Почему насекомые не могут вырасти до размеров человека?

Насекомые не могут просто вырасти до размеров человека: по мере увеличения тела их ветвистым воздушным трубкам всё труднее снабжать его кислородом. Размах крыльев ископаемого Meganeura monyi составлял 70 cm (2.3 ft) — примерно в 2.3 раза больше длины обычной линейки длиной 30 cm.

Доисторические гиганты всё же не были насекомыми размером с человека

Meganeura — летающее насекомое, родственное современным стрекозам. Размах крыльев показывает, насколько далеко простирались крылья, а не длину тела. В материале Natural History Museum о гигантских стрекозах (откроется в новой вкладке) рассказывается об этом насекомом каменноугольного периода, когда уровень кислорода в атмосфере был необычно высоким.

Titanomyrma giganteum даёт другое представление о размерах древних насекомых. Длина тела её матки составляла 5 cm (2 in) — примерно в 8.3 раза больше длины длинного рисового зерна. Это длина тела, в отличие от размаха крыльев Meganeura, поэтому эти ископаемые демонстрируют разные параметры, а не два примера длины тела.

Другое доисторическое членистоногое, Arthropleura armata, достигало 2.6 m (8.5 ft) от головы до хвоста — примерно в 1.3 раза больше высоты стандартного дверного проёма. Arthropleura была гигантским родственником многоножек, а не насекомым. Она показывает, насколько крупным могло вырасти доисторическое членистоногое, но её нельзя считать насекомым размером с человека.

Воздух поступает в тело насекомого по разветвлённым трубкам

Дыхательная система насекомого с воздушными трубками начинается с отверстий на поверхности тела. Эти отверстия соединяются с разветвлёнными трубками, называемыми трахеями. Они делятся на всё более мелкие ходы, доставляющие воздух близко к тканям. В отличие от млекопитающих, насекомое не использует лёгкие и кровь для переноса кислорода по телу: трахейная сеть проводит воздух внутрь от поверхности тела.

В самых мелких ответвлениях кислород попадает в клетки путём диффузии. Молекулы распространяются из мест, где их концентрация выше, туда, где она ниже. Мелкие ответвления подводят воздух к мышцам и органам, поэтому кислороду не нужно перемещаться от центрального органа дыхания через всё тело.

Эта система не всегда работает пассивно. Некоторые насекомые двигают брюшком или используют сокращения мышц, чтобы вентилировать участки трахейной сети и прогонять по ним воздух. Ископаемые останки Meganeura не позволяют точно установить, как именно она вентилировала трахеи, но её крылья принадлежали насекомому с такой базовой системой воздушных трубок. Активная вентиляция помогает перемещать воздух по ходам, но не решает проблему доставки кислорода к тканям, расположенным глубоко внутри крупного тела.

По мере роста тела доставка кислорода отстаёт

Представьте, что насекомое увеличивается в размерах, но сохраняет тот же базовый план строения: воздух по-прежнему поступает через отверстия на поверхности, а затем движется по ветвящимся путям к тканям. Чем дальше ткань расположена от отверстия, тем дольше кислороду приходится добираться до неё. На длинных путях диффузия идёт медленнее, а в более крупном теле больше тканей, потребляющих кислород.

Особенно важно это для активных мышц. Полётным мышцам нужен кислород, чтобы высвобождать энергию, и летающее насекомое должно снабжать их кислородом во время работы. Более разветвлённая сеть может подводить воздух ближе к таким мышцам, но эта сеть должна поместиться внутри тела и соединяться с отверстиями на его поверхности. Она не может устранить расстояние между внешним покровом и всеми глубоко расположенными тканями.

Длина тела матки Titanomyrma составляла 5 cm; в теле насекомого размером с человека кислороду пришлось бы проникать гораздо дальше. Это сравнение не означает, что Titanomyrma задаёт точный предел размеров. Оно показывает, как с ростом тела увеличивается расстояние, которое нужно преодолеть: глубоким тканям требуется надёжное снабжение кислородом, хотя путь от поверхности становится длиннее.

Кислорода могло быть больше, но оставались и другие ограничения

Meganeura жила в каменноугольном периоде, когда уровень кислорода в атмосфере был необычно высоким. Большее содержание кислорода в окружающем воздухе могло помочь трахейной системе снабжать крупное насекомое. Исследование связи между содержанием кислорода в атмосфере и размерами насекомых (откроется в новой вкладке) рассматривает эту связь. Более высокий уровень кислорода — одно из возможных объяснений крупных размеров доисторических насекомых, но сам по себе он не объясняет всё.

Arthropleura тоже жила в каменноугольных лесах, но относилась к другой группе членистоногих. Её длина не доказывает, что насекомые достигали таких же размеров. В материале Museum Wales об Arthropleura (откроется в новой вкладке) обсуждаются перенос кислорода у членистоногих и требования, которые предъявляет крупный экзоскелет. Больше кислорода могло облегчить работу трахейной системы, но экзоскелет всё равно должен был поддерживать тело животного.

Крупному насекомому потребовалась бы дыхательная сеть, способная снабжать ткани, расположенные дальше от поверхности тела, а наружный скелет должен был бы выдерживать более тяжёлое тело. Рост также связан с линькой: по мере роста насекомому нужно заменять жёсткий наружный покров, а не просто растягивать его, как кожу. Одни лишь сильные мышцы не решили бы ни одной из этих проблем, если бы не могли получать используемый ими кислород.

Это ограничения размеров насекомых, а не доказательство существования абсолютного максимума. Насекомому размером с человека нужны были бы не просто огромные ноги: его тело должно было бы одновременно справляться со снабжением кислородом, опорой и ростом. Под покровом насекомого ветвящиеся трахеи сужаются по направлению к тканям, словно самые тонкие ветви дерева, проникающие туда, где живым клеткам нужен воздух.