Древние предки стрекоз имели размах крыльев больше 70 см.
Сегодня рекордсмен среди живых стрекоз и их ближайших родственников достигает 19 сантиметров. То есть древний гигант превосходил его больше чем втрое.
Почему насекомые тогда могли вырастать такими, а сейчас не могут?
Рекорд собрали из обломков
Meganeuropsis permiana часто называют гигантской стрекозой, но настоящей стрекозой она не была. Это представитель вымершей группы Meganisoptera — близких родственников современных стрекоз.
В 1939 году американский палеоэнтомолог Фрэнк Карпентер описал меганевру по нескольким фрагментам крыла из раннепермских пород Канзаса. Размах крыла — 71 см, а длина тела — 43 см.
По размаху это была небольшая птица, только собранная не из костей и перьев, а из хитина и тонких перепончатых крыльев.
Судя по строению меганеврид, взрослые особи были хищниками и ловили других насекомых.
Воздух тогда был другимВ позднем карбоне и начале перми Земля выглядела непривычно. Огромные заболоченные леса состояли из древовидных плаунов, хвощей, папоротников и других древних растений.
Растения забирали из воздуха углекислый газ и при фотосинтезе выделяли кислород. Когда растительная масса полностью разлагается, значительная часть этого кислорода снова расходуется. Но тогда огромные объёмы органики погребались в болотных осадках. Углерод уходил под землю, а кислород оставался в атмосфере. Из части этих захороненных остатков позже образовались угольные пласты.
Современные оценки дают для тех времен примерно 25–30% кислорода. Сегодня его около 21%.
Высокий уровень кислорода имел ещё одно заметное последствие: леса легче горели. Ископаемый древесный уголь показывает, что пожары были обычной частью тогдашних экосистем.
И тут мы подходим к главному — почему несколько лишних процентов кислорода для насекомого настолько важны.
Насекомое дышит всем теломУ человека кислород попадает в лёгкие, затем кровь разносит его по организму.
Были в древности и гигантские многоножки — это не насекомые, но принципы, позволившие им быть гигантами, в принципе ровно такие же
У насекомых схема другая. Лёгких нет, а гемолимфа — аналог нашей крови — у большинства наземных насекомых почти не занимается переносом кислорода.
Воздух входит через отверстия по бокам тела — дыхальца. От них внутрь расходится сеть трубок, трахей. Те ветвятся всё мельче, пока кислород не добирается почти непосредственно до клеток.
Часть газа движется за счёт диффузии — из области, где кислорода больше, туда, где его меньше. Крупные и активные насекомые умеют ещё и прокачивать воздух движениями брюшка и воздушных мешков.
Для небольшого тела система работает прекрасно. Проблемы начинаются с ростом.
Чем крупнее насекомое, тем дальше нужно доставлять кислород и тем больше воздуха требуют ткани. Значит, трахеи тоже приходится увеличивать. А пространство внутри тела не резиновое.
В 2007 году Александр Кайзер, Джон Харрисон и их коллеги просветили синхротронным рентгеном четыре вида жуков разного размера. У самых маленьких трахейная система занимала около 0,5% объёма тела, у самых крупных — уже 4,8%.
Хуже всего ситуация оказалась в ногах. Трахеям нужно пройти через узкое место в суставе вместе с мышцами, нервами и другими тканями. У маленьких жуков трахея занимала там около 2% прохода, у крупных — уже до 18%. Авторы предположили, что такие узкие участки могут стать одним из ограничителей дальнейшего роста.
Если провести аналогию — то тут получается как в квартире, где вентиляционные короба с каждым ремонтом становятся шире и однажды начинают отъедать жилую площадь.
Высокая концентрация кислорода помогает. Чтобы доставить тканям то же его количество, насекомому можно обойтись более тонкими трахеями. Внутри тела освобождается пространство — и возможный предел размера отодвигается.
Ну а второе объяснение ограничения роста — чисто механическое. Ведь огромное насекомое раздавил бы собственный панцирь — у современных насекомых же панцири хитиновые. Плюс линька — при таких габаритах обновлять экзоскелет крайне трудозатратно.
А в то время многие насекомые легко обходились без панцирей — хищников то, способных их съесть, фактически еще не было.
Поэтому, конечно, механика тоже имеет значение: крупному животному нужно выдерживать свой вес, летать, переживать линьку.
Но дыхательная система даёт ещё один реальный и хорошо изученный предел.
Кислород — не кнопка ростаЕсли дать современному насекомому больше кислорода, получим ли мы гиганта?
Нет. И лабораторные опыты хорошо показывают почему.
Стрекоз и некоторых жуков выращивали при содержании кислорода около 31%. Они могли вырастать до 15% крупнее, чем при современной концентрации. С тараканами получилось интереснее: заметно крупнее они не стали, зато их трахеи занимали меньшую долю тела.
Есть и ещё более показательный опыт. Дрозофил на протяжении 11 поколений специально отбирали на большой размер. При обычном уровне кислорода и при повышенном до 40% результат оказался почти одинаковым — масса увеличилась примерно на 15%. А вот при нехватке кислорода рост серьёзно тормозился.
То есть лишний кислород не командует: «Стань огромным». Он скорее снимает одно из ограничений. А дальше нужны мутации, естественный отбор, подходящий образ жизни и огромное количество поколений.
Meganeuropsis не была современной стрекозой, которую кто-то миллионы лет держал возле кислородного баллона.
А потом небо перестало быть пустым
Есть ещё одна причина, почему одних только процентов кислорода недостаточно.
Когда жили гигантские меганевриды, в воздухе ещё не было птиц, летучих мышей и птерозавров. Первые птерозавры появятся лишь десятки миллионов лет спустя, в позднем триасе, птицы — ещё позже.
Большому воздушному хищнику тогда не приходилось спасаться от позвоночного животного, способного догнать и съесть его в полёте.
В 2012 году Мэтью Клэпхэм и Джеред Карр изучили более 10 500 ископаемых крыльев насекомых за сотни миллионов лет. В ранней части этой истории максимальные размеры насекомых довольно хорошо следовали за уровнем кислорода: больше кислорода — крупнее рекордсмены.
Потом зависимость сломалась.
В раннем мелу содержание кислорода росло, а крупнейшие насекомые, наоборот, становились мельче. Появились воздушные хищники, которые стали питаться насекомыми.
Огромные крылья из преимущества могли превратиться в рекламный щит: «обед здесь».
Сами меганевриды исчезли ещё раньше. Их разнообразие и размеры сокращались в перми, когда уровень кислорода снижался, климат и экосистемы менялись.
Можно ли снова вырастить такую?
Просто посадить стрекозу в камеру с 30% кислорода и ждать потомка с крыльями в 70 сантиметров бесполезно.
Повышенный кислород действительно облегчает работу трахей и у некоторых насекомых позволяет вырастать крупнее. Но эти гиганты появились не за несколько поколений. Это была отдельная эволюционная линия, сформированная миллионами лет отбора в совсем другом мире.
Для гигантского летающего насекомого должны были совпасть сразу несколько условий: высокий уровень кислорода, подходящее строение тела, выгода от большого размера и экологическая обстановка, в которой этот размер не превращался в смертельный недостаток.
Поэтому кислород позже в истории Земли снова повышался, а насекомых с размахом крыльев в 70 сантиметров больше не появилось. Им теперь просто вырасти никто не даст.
Кислород вернулся. Пустое небо — нет.