Mengapa serangga tak bisa tumbuh sebesar manusia?

Serangga sulit tumbuh hingga sebesar manusia karena tabung udara bercabang di tubuhnya kesulitan memasok oksigen seiring tubuh membesar. Fosil Meganeura monyi memiliki rentang sayap 70 cm (2.3 ft), sekitar 2.3 kali panjang penggaris standar berukuran 30 cm.

Raksasa prasejarah tetap bukan serangga sebesar manusia

Meganeura adalah serangga terbang yang berkerabat dengan capung modern. Rentang sayapnya menunjukkan sejauh mana sayapnya membentang, bukan panjang tubuhnya. Uraian Natural History Museum tentang capung raksasa (dibuka di tab baru) membahas serangga dari periode Karbon ini, yang hidup saat kadar oksigen atmosfer sangat tinggi.

Titanomyrma giganteum memberikan gambaran berbeda tentang ukuran serangga purba. Panjang tubuh ratunya 5 cm (2 in), sekitar 8.3 kali panjang sebutir beras berbulir panjang. Ini adalah ukuran tubuh, tidak seperti rentang sayap Meganeura, sehingga kedua fosil itu menunjukkan dimensi yang berbeda, bukan contoh yang sama-sama mengukur panjang tubuh.

Artropoda prasejarah lainnya, Arthropleura armata, mencapai panjang 2.6 m (8.5 ft) dari kepala hingga ekor, sekitar 1.3 kali tinggi pintu standar. Arthropleura adalah kerabat kaki seribu raksasa, bukan serangga. Hewan ini menunjukkan seberapa besar artropoda prasejarah dapat tumbuh, tetapi tidak bisa dianggap sebagai serangga sebesar manusia.

Pasokan udara serangga mengalir melalui tabung-tabung bercabang

Sistem pernapasan serangga yang menggunakan tabung udara bermula dari lubang-lubang di sepanjang tubuhnya. Lubang-lubang ini terhubung dengan tabung bercabang yang disebut trakea, yang bercabang lagi menjadi saluran-saluran lebih halus untuk membawa udara mendekati jaringan tubuh. Tidak seperti mamalia, serangga tidak mengandalkan paru-paru dan darah untuk mengedarkan oksigen ke seluruh tubuh; jaringan trakea membawa udara masuk dari permukaan tubuh.

Di ujung terkecil jaringan ini, oksigen masuk ke dalam sel melalui difusi. Molekul menyebar dari tempat dengan konsentrasi lebih tinggi ke tempat dengan konsentrasi lebih rendah. Cabang-cabang kecil membawa udara mendekati otot dan organ, sehingga oksigen tidak perlu menempuh perjalanan dari paru-paru pusat melintasi seluruh tubuh.

Sistem ini tidak selalu bekerja secara pasif. Beberapa serangga menggerakkan perutnya atau menggunakan gerakan otot untuk mengalirkan udara ke bagian-bagian jaringan trakea, mendorong udara melewatinya. Sisa-sisa fosil Meganeura tidak dapat menunjukkan dengan tepat bagaimana hewan itu mengalirkan udara, tetapi sayapnya adalah milik serangga yang menggunakan sistem dasar berbasis tabung ini. Ventilasi aktif dapat menggerakkan udara melalui saluran, tetapi tidak menghilangkan tantangan untuk mengirimkan oksigen ke jaringan jauh di dalam tubuh yang lebih besar.

Saat tubuh membesar, pengiriman oksigen makin sulit

Bayangkan seekor serangga diperbesar dengan tetap mempertahankan rancangan dasar yang sama: udara tetap masuk melalui lubang di bagian luar, lalu mengikuti jalur-jalur bercabang menuju jaringan tubuh. Semakin jauh letak suatu jaringan dari lubang, semakin jauh pula oksigen harus menempuh perjalanan. Difusi berlangsung lebih lambat pada jalur yang lebih panjang, sementara tubuh yang lebih besar memiliki lebih banyak jaringan yang mengonsumsi oksigen.

Hal ini sangat penting bagi otot yang aktif. Otot penerbangan membutuhkan oksigen untuk melepaskan energi, dan serangga terbang harus memasok oksigen saat otot-otot itu bekerja. Jaringan cabang yang lebih halus dapat membawa udara lebih dekat ke otot-otot tersebut, tetapi jaringan itu harus muat di dalam tubuh dan tetap terhubung dengan lubang-lubang di permukaan. Jaringan itu tidak dapat menghilangkan jarak antara bagian luar tubuh dan setiap jaringan yang lebih dalam.

Panjang tubuh ratu Titanomyrma adalah 5 cm; oksigen pada serangga sebesar manusia harus mencapai bagian tubuh yang jauh lebih dalam. Perbandingan ini bukan berarti Titanomyrma menandai batas maksimum yang pasti. Perbandingan tersebut menunjukkan jenis masalah jarak yang membesar seiring tubuh: jaringan yang lebih dalam membutuhkan pasokan yang andal, sementara jalur dari bagian luar tubuh makin panjang.

Oksigen dapat menaikkan batas, tetapi kendala lain tetap ada

Meganeura hidup pada periode Karbon, saat kadar oksigen atmosfer sangat tinggi. Lebih banyak oksigen di udara sekitarnya mungkin telah membantu sistem trakea memasok oksigen bagi serangga besar. Penelitian tentang oksigen atmosfer dan ukuran tubuh serangga (dibuka di tab baru) mengkaji kaitan tersebut. Kadar oksigen yang lebih tinggi adalah salah satu faktor yang diduga berkontribusi terhadap ukuran serangga prasejarah, bukan penjelasan lengkap dengan sendirinya.

Arthropleura juga hidup di hutan Karbon, tetapi termasuk dalam garis keturunan artropoda yang berbeda. Panjangnya tidak dapat menunjukkan bahwa serangga mencapai ukuran yang sama. Uraian Museum Wales tentang Arthropleura (dibuka di tab baru) membahas pengangkutan oksigen pada artropoda serta tuntutan struktural kerangka luar yang besar. Oksigen yang lebih banyak dapat meringankan beban kerja sistem trakea, tetapi kerangka luar tetap harus menopang hewan itu.

Serangga yang lebih besar membutuhkan jaringan pernapasan yang mampu melayani jaringan tubuh yang lebih jauh dari permukaan, dan kerangka luarnya harus menopang tubuh yang lebih berat. Pertumbuhan juga melibatkan pergantian kulit: serangga harus mengganti kerangka luar yang kaku saat tumbuh, bukan sekadar meregangkannya seperti kulit. Otot yang lebih kuat saja tidak akan menyelesaikan masalah-masalah ini jika otot tersebut tidak bisa memperoleh oksigen yang digunakannya.

Semua ini merupakan kendala terhadap ukuran serangga, bukan batas maksimum mutlak yang telah terbukti. Serangga sebesar manusia membutuhkan lebih dari sekadar kaki yang luar biasa besar; rancangan tubuhnya harus mampu mengatur pasokan oksigen, penopang tubuh, dan pertumbuhan secara bersamaan. Di balik cangkang serangga, trakea bercabang makin mengecil menuju jaringan tubuh, seperti ranting-ranting terkecil pada pohon yang menjangkau ruang tempat sel-sel hidupnya membutuhkan udara.