昆虫为什么不能长到人那么大？

昆虫很难长到人那么大，因为随着身体变大，它们的分支气管难以输送足够的氧气。化石 Meganeura monyi 的翼展为 70 cm（2.3 ft），约为一把标准 30 cm 尺子长度的 2.3 倍。

史前巨型昆虫依然没有人那么大

Meganeura 是一种与现代蜻蜓亲缘相近的飞行昆虫。它的翼展显示的是双翼伸展的距离，而不是身体长度。自然历史博物馆关于巨型蜻蜓的介绍 （在新标签页中打开）介绍了这种石炭纪昆虫；那时大气中的氧气含量异常高。

Titanomyrma giganteum展现了古代昆虫体型的另一面。它的蚁后体长为 5 cm（2 in），约为一粒长粒米长度的 8.3 倍。这是身体尺寸，而 Meganeura 的数据是翼展，因此这两种化石展示的是不同维度，并非两种身体长度的对照。

另一种史前节肢动物 Arthropleura armata 从头到尾长达 2.6 m（8.5 ft），约为标准门框高度的 1.3 倍。Arthropleura 是一种巨型马陆的近亲，并不是昆虫。它说明史前节肢动物可能长到多大，但不能算作人那么大的昆虫。

昆虫通过分支气管获取氧气

昆虫的气管呼吸系统始于身体各处的开口。这些开口连通名为气管的分支管道，管道不断分叉成更细的通道，把空气送到靠近组织的地方。昆虫不像哺乳动物那样依靠肺和血液将氧气输送到全身；气管网络从身体表面将空气送入体内。

在网络最细的末端，氧气通过扩散进入细胞。分子会从浓度较高的地方扩散到浓度较低的地方。细小的分支把空气送到肌肉和器官附近，因此氧气不必从中央的肺部横穿整个身体。

这种系统并不总是被动运作。有些昆虫会活动腹部或运用肌肉运动，让气管网络的部分区域通风，把空气推送其中。Meganeura 的化石遗骸无法确切显示它如何通风，但它的翅膀属于一种采用这种基本管道式系统的昆虫。主动通风可以推动空气通过管道，却无法消除氧气难以抵达较大身体深处组织这一难题。

身体越大，氧气输送越跟不上

想象一下，在保持基本身体结构不变的情况下把昆虫放大：空气仍从身体外侧的开口进入，再沿着分支通道流向各处组织。组织离开口越远，氧气需要走的路就越长。较长的路径会让扩散变慢，而更大的身体里也有更多消耗氧气的组织。

这对活动中的肌肉尤其重要。飞行肌肉需要氧气来释放能量，飞行昆虫必须在肌肉工作的同时为它们供氧。更细密的分支网络可以把空气送到更靠近这些肌肉的地方，但网络必须容纳在身体内部，并与开口相连。它无法消除外壳与每一处深层组织之间的距离。

Titanomyrma 蚁后的体长为 5 cm；人那么大的昆虫则需要让氧气深入身体更远的地方。这种对比并不是说 Titanomyrma 划定了一个固定的体型上限，而是展示了身体变大时会出现的距离难题：即使从身体外部到组织的路径越来越长，深层组织仍需要稳定的氧气供应。

氧气可能提高上限，但其他限制依然存在

Meganeura 生活在石炭纪，当时大气中的氧气含量异常高。周围空气中更多的氧气，可能有助于气管系统为大型昆虫供氧。关于大气氧气与昆虫体型的研究 （在新标签页中打开）探讨了两者之间的联系。较高的氧气含量是解释史前昆虫体型的一种假说，但单靠它并不能完整说明原因。

Arthropleura 也生活在石炭纪森林中，但它属于另一支节肢动物。它的长度不能证明昆虫也长到了同样的尺寸。威尔士国家博物馆对 Arthropleura 的介绍 （在新标签页中打开）讨论了节肢动物的氧气输送，以及大型外骨骼带来的结构要求。更多的氧气或许能减轻气管系统的负担，但外骨骼仍必须支撑动物的身体。

更大的昆虫需要呼吸网络为离身体表面更远的组织供氧，而外骨骼也必须支撑更重的身体。生长还涉及蜕皮：昆虫长大时必须更换坚硬的外壳，而不能像皮肤那样直接伸展。如果肌肉无法获得其所需的氧气，光有更强壮的肌肉也无法解决这些问题。

这些因素限制了昆虫的体型，但并不能证明存在一个绝对上限。人那么大的昆虫需要的不只是更粗壮的腿；它的身体结构必须同时应对氧气供应、支撑和生长。昆虫外壳之下，分支气管逐渐变细，伸向各处组织，就像树木最细小的枝条探入活细胞需要空气的空间。