Perché gli insetti non possono raggiungere le dimensioni umane?

Gli insetti non possono facilmente raggiungere le dimensioni umane perché i loro tubi respiratori ramificati faticano a fornire ossigeno man mano che il corpo diventa più grande. Il fossile di Meganeura monyi aveva un’apertura alare di 70 cm (2.3 ft), circa 2.3 volte la lunghezza di un righello standard da 30 cm.

I giganti preistorici non erano comunque insetti grandi come esseri umani

Meganeura era un insetto volante imparentato con le moderne libellule. La sua apertura alare indica quanto si estendevano le ali, non la lunghezza del corpo. La scheda del Natural History Museum sulle libellule giganti (si apre in una nuova scheda) descrive questo insetto del Carbonifero, vissuto quando i livelli di ossigeno atmosferico erano insolitamente elevati.

Titanomyrma giganteum offre un’altra immagine delle dimensioni degli insetti antichi. Il corpo della sua regina era lungo 5 cm (2 in), circa 8.3 volte la lunghezza di un chicco di riso a grana lunga. Si tratta della misura del corpo, a differenza dell’apertura alare di Meganeura: i due fossili mostrano quindi dimensioni diverse, non esempi confrontabili della lunghezza del corpo.

Un altro artropode preistorico, Arthropleura armata, raggiungeva 2.6 m (8.5 ft) dalla testa alla coda, circa 1.3 volte l’altezza di una porta standard. Arthropleura era un gigantesco parente dei millepiedi, non un insetto. Mostra quanto potesse diventare grande un artropode preistorico, ma non può essere considerato un insetto grande come un essere umano.

L’aria raggiunge il corpo dell’insetto attraverso tubi ramificati

Il sistema respiratorio degli insetti basato su tubi inizia da aperture disposte lungo il corpo. Queste aperture sono collegate a tubi ramificati chiamati trachee, che si dividono in passaggi sempre più sottili e portano l’aria vicino ai tessuti. A differenza di un mammifero, un insetto non si affida ai polmoni e al sangue per trasportare l’ossigeno nel corpo: la rete tracheale fa entrare l’aria dalla superficie corporea.

Alle estremità più sottili della rete, l’ossigeno raggiunge le cellule per diffusione. Le molecole si spostano dalle zone in cui sono più concentrate verso quelle in cui lo sono meno. Le ramificazioni più piccole portano l’aria vicino ai muscoli e agli organi, così l’ossigeno non deve attraversare tutto il corpo partendo da un polmone centrale.

Il sistema non è sempre passivo. Alcuni insetti muovono l’addome o usano i muscoli per ventilare parti della rete tracheale, spingendovi l’aria. I resti fossili di Meganeura non possono mostrare esattamente come ventilasse, ma le sue ali appartenevano a un insetto che usava questo sistema di base fatto di tubi. La ventilazione attiva può far circolare l’aria nei passaggi, ma non elimina la difficoltà di portare ossigeno ai tessuti situati in profondità in un corpo più grande.

Quando il corpo cresce, fornire ossigeno diventa più difficile

Immagina di ingrandire un insetto mantenendo la stessa struttura di base: l’aria entra ancora da aperture esterne e poi segue percorsi ramificati verso i tessuti. Più un tessuto è lontano da un’apertura, più lontano deve viaggiare l’ossigeno. La diffusione rallenta quando il percorso si allunga, mentre un corpo più grande contiene più tessuti che consumano ossigeno.

Questo è particolarmente importante per i muscoli attivi. I muscoli del volo hanno bisogno di ossigeno per liberare energia e un insetto in volo deve rifornirli mentre lavorano. Una rete di ramificazioni più fitte può portare l’aria più vicino a quei muscoli, ma deve trovare spazio nel corpo e collegarsi alle aperture. Non può annullare la distanza tra l’involucro esterno e tutti i tessuti più profondi.

La regina di Titanomyrma aveva un corpo lungo 5 cm; in un insetto grande come un essere umano l’ossigeno dovrebbe raggiungere punti molto più lontani all’interno del corpo. Il confronto non significa che Titanomyrma rappresenti un limite massimo preciso. Illustra il tipo di problema legato alle distanze che aumenta con le dimensioni del corpo: i tessuti più profondi hanno bisogno di un apporto affidabile anche se il percorso dall’esterno diventa più lungo.

Più ossigeno può alzare il limite, ma restano altri vincoli

Meganeura visse durante il Carbonifero, quando i livelli di ossigeno atmosferico erano insolitamente elevati. Una maggiore quantità di ossigeno nell’aria circostante potrebbe aver aiutato il sistema tracheale a rifornire un insetto di grandi dimensioni. Lo studio sul rapporto tra ossigeno atmosferico e dimensioni degli insetti (si apre in una nuova scheda) esamina questo legame. Una maggiore concentrazione di ossigeno è una delle possibili cause delle grandi dimensioni degli insetti preistorici, ma da sola non fornisce una spiegazione completa.

Anche Arthropleura viveva nelle foreste del Carbonifero, ma apparteneva a una linea evolutiva diversa di artropodi. La sua lunghezza non dimostra che gli insetti raggiungessero le stesse dimensioni. La scheda del Museum Wales su Arthropleura (si apre in una nuova scheda) tratta il trasporto dell’ossigeno negli artropodi e le esigenze strutturali di un esoscheletro di grandi dimensioni. Più ossigeno potrebbe ridurre il carico di lavoro del sistema tracheale, ma l’esoscheletro doveva comunque sostenere l’animale.

Un insetto più grande avrebbe bisogno che la sua rete respiratoria raggiungesse tessuti più lontani dalla superficie del corpo, e il suo scheletro esterno dovrebbe sostenere un corpo più pesante. Anche la crescita comporta la muta: crescendo, un insetto deve sostituire il rigido involucro esterno invece di allungarlo semplicemente come farebbe con la pelle. Muscoli più forti, da soli, non risolverebbero nessuno di questi problemi se non potessero ricevere l’ossigeno che consumano.

Questi sono vincoli alle dimensioni degli insetti, non un limite massimo assoluto dimostrato. Un insetto grande come un essere umano avrebbe bisogno di più che zampe enormi: la struttura del suo corpo dovrebbe gestire insieme l’apporto di ossigeno, il sostegno e la crescita. Sotto l’involucro di un insetto, le trachee ramificate si assottigliano avvicinandosi ai tessuti, come i rami più piccoli di un albero che si insinuano negli spazi in cui le cellule viventi hanno bisogno d’aria.