昆虫はなぜ人間ほどの大きさになれないの？

昆虫が人間ほどの大きさになりにくいのは、体が大きくなるにつれて、枝分かれした気管で酸素を行き渡らせるのが難しくなるためです。化石のMeganeura monyiは翼開長が70 cm (2.3 ft)で、一般的な30 cmの定規の長さのおよそ2.3倍でした。

先史時代の巨大な昆虫も人間サイズではなかった

メガネウラは、現代のトンボに近縁な飛翔昆虫でした。翼開長が示すのは翼を広げた幅であり、体の長さではありません。巨大なトンボに関するNatural History Museumの解説 （新しいタブで開きます）では、大気中の酸素濃度が異例に高かった石炭紀に生息していたこの昆虫について説明しています。

Titanomyrma giganteumは、古代の昆虫の大きさを別の視点から見せてくれます。女王の体長は5 cm (2 in)で、長粒種の米の長さのおよそ8.3倍でした。これは体の長さであり、メガネウラの翼開長とは異なります。そのため、この2つの化石は体長を同じ基準で示す例ではなく、それぞれ異なる寸法を表しています。

別の先史時代の節足動物であるArthropleura armataは、頭から尾までの長さが2.6 m (8.5 ft)に達し、一般的な出入り口の高さのおよそ1.3倍でした。アースロプレウラは巨大なヤスデの近縁種で、昆虫ではありません。これは先史時代の節足動物がどれほど大きくなり得たかを示していますが、人間サイズの昆虫の例には数えられません。

昆虫の酸素供給は枝分かれした管を通る

昆虫の気管による呼吸の仕組みは、体の表面にある開口部から始まります。開口部は気管と呼ばれる枝分かれした管につながり、気管はさらに細い通路へと分かれて、組織の近くまで空気を運びます。哺乳類とは異なり、昆虫は肺と血液で体中に酸素を運ぶのではありません。気管のネットワークが体表から内部へ空気を運びます。

ネットワークの最も細い末端では、酸素が拡散によって細胞に入ります。分子は濃度の高い場所から低い場所へ広がっていきます。細い枝が筋肉や器官の近くまで空気を運ぶため、酸素は中央の肺から体全体を横断して運ばれる必要がありません。

この仕組みが常に受動的とは限りません。昆虫の中には、腹部を動かしたり、筋肉を動かしたりして気管の一部を換気し、管の中に空気を送り込むものもいます。メガネウラの化石から、どのように換気していたかを正確に知ることはできませんが、その翼は、この基本的な管を使う仕組みを持つ昆虫のものでした。能動的な換気によって通路に空気を送り込むことはできますが、大きな体の奥深くにある組織へ酸素を届ける難しさはなくなりません。

体が大きくなると、酸素を届けにくくなる

基本的な体のつくりはそのままに昆虫を大きくするところを想像してみてください。空気は外側の開口部から入り、枝分かれした経路をたどって組織へ向かいます。組織が開口部から遠いほど、酸素が移動する距離は長くなります。移動距離が長いと拡散は遅くなり、一方で、大きな体には酸素を消費する組織も多く含まれます。

これは特に、活発に動く筋肉で重要です。飛翔筋はエネルギーを取り出すために酸素を必要とし、飛んでいる昆虫は筋肉が働いている間も酸素を供給しなければなりません。枝分かれを細かくすれば、筋肉の近くまで空気を運べますが、そのネットワークは体内に収まり、開口部までつながっていなければなりません。外骨格から体の奥にある組織までの距離そのものをなくすことはできないのです。

Titanomyrmaの女王の体長は5 cmでした。人間サイズの昆虫では、酸素を体のさらに奥まで届ける必要があります。この比較は、Titanomyrmaが絶対的な最大サイズを示すという意味ではありません。体が大きくなるにつれて問題となる距離がどのように増すかを示しています。体表からの経路が長くなる一方で、奥深くにある組織にも安定して酸素を供給しなければなりません。

酸素は限界を押し上げても、ほかの制約は残る

メガネウラが生息していたのは石炭紀で、大気中の酸素濃度は異例に高かった時代です。周囲の空気に酸素が多ければ、気管の仕組みで大型の昆虫に酸素を供給しやすくなった可能性があります。大気中の酸素と昆虫の体の大きさに関する研究 （新しいタブで開きます）では、この関連が検討されています。酸素濃度の高さは先史時代の昆虫が大きくなった要因の一つとして提案されていますが、それだけで説明がつくわけではありません。

アースロプレウラも石炭紀の森林に生息していましたが、昆虫とは異なる節足動物の系統に属していました。その体長を、昆虫も同じ大きさに達した証拠とすることはできません。Arthropleuraに関するMuseum Walesの解説 （新しいタブで開きます）では、大型の外骨格を支える構造上の負担とあわせて、節足動物の酸素輸送について論じています。酸素が多ければ気管の負担は軽くなるかもしれませんが、それでも外骨格は動物の体を支えなければなりません。

より大きな昆虫では、呼吸器のネットワークが体表から遠い組織まで酸素を届ける必要があり、外骨格も重い体を支えなければなりません。成長には脱皮も伴います。昆虫は皮膚のように外殻を伸ばすのではなく、成長に合わせて硬い外殻を新しいものに取り替える必要があります。こうした筋肉自体が使う酸素を得られないなら、筋肉だけを強くしても、どの問題も解決しません。

これらは昆虫の大きさを制限する要因ですが、証明された絶対的な上限ではありません。人間サイズの昆虫に必要なのは、脚を大きくすることだけではありません。体のつくり全体で、酸素の供給、体の支持、成長を同時に成り立たせなければならないのです。昆虫の殻の下では、枝分かれした気管が組織に向かって細くなっていきます。それは、命を支える細胞が空気を必要とする場所へ伸びる、木の細い枝のようです。