Первые насекомые на Земле были огромными, и ученые до сих пор не знают, почему

Фото из открытых источников

Земля 300 миллионов лет назад... Континенты слились в Пангею. Густые угольные болотистые леса раскинулись по тропикам. Из-за высокого содержания кислорода в воздухе часто вспыхивали лесные пожары.

На суше земноводные и ранние рептилии делили пространство с ползающими членистоногими и гигантскими тараканами. А над всем этим небом господствовали насекомые – в том числе и те, чьи названия по современным меркам звучат почти карикатурно.

В те времена существовали насекомые, похожие на подёнок, с размахом крыльев около 45 см, и хищники, похожие на стрекоз, с размахом крыльев около 70 см. Этих родственников стрекоз часто называют «грифонами», а их окаменелости впервые были обнаружены в виде тонких отпечатков в мелкозернистых породах в Канзасе почти столетие назад.

На протяжении десятилетий господствовало простое объяснение: гигантские насекомые стали возможны потому, что уровень кислорода в атмосфере был намного выше, чем сегодня.

В новой статье, написанной под руководством Эдварда Снеллинга из Университета Претории в соавторстве с исследователями из Университета штата Аризона, утверждается, что эта классическая история не выдерживает критики – по крайней мере, не в том виде, в каком её считали раньше. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature.

Идея «высокое содержание кислорода = гигантские насекомые» получила распространение в конце XX века. В 1980-х годах геохимики разработали инструменты для реконструкции состава древней атмосферы, и эти реконструкции показали поразительный пик содержания кислорода около 300 миллионов лет назад.

Затем в статье 1995 года в журнале Nature было отмечено нечто, что казалось слишком идеальным, чтобы быть совпадением: пик концентрации кислорода совпал с эпохой гигантских насекомых.

Логика казалась убедительной, потому что насекомые дышат совсем иначе, чем млекопитающие и птицы. У них нет легких. Они полагаются на трахеальную систему — разветвленную сеть трубок, которая доставляет кислород непосредственно к тканям.

На самом мелком уровне находятся крошечные трубочки, называемые трахеолами, через которые кислород поступает в клетки в основном путем диффузии по градиентам концентрации. Летательные мышцы, которые потребляют огромное количество кислорода, казались очевидным узким местом.

Поэтому учёные предположили, что гигантское летающее насекомое в современной атмосфере будет испытывать дефицит кислорода. При современном уровне кислорода диффузия через трахеолы не сможет удовлетворить потребности массивных летательных мышц.

Более высокое содержание кислорода в прошлом могло сыграть решающую роль, позволяя самым крупным насекомым «получать достаточно воздуха» для полета.

Это было убедительное объяснение, поскольку оно соответствовало как биологическим процессам, так и временным рамкам. Кроме того, оно отличалось приятной простотой: при повышении уровня кислорода насекомые увеличиваются в размерах; при понижении уровня кислорода насекомые уменьшаются в размерах.

Снеллинг и его коллеги взяли эту давнюю идею и задали практический вопрос. Если кислород действительно ограничивает максимальный размер насекомых, то у гигантских насекомых должна наблюдаться сильная анатомическая «компенсация» в системе доставки кислорода, особенно в трахеолах внутри летательных мышц.

Другими словами, если транспорт кислорода является жестким пределом, то эволюция должна была подтолкнуть крупных насекомых к значительным инвестициям в трахеолы. Это означало бы размещение большего их количества в летательных мышцах, чтобы достаточное количество кислорода могло достигать клеток, нуждающихся в энергии.

Для проверки этого предположения команда использовала мощную электронную микроскопию, чтобы измерить, какая часть летательной мышцы фактически занята трахеолами у насекомых разного размера.

Они также распространили анализ на ископаемых гигантов, включая грифонов, достигавших двух футов и более в длину, сравнивая ожидаемые закономерности масштабирования.

Результаты исследований оказались на удивление последовательными: трахеолы занимают примерно столько же места, сколько один человек или меньше летательных мышц у большинства видов, и эта закономерность сохраняется даже применительно к древним гигантам.

В этом и заключается ключевой момент. Если трахеолы занимают такую ничтожно малую долю летательных мышц, у насекомых достаточно физического «пространства», чтобы добавить еще, если бы подача кислорода действительно была ограничивающим фактором.

«Если содержание кислорода в атмосфере действительно ограничивает максимальный размер тела насекомых, то должны быть доказательства компенсации на уровне трахеол», — сказал Снеллинг. «Некоторая компенсация происходит у более крупных насекомых, но в масштабах всего мира она незначительна».

Проведенное группой исследователей сравнение весьма показательно. У птиц и млекопитающих капилляры в сердечной мышце занимают гораздо больше места, чем трахеолы насекомых в летательных мышцах. Это говорит о том, что животные могут и действительно вкладывают значительные средства в структуры, доставляющие кислород, когда это необходимо.

У птиц и млекопитающих капилляры занимают в сердечной мышце гораздо больше места, чем трахеолы в летательных мышцах насекомых — примерно в десять раз больше. Это говорит о том, что насекомые могли бы значительно расширить свои трахеолы, если бы кислород действительно ограничивал их размер.

В исследовании не утверждается, что кислород не имеет отношения к физиологии насекомых. Кислород, очевидно, важен. Но оно оспаривает очень специфическую версию событий: что пределы диффузии в трахеолах летательных мышц устанавливают жесткий максимальный размер для летающих насекомых при современном уровне кислорода.

Авторы утверждают, что их данные делают это конкретное ограничение маловероятным. Если трахеолы занимают лишь около одного процента мышечной ткани, у насекомых есть значительные возможности для увеличения плотности трахеол при необходимости.

В этом смысле летательные мышцы не выглядят так, будто они находятся на краю кислородного обрыва. Тем не менее, в статье также признается, что некоторые ученые по-прежнему считают, что кислород может устанавливать ограничения в других местах – выше по течению в трахеальной системе или в других частях тела.

Таким образом, более широкая гипотеза «кислород имеет значение» может быть не утратила своей актуальности во всех своих формах. Но новые результаты ставят серьезную трещину в ее самой популярной и интуитивно понятной версии.

Если кислород не является основным ограничивающим фактором, возникает более интересный вопрос: почему сегодня не существует насекомых размером с грифона? Авторы указывают на другие возможности. Одна из них — экология. Хищные позвоночные животные претерпели значительные изменения с течением времени.

Впоследствии появились птицы, гораздо позже — летучие мыши, а воздушные экосистемы стали гораздо более густонаселены животными, способными эффективно охотиться на крупных летающих насекомых.

Ещё один фактор — биомеханика. У насекомых скелет находится снаружи. Прочность, вес и структурная поддержка экзоскелета могут стать ограничивающими факторами при больших размерах, особенно для полёта.

Другими словами, гигантские насекомые, возможно, исчезли не из-за изменения воздуха. Возможно, они исчезли из-за изменения окружающего их мира. Это включает в себя изменения в составе хищников, конкуренцию в небе и физические ограничения, связанные с созданием летающего тела из экзоскелета.

Каким бы ни оказался окончательный ответ, новое исследование меняет ход поисков. Ученые больше не могут просто указать на кислород и на этом остановиться.

Эти огромные насекомые существовали, они летали, и их летательные мышцы не выглядят ограниченными трахеолярной диффузией. Поэтому истинная причина, по которой грифоны когда-то господствовали в воздухе, а теперь исчезли, до сих пор остается невыясненной.