل الهواء إلى مقربة من الأنسجة. وعلى خلاف الثدييات، لا تعتمد الحشرة على الرئتين والدم لنقل الأكسجين إلى أنحاء الجسم؛ فشبكة القصبات الهوائية تنقل الهواء إلى الداخل من سطح الجسم.

عند أطراف الشبكة الدقيقة، ينتقل الأكسجين إلى الخلايا بالانتشار. إذ تنتشر الجزيئات من المواضع الأعلى تركيزًا إلى المواضع الأقل تركيزًا. وتوصل التفرعات الصغيرة الهواء إلى قرب العضلات والأعضاء، فلا يضطر الأكسجين إلى الانتقال من رئة مركزية عبر الجسم كله.

ولا يعمل هذا الجهاز دائمًا بطريقة سلبية. فبعض الحشرات تحرك بطونها أو تستخدم حركات عضلية لتهوية أجزاء من شبكة القصبات الهوائية، دافعةً الهواء عبرها. ولا تكشف بقايا Meganeura الأحفورية كيف كانت تهوّي جهازها تحديدًا، لكن أجنحتها كانت لحشرة تستخدم هذا النظام الأساسي القائم على الأنابيب. ويمكن للتهوية النشطة أن تحرك الهواء عبر الممرات، لكنها لا تزيل صعوبة إيصال الأكسجين إلى الأنسجة العميقة داخل جسم أكبر.

مع نمو الجسم، يصبح إيصال الأكسجين أصعب

تخيّل تكبير حشرة مع الإبقاء على بنيتها الأساسية كما هي: يدخل الهواء من فتحات على السطح، ثم يسلك مسارات متفرعة باتجاه الأنسجة. وكلما ابتعد النسيج عن إحدى الفتحات، ازدادت المسافة التي يجب أن يقطعها الأكسجين. ويصبح الانتشار أبطأ عبر المسافات الأطول، بينما يحتوي الجسم الأكبر على أنسجة أكثر تستهلك الأكسجين.

ويكتسب ذلك أهمية خاصة للعضلات النشطة. فالعضلات التي تحرك الأجنحة تحتاج إلى الأكسجين لإطلاق الطاقة، وعلى الحشرة الطائرة تزويدها به أثناء عملها. ويمكن لشبكة أدق من التفرعات أن توصل الهواء إلى مسافة أقرب من تلك العضلات، لكن على الشبكة أن تتسع داخل الجسم وأن تتصل بفتحاتها. ولا يمكنها إزالة المسافة بين الغلاف الخارجي وكل نسيج أعمق.

بلغ طول جسم ملكة Titanomyrma 5 cm؛ أما الحشرة بحجم الإنسان، فسيكون على الأكسجين أن يصل إلى مسافة أبعد بكثير داخل جسمها. ولا تعني المقارنة أن Titanomyrma تمثل حدًا أقصى ثابتًا. بل توضح نوع مشكلة المسافة التي تتفاقم مع كبر الجسم: فالأنسجة العميقة تحتاج إلى إمداد موثوق، حتى حين يطول الطريق من خارج الجسم.

قد يرفع الأكسجين الحد، لكن تبقى قيود أخرى

عاشت Meganeura في العصر الكربوني، حين كانت مستويات الأكسجين في الغلاف الجوي مرتفعة على نحو غير مألوف. وربما ساعد ارتفاع نسبة الأكسجين في الهواء المحيط جهازًا من القصبات الهوائية على تزويد حشرة كبيرة بما تحتاجه. وتبحث دراسة مستويات الأكسجين في الغلاف الجوي وحجم أجسام الحشرات (تفتح في علامة تبويب جديدة) هذه الصلة. وارتفاع الأكسجين أحد العوامل المقترحة لتفسير أحجام الحشرات في عصور ما قبل التاريخ، لكنه لا يفسرها وحده.

عاش Arthropleura أيضًا في غابات العصر الكربوني، لكنه ينتمي إلى سلالة مختلفة من مفصليات الأرجل. ولا يثبت طوله أن الحشرات بلغت الحجم نفسه. ويناقش عرض متحف ويلز عن Arthropleura (تفتح في علامة تبويب جديدة) نقل الأكسجين لدى مفصليات الأرجل، إلى جانب المتطلبات البنيوية لهيكل خارجي كبير. قد يخفف الأكسجين الإضافي العبء على جهاز القصبات الهوائية، لكن الهيكل الخارجي كان لا يزال بحاجة إلى دعم الحيوان.

ستحتاج الحشرة الأكبر إلى شبكة تنفسية تخدم أنسجة أبعد عن سطح الجسم، كما سيتعين على هيكلها الخارجي دعم جسم أثقل. ويتطلب النمو أيضًا الانسلاخ: فعلى الحشرة أن تستبدل غلافها الخارجي الصلب مع نموها، بدلًا من أن يتمدد مثل الجلد. ولن تحل العضلات الأقوى وحدها أيًا من هذه المشكلات إن لم تستطع الحصول على الأكسجين الذي تستهلكه.

هذه قيود على حجم الحشرات، وليست دليلًا على وجود حد أقصى مطلق ومثبت. فالحشرة بحجم الإنسان ستحتاج إلى أكثر من أرجل ضخمة؛ إذ سيتعين على بنيتها أن تدير إمداد الأكسجين والدعم والنمو معًا. وتحت غلاف الحشرة، تتناقص أقطار القصبات الهوائية المتفرعة كلما اقتربت من الأنسجة، مثلما تمتد أدق أغصان الشجرة إلى الفراغات التي تحتاج فيها خلاياها الحية إلى الهواء.