Ранее исследователи предполагали, что огромные стрекозоподобные насекомые, населявшие Землю 300 миллионов лет назад, достигли таких размеров благодаря повышенному содержанию кислорода в атмосфере. В то время его концентрация составляла около 30%, в отличие от нынешних 21%. Считалось, что крупные насекомые не смогли бы существовать в современной атмосфере. Однако последние данные свидетельствуют об обратном.
Кислород поступает в ткани насекомых посредством пассивной диффузии. Это означает, что молекулы кислорода из окружающей среды проникают в тело и перемещаются сами, от участков с высокой концентрацией к областям с низкой. Этот процесс происходит через небольшие трубочки, известные как трахеолы.
Авторы работы, опубликованной в Nature, провели масштабное исследование насекомых. Они проанализировали 1320 электронно-микроскопических снимков летательных мышц 44 видов насекомых из десяти отрядов. Измерив, сколько места занимают трахеолы в мышцах, группа ученых пришла к выводу: объем трахеол растет очень медленно. Даже при различии массы тела в 10 000 раз доля трахеол составила 0,47% у самых мелких видов и 0,83% у крупных. У большинства насекомых трахеолы занимают 1% или меньше объема мышц.
Если бы диффузия кислорода являлась основным фактором, ограничивающим размеры насекомых, то у крупных видов трахеальная система была бы значительно более развита. Расстояние, которое кислороду необходимо преодолеть до митохондрий, использующих его, увеличивается с толщиной мышц. Однако на практике у насекомых наблюдается значительный объем пространства, не занятый трахеолами.
Согласно проведенным расчетам, даже при утроении объема трахеол (с 0,6% до 1,8%) летные качества снизятся незначительно – на 2-6%. Эволюционный процесс мог бы привести к такому развитию, однако этого не произошло, что указывает на отсутствие необходимости в расширении дыхательной системы. Ученые также проанализировали этот вопрос, опираясь на данные о древнем стрекозообразном насекомом Meganeuropsis permiana массой около 100 граммов. Согласно модели, у неё трахеолы тоже занимали бы лишь около 1% объема грудных мышц.
Авторы полагают, что факторы, сдерживающие увеличение размеров насекомых, имеют иную природу. Экологические условия, трудности с рассеиванием тепла во время полета, дефицит энергии для взмахов крыльями, неэффективная доставка питательных веществ из-за открытой кровеносной системы или недостаточная прочность внешнего скелета в процессе линьки могли также препятствовать росту.
Гипотеза Грэма и соавторов, опубликованная в Nature около тридцати лет назад, устарела. Совпадение по времени пика кислорода и эпохи гигантских насекомых еще не означает причинно-следственной связи. Возможно, кислород действительно помогал, но не через диффузию в трахеолах, а какими‑то другими механизмами. Авторы подчеркивают, что они не спорят с важностью кислорода, но эволюционного запрета на гигантизм именно на уровне трахеол нет.