Pourquoi les insectes ne peuvent-ils pas atteindre la taille d’un humain ?

Les insectes ne peuvent pas facilement atteindre la taille d’un humain, car leurs tubes respiratoires ramifiés peinent à leur apporter de l’oxygène à mesure que leur corps grandit. Le fossile de Meganeura monyi avait une envergure de 70 cm (2.3 ft), soit environ 2.3 fois la longueur d’une règle standard de 30 cm.

Les géants préhistoriques n’avaient toujours pas la taille d’un humain

Meganeura était un insecte volant apparenté aux libellules actuelles. Son envergure indique jusqu’où s’étendaient ses ailes, et non la longueur de son corps. Le récit du Natural History Museum consacré aux libellules géantes (s’ouvre dans un nouvel onglet) décrit cet insecte du Carbonifère, qui vivait à une époque où le taux d’oxygène dans l’atmosphère était inhabituellement élevé.

Titanomyrma giganteum donne une autre idée de la taille des insectes anciens. Le corps de sa reine mesurait 5 cm (2 in) de long, soit environ 8.3 fois la longueur d’un grain de riz long. Il s’agit d’une mesure du corps, contrairement à l’envergure de Meganeura : les deux fossiles illustrent donc des dimensions différentes, et non deux exemples comparables de longueur corporelle.

Un autre arthropode préhistorique, Arthropleura armata, atteignait 2.6 m (8.5 ft) de la tête à la queue, soit environ 1.3 fois la hauteur d’une porte standard. Arthropleura était un parent géant des mille-pattes, pas un insecte. Il montre jusqu’à quelle taille un arthropode préhistorique pouvait grandir, mais il ne peut pas être considéré comme un insecte de la taille d’un humain.

Chez les insectes, l’air circule dans des tubes ramifiés

Le système respiratoire des insectes à tubes aériens commence par des ouvertures réparties le long du corps. Celles-ci sont reliées à des tubes ramifiés appelés trachées, qui se divisent en conduits de plus en plus fins et amènent l’air près des tissus. Contrairement à un mammifère, un insecte ne dépend pas de poumons et du sang pour transporter l’oxygène dans son corps : le réseau de trachées fait pénétrer l’air depuis la surface du corps.

Aux extrémités les plus fines du réseau, l’oxygène passe dans les cellules par diffusion. Les molécules se déplacent des endroits où elles sont plus concentrées vers ceux où elles le sont moins. Les petites ramifications amènent l’air près des muscles et des organes : l’oxygène n’a donc pas à parcourir tout le corps depuis un poumon central.

Ce système n’est pas toujours passif. Certains insectes bougent leur abdomen ou contractent leurs muscles pour ventiler des parties du réseau trachéen et y faire circuler l’air. Les restes fossiles de Meganeura ne permettent pas de savoir exactement comment il ventilait son corps, mais ses ailes appartenaient à un insecte doté de ce système fondamental à base de tubes. La ventilation active peut faire circuler l’air dans les conduits ; elle ne résout pas la difficulté d’apporter de l’oxygène aux tissus situés en profondeur dans un corps plus grand.

À mesure que le corps grandit, l’apport d’oxygène peine à suivre

Imaginons qu’on agrandisse un insecte sans changer son plan d’organisation de base : l’air entre toujours par des ouvertures situées à l’extérieur, puis emprunte des ramifications en direction des tissus. Plus un tissu est éloigné d’une ouverture, plus l’oxygène doit parcourir une longue distance. La diffusion ralentit lorsque le trajet s’allonge, tandis qu’un corps plus grand contient davantage de tissus qui consomment de l’oxygène.

Cela compte tout particulièrement pour les muscles actifs. Les muscles du vol ont besoin d’oxygène pour libérer de l’énergie, et un insecte volant doit leur en fournir pendant qu’ils travaillent. Un réseau plus fin de ramifications peut amener l’air plus près de ces muscles, mais il doit tenir dans le corps et rester relié aux ouvertures. Il ne peut pas supprimer la distance entre l’enveloppe extérieure et chaque tissu plus profond.

La reine de Titanomyrma avait un corps long de 5 cm ; un insecte de la taille d’un humain aurait besoin que l’oxygène parvienne bien plus loin à l’intérieur de son corps. Cette comparaison ne signifie pas que Titanomyrma représente une limite maximale fixe. Elle illustre le problème de distance qui s’accentue avec la taille du corps : les tissus profonds ont besoin d’un apport fiable, alors que le trajet depuis l’extérieur s’allonge.

L’oxygène pouvait repousser la limite, mais d’autres contraintes subsistent

Meganeura vivait au Carbonifère, à une époque où le taux d’oxygène dans l’atmosphère était inhabituellement élevé. Une plus grande quantité d’oxygène dans l’air ambiant a pu aider le système trachéen à alimenter un grand insecte. L’étude sur l’oxygène atmosphérique et la taille des insectes (s’ouvre dans un nouvel onglet) examine ce lien. Une concentration d’oxygène plus élevée est l’un des facteurs proposés pour expliquer la taille des insectes préhistoriques, mais elle ne suffit pas à elle seule à tout expliquer.

Arthropleura vivait lui aussi dans les forêts du Carbonifère, mais appartenait à une autre lignée d’arthropodes. Sa longueur ne prouve pas que les insectes aient atteint la même taille. Le récit de Museum Wales consacré à Arthropleura (s’ouvre dans un nouvel onglet) aborde le transport de l’oxygène chez les arthropodes, ainsi que les contraintes mécaniques liées à un grand exosquelette. Davantage d’oxygène pouvait alléger la tâche du système trachéen, mais l’exosquelette devait tout de même soutenir l’animal.

Un insecte plus grand aurait besoin d’un réseau respiratoire capable d’alimenter des tissus plus éloignés de la surface du corps, et son squelette externe devrait soutenir un corps plus lourd. La croissance implique aussi la mue : un insecte doit remplacer sa carapace rigide à mesure qu’il grandit, plutôt que de simplement l’étirer comme de la peau. Des muscles plus puissants ne suffiraient pas à résoudre ces problèmes si ces muscles ne pouvaient pas recevoir l’oxygène qu’ils consomment.

Ce sont des contraintes qui limitent la taille des insectes, et non une limite absolue démontrée. Un insecte de la taille d’un humain aurait besoin de bien plus que de pattes géantes : son plan d’organisation devrait gérer ensemble l’apport en oxygène, le soutien du corps et la croissance. Sous la carapace d’un insecte, les trachées ramifiées s’amincissent en direction des tissus, comme les plus petites branches d’un arbre qui s’étendent dans les espaces où ses cellules vivantes ont besoin d’air.