Dlaczego owady nie mogą osiągać ludzkich rozmiarów?

Owady nie mogą łatwo osiągać ludzkich rozmiarów, ponieważ ich rozgałęzione rurki powietrzne mają trudności z dostarczaniem tlenu, gdy ich ciała stają się większe. Skamieniałość Meganeura monyi miała rozpiętość skrzydeł 70 cm (2.3 ft), czyli około 2.3 razy więcej niż długość standardowej linijki o długości 30 cm.

Prehistoryczne olbrzymy wciąż nie były owadami wielkości człowieka

Meganeura była latającym owadem spokrewnionym ze współczesnymi ważkami. Jej rozpiętość skrzydeł pokazuje, jak daleko sięgały skrzydła, a nie jak długie było jej ciało. Opis Muzeum Historii Naturalnej dotyczący olbrzymich ważek (otwiera się w nowej karcie) przedstawia tego karbońskiego owada, który żył w czasach, gdy poziom tlenu w atmosferze był wyjątkowo wysoki.

Titanomyrma giganteum pokazuje inny obraz rozmiarów dawnych owadów. Ciało jej królowej miało 5 cm (2 in) długości, czyli około 8.3 razy więcej niż długość długiego ziarenka ryżu. To pomiar długości ciała, w przeciwieństwie do rozpiętości skrzydeł Meganeury, więc te dwie skamieniałości ukazują różne wymiary, a nie dwa porównywalne przykłady długości ciała.

Inny prehistoryczny stawonóg, Arthropleura armata, osiągał 2.6 m (8.5 ft) od głowy do końca ogona, czyli około 1.3 razy więcej niż wysokość standardowych drzwi. Arthropleura była olbrzymim krewniakiem krocionogów, a nie owadem. Pokazuje, jak duży mógł urosnąć prehistoryczny stawonóg, ale nie można jej zaliczyć do owadów wielkości człowieka.

Układ rurek powietrznych owada jest rozgałęziony

Układ oddechowy owada oparty na rurkach powietrznych zaczyna się od otworów rozmieszczonych wzdłuż ciała. Łączą się one z rozgałęzionymi rurkami zwanymi tchawkami, które dzielą się na coraz drobniejsze kanaliki doprowadzające powietrze blisko tkanek. W przeciwieństwie do ssaków owady nie polegają na płucach i krwi, by rozprowadzać tlen po ciele; sieć tchawkowa doprowadza powietrze od powierzchni ciała do jego wnętrza.

Na najdrobniejszych końcach tej sieci tlen przenika do komórek na drodze dyfuzji. Cząsteczki przemieszczają się z miejsc, w których jest ich więcej, do miejsc, w których jest ich mniej. Drobne odgałęzienia doprowadzają powietrze blisko mięśni i narządów, więc tlen nie musi wędrować z centralnie położonych płuc przez całe ciało.

Ten układ nie zawsze działa biernie. Niektóre owady poruszają odwłokiem lub napinają mięśnie, aby wentylować części sieci tchawkowej i przepychać przez nią powietrze. Skamieniałe szczątki Meganeury nie pokazują dokładnie, w jaki sposób wentylowała swój układ, ale jej skrzydła należały do owada korzystającego z tego podstawowego systemu rurek. Aktywna wentylacja może przepychać powietrze przez kanaliki, ale nie rozwiązuje problemu dostarczania tlenu do tkanek położonych głęboko wewnątrz większego ciała.

Wraz ze wzrostem ciała dostarczanie tlenu staje się trudniejsze

Wyobraź sobie powiększanie owada przy zachowaniu tego samego podstawowego planu budowy: powietrze wciąż dostaje się przez otwory na zewnątrz, a następnie podąża rozgałęzionymi drogami w stronę tkanek. Im dalej tkanka leży od otworu, tym dłuższą drogę musi pokonać tlen. Dyfuzja zachodzi wolniej na dłuższych odcinkach, a większe ciało zawiera więcej zużywających tlen tkanek.

Jest to szczególnie ważne w przypadku aktywnych mięśni. Mięśnie lotne potrzebują tlenu, by uwalniać energię, a latający owad musi dostarczać im tlen podczas pracy. Gęstsza sieć odgałęzień może doprowadzić powietrze bliżej tych mięśni, ale musi się zmieścić w ciele i łączyć z otworami. Nie sprawi, że zniknie odległość między zewnętrzną powłoką a każdą położoną głębiej tkanką.

Ciało królowej Titanomyrmy miało 5 cm długości; w ciele owada wielkości człowieka tlen musiałby docierać znacznie dalej. To porównanie nie oznacza, że Titanomyrma wyznacza stałą maksymalną wielkość. Pokazuje, jak wraz ze wzrostem ciała narasta problem odległości: głębiej położone tkanki nadal potrzebują niezawodnego zaopatrzenia, choć droga od zewnętrznej powierzchni staje się dłuższa.

Tlen mógł podnosić granicę, ale pozostawały też inne ograniczenia

Meganeura żyła w karbonie, gdy poziom tlenu w atmosferze był wyjątkowo wysoki. Większa ilość tlenu w otaczającym powietrzu mogła ułatwiać układowi tchawkowemu zaopatrywanie dużego owada. Badanie związku między poziomem tlenu w atmosferze a rozmiarami owadów (otwiera się w nowej karcie) analizuje tę zależność. Wyższy poziom tlenu to jeden z proponowanych czynników, które mogły przyczynić się do dużych rozmiarów prehistorycznych owadów, ale sam w sobie nie wyjaśnia wszystkiego.

Arthropleura również żyła w karbońskich lasach, ale należała do innej linii ewolucyjnej stawonogów. Jej długość nie dowodzi, że owady osiągały takie same rozmiary. Opis Arthropleury w Muzeum Walii (otwiera się w nowej karcie) omawia transport tlenu u stawonogów oraz wymagania konstrukcyjne związane z dużym egzoszkieletem. Większa ilość tlenu mogła zmniejszyć obciążenie układu tchawkowego, ale egzoszkielet nadal musiał podtrzymywać zwierzę.

Większy owad potrzebowałby sieci oddechowej dostarczającej tlen do tkanek położonych dalej od powierzchni ciała, a jego zewnętrzny szkielet musiałby podtrzymywać cięższe ciało. Wzrost wiąże się też z linieniem: owad musi wymieniać sztywną zewnętrzną powłokę, gdy rośnie, zamiast po prostu ją rozciągać jak skórę. Same silniejsze mięśnie nie rozwiązałyby żadnego z tych problemów, gdyby nie mogły otrzymywać zużywanego przez siebie tlenu.

Są to ograniczenia rozmiarów owadów, a nie dowód na istnienie bezwzględnej granicy. Owad wielkości człowieka potrzebowałby czegoś więcej niż tylko przerośniętych nóg: jego plan budowy musiałby jednocześnie zapewniać dopływ tlenu, podparcie i wzrost. Pod pancerzem owada tchawki rozgałęziają się i zwężają w stronę tkanek, niczym najdrobniejsze gałązki drzewa sięgające do przestrzeni, w których żywe komórki potrzebują powietrza.