Чому комахи не можуть вирости до розміру людини?

Комахам важко вирости до розміру людини, бо їхнім розгалуженим повітряним трубкам складно постачати кисень, коли тіло збільшується. У викопної Meganeura monyi розмах крил становив 70 cm (2.3 ft) — приблизно у 2.3 раза більше за довжину звичайної лінійки завдовжки 30 cm.

Доісторичні велетні все ж не були комахами розміром із людину

Meganeura була літаючою комахою, спорідненою із сучасними бабками. Розмах її крил показує, наскільки широко вони розходилися, а не довжину тіла. В описі велетенських бабок від Музею природознавства (відкривається в новій вкладці) розповідається про цю комаху кам’яновугільного періоду, яка жила за незвично високого вмісту кисню в атмосфері.

Titanomyrma giganteum дає інше уявлення про розміри давніх комах. Довжина тіла її матки становила 5 cm (2 in) — приблизно у 8.3 раза більше за довжину довгого зернятка рису. Це вимірювання тіла, на відміну від розмаху крил Meganeura, тож ці дві скам’янілості демонструють різні параметри, а не приклади однакових вимірювань довжини тіла.

Ще одна доісторична членистонога тварина, Arthropleura armata, сягала 2.6 m (8.5 ft) від голови до хвоста — приблизно у 1.3 раза більше за висоту звичайного дверного отвору. Arthropleura була велетенською родичкою багатоніжок, а не комахою. Вона показує, наскільки великою могла вирости доісторична членистонога тварина, але її не можна вважати комахою розміром із людину.

Повітря надходить до комахи розгалуженими трубками

Дихальна система комахи з повітряними трубками починається з отворів уздовж її тіла. Ці отвори з’єднані з розгалуженими трубками, які називаються трахеями. Вони розгалужуються на дедалі тонші ходи, що підводять повітря близько до тканин. На відміну від ссавців, комахи не покладаються на легені й кров, які розносять кисень тілом: трахейна система проводить повітря від поверхні тіла всередину.

На найтонших кінцях цієї системи кисень потрапляє до клітин шляхом дифузії. Молекули поширюються з місць, де їх більше, до місць, де їх менше. Тонкі відгалуження підводять повітря близько до м’язів і органів, тож кисню не потрібно долати шлях від центральної легені через усе тіло.

Ця система не завжди працює пасивно. Деякі комахи рухають черевцем або скорочують м’язи, щоб вентилювати частини трахейної системи й проштовхувати крізь неї повітря. Викопні рештки Meganeura не можуть точно показати, як вона вентилювала тіло, але її крила належали комасі, що користувалася цією базовою системою трубок. Активна вентиляція може переміщати повітря ходами, але не усуває труднощів із доставленням кисню до тканин, розташованих глибоко у більшому тілі.

Зі збільшенням тіла доставляти кисень стає важче

Уявімо, що комаху збільшили, не змінюючи її основної будови: повітря, як і раніше, надходить через отвори зовні, а потім рухається розгалуженими шляхами до тканин. Що далі тканина від отвору, то довший шлях має подолати кисень. На довших шляхах дифузія відбувається повільніше, а у більшому тілі більше тканин, які споживають кисень.

Особливо важливо це для активних м’язів. Польотним м’язам потрібен кисень, щоб вивільняти енергію, і літаюча комаха має постачати його, поки вони працюють. Тонші відгалуження можуть підводити повітря ближче до цих м’язів, але вся система має вміститися всередині тіла й з’єднуватися з отворами назовні. Вона не може усунути відстань між зовнішнім покривом і кожною глибше розташованою тканиною.

Довжина тіла матки Titanomyrma становила 5 cm; у комахи розміром із людину кисень мав би проникати набагато глибше в тіло. Це порівняння не означає, що Titanomyrma визначала точну максимальну межу. Воно показує, як зі збільшенням тіла загострюється проблема відстані: глибоко розташованим тканинам потрібне надійне постачання кисню, хоча шлях від поверхні стає довшим.

Кисень міг підвищити межу, але залишаються й інші обмеження

Meganeura жила в кам’яновугільному періоді, коли вміст кисню в атмосфері був незвично високим. Більша кількість кисню в навколишньому повітрі могла допомогти трахейній системі постачати його великій комасі. У дослідженні зв’язку між вмістом кисню в атмосфері та розмірами комах (відкривається в новій вкладці) розглядається цей зв’язок. Вищий вміст кисню — один із можливих чинників великих розмірів доісторичних комах, але сам по собі він не пояснює їх повністю.

Arthropleura також жила в кам’яновугільних лісах, але належала до іншої еволюційної гілки членистоногих. Її довжина не доводить, що комахи сягали таких самих розмірів. В описі Arthropleura від Музею Уельсу (відкривається в новій вкладці) розглядаються перенесення кисню у членистоногих і водночас структурні вимоги до великого зовнішнього скелета. Більша кількість кисню могла полегшити роботу трахейної системи, але зовнішній скелет усе одно мав підтримувати тіло тварини.

Дихальна система більшої комахи мала б постачати кисень тканинам, розташованим далі від поверхні тіла, а її зовнішній скелет мав би підтримувати важче тіло. Зростання також передбачає линяння: комаха повинна замінювати свій твердий зовнішній покрив у міру росту, а не просто розтягувати його, як шкіру. Самі лише сильніші м’язи не розв’язали б жодної з цих проблем, якби вони не могли отримувати кисень для роботи.

Це обмеження розміру комах, а не доведена абсолютна межа. Комасі розміром із людину були б потрібні не просто велетенські ноги: її будова мала б водночас забезпечувати постачання кисню, підтримку тіла й ріст. Під панциром комахи розгалужені трахеї звужуються в напрямку тканин, немов найтонші гілки дерева, що сягають місць, де живим клітинам потрібне повітря.