Гигантизм древних насекомых: кислород ни при чём — новое исследование

Гипотеза о том, что гигантизм древних насекомых был обусловлен высоким уровнем кислорода в атмосфере, господствовала в научном сообществе почти три десятилетия. Однако новое исследование, опубликованное в журнале Nature, ставит эту точку зрения под сомнение. Ученые пришли к выводу, что объем дыхательных трубочек — трахеол — у насекомых не зависит от их размеров так, как предполагала кислородная гипотеза.

Как устроено дыхание насекомых

Кислород проникает в ткани насекомых пассивной диффузией. Молекулы поступают из окружающей среды и движутся по телу самостоятельно, из области с высокой концентрацией в область с низкой. Это движение осуществляется по тонким трубочкам, которые называют трахеолами. Именно этот механизм, по мнению сторонников кислородной гипотезы, должен был ограничивать размер насекомых: чем крупнее особь, тем сложнее доставить кислород к митохондриям.

Авторы работы провели масштабный анализ: они изучили 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.

То есть, если бы диффузия кислорода действительно ограничивала максимальный размер насекомых, у крупных видов трахеол должно было быть намного больше. Чем толще мышца, тем дальше кислороду идти до митохондрий, которые его используют. Но в реальности у насекомых остается много свободного места без трахеол.

Эволюция не пошла по пути увеличения трахеол

Расчеты показывают, что, даже если увеличить объем трахеол втрое (с 0,6% до 1,8%), летные характеристики ухудшатся всего на 2–6%. Эволюция могла бы пойти по этому пути, но не пошла, а значит, отбор не требовал наращивания дыхательной сети.

Исследователи также перенесли зависимость на древнее стрекозообразное насекомое Meganeuropsis permiana массой около 100 граммов. Согласно модели, у неё трахеолы тоже занимали бы лишь около 1% объема грудных мышц. По мнению авторов, настоящие ограничения на размер насекомых лежат в другой плоскости.

Сдерживать рост могли экологические ограничения, проблемы с отводом тепла при машущем полете, нехватка мощности для взмахов крыльями, плохая доставка «топлива» из‑за открытой кровеносной системы или недостаточная прочность экзоскелета при линьке. 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.