Warum können Insekten nicht menschgroß werden?

Insekten können nicht ohne Weiteres menschgroß werden, weil ihre verzweigten Luftröhren mit zunehmender Körpergröße Schwierigkeiten haben, genügend Sauerstoff zuzuführen. Das Fossil Meganeura monyi hatte eine Flügelspannweite von 70 cm (2.3 ft) – etwa das 2,3-Fache der Länge eines handelsüblichen 30-cm-Lineals.

Urzeitliche Riesen waren trotzdem keine menschgroßen Insekten

Meganeura war ein fliegendes Insekt, das mit heutigen Libellen verwandt war. Seine Flügelspannweite zeigt, wie weit seine Flügel reichten, nicht wie lang sein Körper war. Der Bericht des Natural History Museum über Riesenlibellen (öffnet sich in einem neuen Tab) beschreibt dieses Insekt aus dem Karbon, einer Zeit, in der der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre ungewöhnlich hoch war.

Titanomyrma giganteum vermittelt ein anderes Bild von der Größe urzeitlicher Insekten. Der Körper ihrer Königin war 5 cm (2 in) lang – etwa das 8,3-Fache der Länge eines langen Reiskorns. Das ist eine Körpermessung, anders als Meganeuras Flügelspannweite. Die beiden Fossilien zeigen daher unterschiedliche Maße und keine vergleichbaren Beispiele für die Körperlänge.

Ein weiterer urzeitlicher Gliederfüßer, Arthropleura armata, erreichte vom Kopf bis zum Schwanz eine Länge von 2.6 m (8.5 ft) – etwa das 1,3-Fache der Höhe einer gewöhnlichen Türöffnung. Arthropleura war ein riesiger Verwandter der Tausendfüßer, kein Insekt. Das Tier zeigt, wie groß ein urzeitlicher Gliederfüßer werden konnte, kann aber nicht als menschgroßes Insekt gelten.

Die Luftversorgung eines Insekts verläuft durch verzweigte Röhren

Das Atmungssystem eines Insekts mit Luftröhren beginnt an Öffnungen entlang seines Körpers. Diese Öffnungen sind mit verzweigten Röhren verbunden, den Tracheen. Sie verzweigen sich in immer feinere Gänge, die Luft bis in die Nähe des Gewebes bringen. Anders als ein Säugetier ist ein Insekt nicht auf Lungen und Blut angewiesen, um Sauerstoff durch den Körper zu transportieren: Das Tracheennetz leitet Luft von der Körperoberfläche nach innen.

An den feinsten Enden des Netzes gelangt Sauerstoff durch Diffusion in die Zellen. Moleküle bewegen sich von Orten, an denen sie stärker konzentriert sind, zu Orten mit geringerer Konzentration. Die kleinen Verzweigungen bringen Luft in die Nähe von Muskeln und Organen, sodass der Sauerstoff nicht von einer zentralen Lunge aus durch den ganzen Körper transportiert werden muss.

Das System arbeitet nicht immer passiv. Manche Insekten bewegen ihren Hinterleib oder setzen Muskelbewegungen ein, um Teile des Tracheennetzes zu belüften und Luft hindurchzupumpen. Meganeuras fossile Überreste verraten nicht genau, wie sie ihre Atmung unterstützte. Ihre Flügel gehörten jedoch zu einem Insekt mit diesem grundlegenden, auf Röhren beruhenden System. Aktive Belüftung kann Luft durch die Gänge bewegen, beseitigt aber nicht die Schwierigkeit, Sauerstoff zu Gewebe tief im Inneren eines größeren Körpers zu bringen.

Mit wachsendem Körper kommt die Sauerstoffversorgung immer weniger hinterher

Stell dir vor, ein Insekt würde größer, behielte aber denselben grundlegenden Körperbau: Die Luft gelangt weiterhin durch Öffnungen an der Außenseite hinein und strömt dann über verzweigte Wege zu den Geweben. Je weiter ein Gewebe von einer Öffnung entfernt ist, desto länger muss der Sauerstoff dorthin gelangen. Über längere Strecken verläuft die Diffusion langsamer, während der größere Körper mehr Gewebe enthält, das Sauerstoff verbraucht.

Besonders wichtig ist das für aktive Muskeln. Flugmuskeln brauchen Sauerstoff, um Energie freizusetzen, und ein fliegendes Insekt muss sie versorgen, während sie arbeiten. Ein feiner verzweigtes Netz kann Luft näher an diese Muskeln heranbringen, muss aber in den Körper passen und mit seinen Öffnungen verbunden sein. Es kann nicht dafür sorgen, dass die Entfernung zwischen der äußeren Hülle und jedem tiefer liegenden Gewebe verschwindet.

Die Königin von Titanomyrma hatte eine Körperlänge von 5 cm; bei einem menschgroßen Insekt müsste der Sauerstoff viel weiter in den Körper gelangen. Dieser Vergleich bedeutet nicht, dass Titanomyrma eine feste Obergrenze markiert. Er veranschaulicht die Art von Entfernungsproblem, das mit dem Körper wächst: Tiefer liegendes Gewebe braucht eine zuverlässige Versorgung, obwohl der Weg von außen länger wird.

Sauerstoff könnte die Grenze verschieben, doch andere Einschränkungen bleiben

Meganeura lebte im Karbon, als der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre ungewöhnlich hoch war. Mehr Sauerstoff in der Umgebungsluft könnte einem Tracheensystem geholfen haben, ein großes Insekt zu versorgen. Die Studie zum Zusammenhang zwischen atmosphärischem Sauerstoff und der Körpergröße von Insekten (öffnet sich in einem neuen Tab) untersucht diesen Zusammenhang. Ein höherer Sauerstoffgehalt ist eine mögliche Erklärung für die Größe urzeitlicher Insekten, aber für sich allein keine vollständige Erklärung.

Auch Arthropleura lebte in den Wäldern des Karbons, gehörte jedoch zu einer anderen Gruppe von Gliederfüßern. Ihre Länge kann nicht belegen, dass Insekten dieselbe Größe erreichten. Der Bericht von Museum Wales über Arthropleura (öffnet sich in einem neuen Tab) behandelt neben den Anforderungen an den Sauerstofftransport bei Gliederfüßern auch die statischen Herausforderungen eines großen Außenskeletts. Mehr Sauerstoff könnte das Tracheensystem entlasten, doch das Außenskelett musste das Tier trotzdem tragen.

Ein größeres Insekt müsste mit seinem Atmungsnetz Gewebe versorgen, das weiter von der Körperoberfläche entfernt liegt, und sein Außenskelett müsste einen schwereren Körper tragen. Zum Wachstum gehört außerdem die Häutung: Ein Insekt muss seine starre Außenhülle ersetzen, während es wächst, statt sie einfach wie Haut zu dehnen. Stärkere Muskeln allein würden keines dieser Probleme lösen, wenn sie den Sauerstoff, den sie verbrauchen, nicht bekommen könnten.

Das sind Einschränkungen für die Größe von Insekten, keine bewiesene absolute Obergrenze. Ein menschgroßes Insekt bräuchte mehr als übergroße Beine: Sein Körperbau müsste Sauerstoffversorgung, Stabilität und Wachstum gemeinsam bewältigen. Unter der Hülle eines Insekts verjüngen sich verzweigte Tracheen zu den Geweben hin – wie die kleinsten Äste eines Baums, die in die Zwischenräume hineinreichen, in denen lebende Zellen Luft benötigen.