Около 300 миллионов лет назад в небе над древними лесами парили создания, по сравнению с которыми современные стрекозы — ничто. Размах крыльев у некоторых достигал 70 сантиметров, а вес — 100 граммов. Эти насекомые, известные как меганевры, или меганизоптеры, были настоящими хозяевами воздушного пространства. Почему они достигали таких размеров? Считалось, что основная причина — древняя атмосфера с высоким содержанием кислорода.
Но оказалось, что эта картина неполная. Работа, опубликованная в журнале Nature, поставила под сомнение привычное объяснение. Ученые внимательно изучили, как устроены мышцы современных летающих насекомых, и пришли к выводу: одного кислорода для гигантизма явно недостаточно. Давайте разберемся, в чем тут дело.
Как раньше объясняли размеры гигантов
Тридцать лет назад появилась простая и изящная гипотеза. Насекомые дышат иначе, чем мы: воздух поступает через систему трубок — трахей, которые ветвятся до крошечных трахеол. Кислород доходит до тканей только за счет диффузии, без активной прокачки на всем протяжении. Чем крупнее тело, тем длиннее путь, тем сложнее доставить нужное количество газа к мощным летательным мышцам. Ученые предположили, что в эпоху с 30% кислорода в воздухе диффузия шла легче и насекомые могли быть значительно больше современных. Когда же уровень газа упал до нынешних 21%, все эти монстры оказались обречены.
Эта идея быстро закрепилась в учебниках: она удобно объясняла, почему в карбоне и перми существовали стрекозоподобные гиганты с размахом крыльев, сравнимым с птицами, а позже такие формы исчезли. Логика выглядела простой — при более высоком содержании кислорода диффузия работала эффективнее, а значит, ограничения на размер тела ослабевали.
Сомнений почти ни у кого не возникало, хотя сама гипотеза опиралась в основном на косвенные оценки — предположительную модель древней атмосферы и общие представления о дыхании насекомых. Ключевое допущение при этом никто напрямую не проверял: считалось, что по мере роста тела плотность трахеол в мышцах должна резко увеличиваться, иначе ткани не смогут получать достаточно кислорода. Именно это предположение и решили проверить в новой работе.
Что показало исследование
Группа Эдварда Снеллинга из Университета Претории собрала данные по 44 видам летающих насекомых из 10 отрядов. Масса их различалась примерно в 10 000 раз — от микроскопических цикадок до жуков весом почти 8 граммов. Ученые сделали более 1 300 снимков летательных мышц с помощью электронной микроскопии. По ним оценивали, какую долю объема занимают трахеолы внутри мышцы.
Оказалось, что даже у самых крупных современных видов это меньше 1% летательной мышцы. При увеличении массы от 0,5 мг до 5 г их доля выросла всего примерно в 1,5 раза — с 0,47 до 0,83%. То есть по мере роста тела система дыхательных трубочек действительно уплотняется, но гораздо слабее, чем предполагалось раньше. Экстраполяция на гипотетическое насекомое массой 100 кг, вроде Meganeuropsis permiana, давала те же скромные значения: даже с запасом выходило не более 3%. Для сравнения: у птиц и млекопитающих капилляры занимают около 10% объема мышц, то есть заметно больше места при обеспечении тканей кислородом.
Модель на основе саранчи весом в 1 грамм подтвердила расчеты. Если утроить плотность трахеол, способность доставлять кислород вырастет вчетверо, а сила мышц почти не пострадает. Получается, насекомые могли бы легко подстроиться под меньшее содержание кислорода, просто нарастив сеть трубочек. Места в тканях для этого предостаточно. Вывод жесткий: структура дыхательной системы не накладывала тех ограничений, которые раньше приписывали.
Авторы специально проверили, как развиваются насекомые в условиях пониженного содержания кислорода. Личинки наращивают дополнительные трахеолы и передают эту особенность потомству. Значит, механизм адаптации уже существует и работает. Гигантам пермского периода ничто не мешало летать в современной атмосфере — физиологически.
Если бы кислород действительно был главным ограничением, в мышцах крупных видов наблюдалось бы заметное увеличение числа трахеол. Однако этого не происходит — их распределение остается почти таким же. Это означает, что древние стрекозы гигантских размеров могли адаптироваться к изменениям состава атмосферы без ухудшения способности к полету. Гипотеза хорошо объясняла связь между размерами и концентрацией кислорода, но не выдержала проверки на уровне тканей.
Кроме того, исчезновение гигантов не совпадает по времени с падением концентрации кислорода в атмосфере. Крупные формы пропали гораздо позже, когда в воздухе уже давно установился современный состав. Это говорит о том, что дело не только в химии атмосферы. Нужно искать другие механизмы, которые действовали на уровне экологии и анатомии.
Что, кроме кислорода?
Одна из логичных, сильных версий связана с конкуренцией и хищниками. В карбоне и ранней перми летающие позвоночные еще не появились. Птерозавры, птицы и летучие мыши возникли намного позже — примерно 135 миллионов лет назад. До этого гигантские насекомые не сталкивались с быстрыми и маневренными охотниками в воздухе. Отсутствие такого давления позволяло им спокойно занимать нишу крупных хищников и падальщиков. Когда же в небе появились более совершенные конкуренты, гигантские насекомые стали легкой добычей: они набирали скорость медленно и были заметны издалека.
Экологические условия древних лесов тоже играли роль. Густые угленосные болота предлагали обилие пищи и укрытий. В такой среде большие размеры давали преимущество — легче преодолевать расстояния между деревьями, лучше переносить влажность и температуру. Когда леса начали меняться, а конкуренция выросла, гиганты не смогли адаптироваться под новые условия и пропали навсегда.
Не стоит сбрасывать со счетов и чисто механические ограничения. Экзоскелет отлично работает у мелких насекомых, но при увеличении размеров начинает создавать серьезные проблемы. После линьки тело некоторое время остается мягким и у крупных форм оно уже не держит форму так же уверенно — его может деформировать даже давление окружающей жидкости. Параллельно возникают трудности с внутренними процессами: открытая кровеносная система хуже распределяет питательные вещества и тепло по большому объему тела.
Летательные мышцы при этом выделяют много тепла, а у крупных насекомых оно отводится хуже, потому что отношение площади поверхности к объему уменьшается. В результате перегрев становится еще одним ограничивающим фактором. Более плотный воздух древней атмосферы, возможно, частично помогал с охлаждением, но это скорее дополнительное условие, а не основная причина больших размеров.
Наконец, сама эволюция размеров у насекомых шла волнами. Гигантизм возник не потому, что кислород вдруг «разрешил» расти, а потому, что в конкретный момент истории это оказалось выгодно. Когда условия изменились, преимущества исчезли. Сегодня мы видим максимум несколько сантиметров размаха крыльев у самых крупных стрекоз. Причина не в том, что они не могут дышать, а в том, что быть огромным просто невыгодно в мире, полном быстрых птиц и летучих мышей.
Что в итоге? Новая работа не закрывает вопрос, а скорее меняет направление поиска. Как оказалось, ограничение размеров насекомых нельзя объяснить одной только концентрацией кислорода — дыхательная система куда гибче, чем считалось раньше. Теперь на первый план выходят другие факторы: конкуренция в воздухе, особенности среды и механические ограничения самого тела. Скорее всего, гигантизм был результатом сочетания условий, которые сложились в конкретный период и исчезли вместе с ним. И это делает историю древних насекомых не проще, а гораздо интереснее.