Около 300 миллионов лет назад Земля выглядела совсем не так, как сегодня. В то время материки были соединены в один континент под названием Пангея. Около экватора располагались обширные угольные болотные леса. Содержание кислорода в атмосфере было значительно выше сегодняшнего уровня. На этой древней земле бушевали частые лесные пожары. В океане процветала рыба, а на суше их место заняли амфибии, ранние рептилии и различные членистоногие, в том числе гигантские тараканы. А в воздухе властвовали насекомые, причем некоторые виды вырастали до огромных размеров, намного превосходящих своих современных собратьев.
Среди этих летающих насекомых есть как подёнки с размахом крыльев около 45 сантиметров, так и гигантские «стрекозоподобные» насекомые с размахом крыльев до 70 сантиметров. Эти гигантские насекомые, часто называемые «грифонами», были впервые идентифицированы по хорошо сохранившимся отпечаткам окаменелостей в мелкозернистых осадочных породах Канзаса и изучались в течение почти ста лет. Долгое время господствовало мнение, что эти огромные насекомые могли существовать, поскольку содержание кислорода в атмосфере в то время было примерно на 45% выше, чем сейчас, что обеспечивало необходимые условия для существования гигантских насекомых. Однако недавнее исследование, опубликованное в журнале Nature, бросает вызов этому классическому объяснению того, что «высокий уровень кислорода порождает гигантских насекомых».
В 1980-е годы учёные начали разрабатывать методы реконструкции состава древней атмосферы. Сопутствующие технологии показали, что около 300 миллионов лет назад произошел период значительного увеличения содержания кислорода в атмосфере. В 1995 году исследование, опубликованное в журнале Nature, официально связало этот период высокого содержания кислорода с существованием гигантских насекомых, выдвинув гипотезу о том, что «гигантским насекомым нужно больше кислорода, а среда с высоким содержанием кислорода делает возможным такой размер». Эта идея основана на уникальном способе дыхания насекомых: у насекомых нет легких, а для транспортировки кислорода они полагаются на трахеальную систему - сеть разветвленных трахей по всему телу, образующих на концах крохотные трахеолы, и кислород по градиенту концентрации диффундирует в летательные мышцы. Из-за ограниченной эффективности диффузии на большие расстояния исследователи пришли к выводу, что было бы трудно поддерживать таких огромных летающих насекомых в современных условиях с низким содержанием кислорода в атмосфере, поэтому гигантские насекомые считаются «недостижимыми» в современной атмосферной среде.
Новое исследование дает иную картину. Команда под руководством Эдварда (Неда) Снеллинга из Университета Претории использовала электронную микроскопию высокого разрешения для систематического анализа взаимосвязи между размером тела насекомых и количеством трахеальных канальцев в летательных мышцах. Они обнаружили, что у большинства видов насекомых канальцы трахеи обычно составляют не более 1% объема летательных мышц. Это правило также можно экстраполировать на гигантских «грифонов» 300 миллионов лет назад, включая тех, у кого размах крыльев превышал 60 сантиметров или даже приближался к 2 футам. Это означает, что структуры снабжения кислородом внутри летательных мышц не занимают много места, и у насекомых есть «эволюционные возможности» для увеличения количества трубочек трахеи, когда это необходимо, без необходимости платить значительные структурные затраты.
На основании этого исследовательская группа отметила, что снабжение кислородом летательных мышц насекомых принципиально не ограничивается уровнем кислорода в атмосфере. Если уровень кислорода в атмосфере действительно является «жестким верхним пределом» максимального размера насекомых, то у более крупных насекомых мы должны увидеть явное «компенсаторное увеличение» трахеальных канальцев летательных мышц. Снеллинг сказал, что хотя определенная степень компенсации действительно наблюдается у крупных насекомых, если рассматривать ее в целом, то эта компенсация весьма ограничена и далека от того, чтобы указывать на то, что содержание кислорода в атмосфере само по себе определяет верхний предел размеров тела.
Чтобы продемонстрировать это, исследователи также сравнили насекомых с птицами и млекопитающими. В сердечной мышечной ткани птиц и млекопитающих капилляры, служащие для транспортировки кислорода, занимают примерно в десять раз больше места, чем канальцы трахеи в летательных мышцах насекомых. Роджер Сеймур, профессор Университета Аделаиды, принимавший участие в исследовании, отметил, что если транспорт кислорода действительно является ключевым ограничением размера тела насекомых, то у насекомых есть потенциал «значительно увеличить» инвестиции в трахеальные канальцы, как у позвоночных, чтобы преодолеть предел размера верхней части тела. Это сравнение еще больше ослабляет единственное причинно-следственное объяснение того, что высокий уровень кислорода определяет размер тела гигантского насекомого.
Конечно, некоторые ученые предупреждают, что уровень кислорода в атмосфере не полностью «устранил подозрения». Кислород все еще может ограничивать размер тела в других частях тела насекомого или на ранних стадиях цепи транспортировки кислорода. Поэтому гипотеза о том, что «кислород ограничивает максимальный размер тела насекомых», до сих пор трудно сказать, полностью опровергнута. Однако новые исследования ясно показывают, что, по крайней мере, при диффузии трахеальных канальцев в летательные мышцы, кислород не является решающим фактором, определяющим существование гигантских насекомых. Это заставило исследователей искать другие возможные объяснения, чтобы ответить на открытый вопрос о том, как насекомые когда-то стали такими большими и почему они в конечном итоге исчезли.
В текущем обсуждении упоминаются некоторые альтернативные факторы: по мере развития эволюции численность позвоночных хищников увеличивается, а давление хищников со стороны птиц, рептилий и т. д. может оказывать глубокое влияние на эволюцию размера тела насекомых; в то же время верхний предел механической прочности экзоскелетов насекомых также может стать структурным «потолком» в определенном масштабе размеров тела, ограничивая возможность дальнейшего увеличения размеров тела. Однако этим гипотезам в настоящее время не хватает количественных доказательств, которые получили бы столь же широкое признание, как «теория гипероксии», и их все еще необходимо проверить будущими исследованиями. Не вызывает сомнений то, что этот новый анализ трубочек трахеи и летательных мышц делает загадку происхождения древних гигантских насекомых еще более запутанной.