곤충은 왜 사람만큼 크게 자랄 수 없을까?

곤충이 사람만큼 크게 자라기 어려운 이유는 몸이 커질수록 갈라져 뻗는 기관으로 산소를 공급하기가 힘들어지기 때문입니다. 화석으로 발견된 Meganeura monyi의 날개폭은 70 cm (2.3 ft)로, 표준 30 cm 자의 길이보다 약 2.3배 깁니다.

선사시대의 거대 곤충도 사람만큼 크지는 않았다

메가네우라는 오늘날의 잠자리와 가까운 관계인 날아다니는 곤충이었습니다. 날개폭은 날개가 얼마나 넓게 뻗었는지를 보여 주는 것이지, 몸의 길이를 나타내는 것은 아닙니다. 거대 잠자리에 관한 자연사박물관의 설명 (새 탭에서 열림)에 따르면, 이 석탄기 곤충은 대기 중 산소 농도가 이례적으로 높았던 시기에 살았습니다.

Titanomyrma giganteum은 고대 곤충의 크기를 다른 모습으로 보여 줍니다. 이 종의 여왕개미는 몸길이가 5 cm (2 in)로, 긴 쌀알 하나의 길이보다 약 8.3배 깁니다. 이는 메가네우라의 날개폭과 달리 몸의 길이를 잰 것이므로, 두 화석은 몸길이를 서로 비교할 수 있는 사례가 아니라 서로 다른 부위를 보여 줍니다.

또 다른 선사시대 절지동물인 Arthropleura armata는 머리부터 꼬리까지 길이가 2.6 m (8.5 ft)에 달했습니다. 표준 출입문 높이의 약 1.3배입니다. 아르트로플레우라는 거대한 노래기류의 친척이지 곤충은 아닙니다. 이 동물은 선사시대 절지동물이 얼마나 크게 자랄 수 있었는지 보여 주지만, 사람만큼 큰 곤충의 사례로 볼 수는 없습니다.

곤충의 산소 공급은 갈라지는 관을 따라 이루어진다

곤충의 기관 호흡계는 몸 곳곳에 있는 숨구멍에서 시작됩니다. 숨구멍은 기관이라고 부르는 갈라진 관과 이어지고, 기관은 더 가는 통로로 나뉘어 공기를 조직 가까이까지 전달합니다. 포유류와 달리 곤충은 산소를 온몸으로 나르는 데 폐와 혈액에 의존하지 않습니다. 기관망이 몸 표면에서 안쪽으로 공기를 전달합니다.

기관망의 가장 가는 끝부분에서는 확산을 통해 산소가 세포 안으로 이동합니다. 분자는 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 퍼집니다. 가는 가지들이 공기를 근육과 기관 가까이까지 전달하므로, 산소가 몸 한가운데의 폐에서 몸 전체를 가로질러 이동할 필요가 없습니다.

이 체계가 늘 수동적으로 작동하는 것은 아닙니다. 일부 곤충은 배를 움직이거나 근육을 수축해 기관망의 일부를 환기하고, 그 안으로 공기를 밀어 넣습니다. 메가네우라의 화석만으로는 정확히 어떻게 환기했는지 알 수 없지만, 그 날개는 이런 기본적인 관 구조를 이용하는 곤충의 것이었습니다. 능동적인 환기는 통로 안으로 공기를 이동시킬 수 있지만, 더 큰 몸속 깊은 조직까지 산소를 전달해야 하는 문제를 없애 주지는 않습니다.

몸이 커질수록 산소 공급은 따라가기 어려워진다

기본 구조는 그대로 둔 채 곤충을 크게 만든다고 상상해 보세요. 공기는 여전히 몸 바깥의 숨구멍으로 들어와 갈라진 통로를 따라 조직 쪽으로 이동합니다. 조직이 숨구멍에서 멀리 있을수록 산소가 이동해야 하는 거리는 길어집니다. 이동 거리가 길수록 확산은 느려지고, 큰 몸에는 산소를 소비하는 조직도 더 많아집니다.

활동적인 근육에서는 이 문제가 특히 중요합니다. 비행 근육은 에너지를 방출하는 데 산소가 필요하고, 날아다니는 곤충은 근육이 움직이는 동안 산소를 공급해야 합니다. 더 촘촘한 가지 구조를 만들면 공기를 근육 가까이까지 전달할 수 있지만, 그 구조는 몸 안에 들어맞아야 하고 숨구멍과도 연결되어야 합니다. 몸 바깥의 껍질과 더 깊은 곳의 모든 조직 사이에 있는 거리를 없앨 수는 없습니다.

티타노미르마 여왕개미의 몸길이는 5 cm였습니다. 사람만큼 큰 곤충이라면 몸속 훨씬 더 깊은 곳까지 산소를 보내야 합니다. 그렇다고 티타노미르마가 고정된 최대 크기를 나타낸다는 뜻은 아닙니다. 몸이 커질수록 생기는 거리 문제의 한 예입니다. 몸 바깥에서 조직까지의 경로가 길어져도 깊은 곳의 조직에는 안정적으로 산소가 공급되어야 합니다.

산소가 한계를 높일 수는 있지만, 다른 제약도 남는다

메가네우라는 대기 중 산소 농도가 이례적으로 높았던 석탄기에 살았습니다. 주변 공기에 산소가 더 많았다면 기관계가 큰 곤충에 산소를 공급하는 데 도움이 되었을 수 있습니다. 대기 중 산소 농도와 곤충 몸집에 관한 연구 (새 탭에서 열림)는 이 연관성을 살펴봅니다. 산소 농도 상승은 선사시대 곤충이 컸던 이유 가운데 하나로 제안되지만, 그것만으로 모든 것을 설명하지는 못합니다.

아르트로플레우라도 석탄기의 숲에 살았지만, 곤충과는 다른 절지동물 계통에 속했습니다. 아르트로플레우라의 길이만으로 곤충도 그만큼 컸다고 볼 수는 없습니다. 아르트로플레우라에 관한 웨일스 박물관의 설명 (새 탭에서 열림)은 큰 외골격을 지탱하는 구조적 부담과 함께 절지동물의 산소 운반을 다룹니다. 산소가 더 많으면 기관계의 부담이 줄어들 수 있지만, 외골격은 여전히 동물의 몸을 지탱해야 했습니다.

더 큰 곤충은 몸 표면에서 더 먼 조직까지 호흡 기관망으로 산소를 공급해야 하고, 바깥 골격은 더 무거운 몸을 지탱해야 합니다. 성장에는 탈피도 필요합니다. 곤충은 피부처럼 껍질을 늘이는 대신, 자라면서 단단한 바깥 껍질을 새것으로 바꿔야 합니다. 근육이 사용하는 산소를 공급하지 못한다면 근육만 더 강하게 만들어도 이런 문제는 해결되지 않습니다.

이것들은 곤충의 크기를 제한하는 요인이지, 증명된 절대적인 최대 크기는 아닙니다. 사람만큼 큰 곤충이 되려면 다리만 크게 만드는 것으로는 부족합니다. 산소 공급과 몸의 지탱, 성장을 함께 해결할 수 있는 몸 구조가 필요합니다. 곤충의 껍질 아래에서는 나무의 가장 가는 가지가 살아 있는 세포가 공기를 필요로 하는 곳까지 뻗듯이, 기관이 조직을 향해 점점 가늘어집니다.