В романе Роберта Хайнлайна (1907-1988) "Звездные рейнджеры" (а также в фильме, снятом по его мотивам) с человечеством борются гигантские насекомые из иных миров. Казалось бы, все это совершенная фантазия, но каждый читатель фантастических книг невольно задумывается: почему же все те насекомые, которые нас окружают, по своим размерам не превосходят небольших млекопитающих? Известно, что насекомые, которые жили на Земле в давние эпохи, могли быть существенно крупнее нынешних... Почему же они вымерли или измельчали?

Группа американских исследователей, возглавляемая физиологом Александром Кайзером (Alexander Kaiser) из Среднезападного университета в Глендейле (Midwestern University in Glendale, штат Аризона), получила новые данные в поддержку теории, согласно которой насекомые палеозойской эры были намного крупнее сегодняшних потому, что в земной атмосфере в те времена было гораздо больше кислорода. Работа под названием "No giants today: tracheal oxygen supply to the legs limits beetle size" была представлена на конференции по сравнительной физиологии 10 октября.

Палеозойская эра (палеозой, каменноугольный период) началась примерно 600 миллионов лет назад и длилась она около 300 миллионов лет. Это было время расцвета растительной жизни, ну а кроме растений тогда на нашей планете царили и гигантские насекомые - стрекозы, например, имели размах крыльев в три четверти метра - ястребиный размер! Примерно 10 процентов тогдашних насекомых по нашим нынешним понятиям слыли бы сущими гигантами. Содержание кислорода в воздухе палеозоя было необыкновенно высоким - достигало 35 процентов (для сравнения: нынешняя концентрация кислорода в воздухе составляет 21 процент).

Казалось бы, при чем тут кислород? Насекомые ведь не дышат в том смысле, в каком дышим мы - обогащая в своих легких кислородом кровь, что переносит его затем к различным органам, которые в этом нуждаются. Вместо этого жуки и гусеницы пользуются специальными порами (дыхальцами или стигмами, Stigmata), позволяющими им забирать из атмосферы кислород и возвращать углекислый газ - как бы дыша всем телом. Эти самые поры соединяются с внутренними органами специальными воздухоносными трубочками, носящими название трахей (trachea).

Если люди имеют одну-единственную трахею, то насекомые обладают целой трахейной (трахеальной) системой, которая помогает им транспортировать кислород ко всем внутренним органам, а также производит удаление отработанного углекислого газа. Множество ответвлений трахей расходятся по тельцу, достигают различных жизненно важных узлов и даже скрепляют их между собой. По мере того, как насекомое растет, трахейные трубочки становятся все более длинными - ведь они в любом случае должны достигать периферических тканей, контактирующих с атмосферой. Кроме того, эти трубочки вынуждены становиться все более широкими или же более многочисленными, чтобы обеспечивать дополнительные потребности в кислороде растущих органов. При этом насекомое на время может ограничить поток кислорода, просто перекрывая свои "вентили". Именно поэтому подобные создания столь выносливы - они могут какое-то время жить за счет кислорода, который уже скопился в трахеях. Кайзер вспоминает гусеницу, которая упала в ведро воды в его лаборатории. Когда это существо было обнаружено на следующий день, то лаборанты решили, что оно утонуло. Но стоило вынуть гусеницу из воды, как она благополучно уползла.

Конечно, для ответов на вопросы о жизни обитателей палеозоя правильнее было бы изучать нынешних наследниц тех же гигантских стрекоз, но пришлось все-таки ограничиться современными жуками - их проще исследовать в лабораторных условиях, да к тому же и размеры этих созданий меняются в гораздо более широких пределах. Чтобы сравнить строение трахей у четырех разновидностей жуков, размеры которых варьировались от 3 миллиметров (Tribolium castaneum) до 3,5 сантиметра (Eleodes obscura), использовались рентгеновские лучи. Выяснилось, что трахеи больших жуков занимают непропорционально большую часть их тела - приблизительно на 20% больше, чем следовало бы из соответствующего увеличения других органов. И это в общем-то логично, ведь трахейная система у больших жуков не только вытягивается длину, чтобы покрывать рост конечностей, но вынуждена еще и компенсировать возрастающие потребности жука в кислороде - увеличением диаметра трубочек или же ростом их числа. Это общий для всего живого эффект - если объем тела возрастает с ростом длины в кубе, то площадь его поверхности - лишь в квадрате. Непропорциональное увеличение размера трахей достигает в какой-то момент своей критической отметки, и дальше все это расти уже не может - жук не способен стать насквозь дырявым. Особенно критичны в этом смысле места сочленений лапок с брюшком.

Проведя несложные вычисления, исследователи выяснили, что жуки в настоящее время не могут вырастать больше, чем до 15 сантиметров - иначе им будет не хватать кислорода. 15-17 сантиметров - это как раз и есть размер крупнейшего из известных науке жуков - Titanus giganteus. Titanus giganteus - дровосек-титан из Южной Америки, существуют вообще-то отдельные свидетельства, что его особи способны достигать и 24 сантиметров в длину... Личинки этого жука употребляются в пищу индейцами, в результате чего популяция подобного "усача" уже сократилась по отношению к прежним временам в несколько раз, так что рекордный рост ему не очень-то и помогает выжить...

Ну а в палеозойскую эру насекомые имели в принципе то же самое строение тела, просто концентрация кислорода в атмосфере была выше, диаметр трахей мог быть меньше нынешнего и при всем при этом все еще позволял исправно поставлять достаточное количество кислорода для гигантского насекомого. В наше время рост насекомых ограничивает именно что состав атмосферы, хотя в каком-то смысле они все же и сейчас царят на планете - ведь это самая многочисленная группа земных существ, обладающая максимальным разнообразием - известно около миллиона различных видов насекомых, среди которых бабочки, жуки, мухи, муравьи и пчелы. Еще около миллиона всех видов насекомых, судя по некоторым оценкам, остаются неизвестными науке.

Источники:
Oxygen Concentration In The Air Limits Beetle's Size - The American Physiological Society - Press Room
Study: More oxygen would create giant bugs - United Press International
Study: More oxygen could make giant bugs - Live Science

Ссылки:
Обилие кислорода дало жизнь гигантским стрекозам
Когда тараканы были большими
Нехватка кислорода спасла Землю от нашествия чудовищ