Почему нашим миром не правят гигантские насекомые

В романе писателя Роберта Хайнлайна (1907–1988) «Звездные рейнджеры» (а также в фильме «Звездный десант», снятом по его мотивам) с человечеством сражаются гигантские насекомые из инопланетных миров. Казалось бы, все это совершенная фантазия, но читатель фантастических книг невольно задумывается: почему же все те насекомые, которые нас окружают, по своим размерам не превосходят небольших млекопитающих? Известно, что насекомые, жившие на Земле около 300 млн. лет назад, достигали гигантских размеров. 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 данные, согласно которым насекомые палеозойской эры были намного крупнее сегодняшних потому, что в земной атмосфере в те времена было гораздо больше кислорода.

Палеозойская эра (палеозой, каменноугольный период) началась примерно 600 миллионов лет назад и длилась 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% насекомых той эпохи по нашим нынешним понятиям слыли бы гигантами. Содержание кислорода в воздухе палеозоя было необыкновенно высоким – достигало 35% против 21% нынешней концентрации.

Насекомые не дышат в том смысле, в каком дышим мы – обогащая в своих легких кислородом кровь, которая переносит его затем к различным органам. 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 «трахея» (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.

Чтобы сравнить строение трахей у четырех разновидностей жуков, размеры которых варьировались от 3 мм (Tribolium castaneum) до 3,5 см (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 логично, ведь трахейная система у больших жуков не только вытягивается в 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 вся эта система 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 – дровосек-титан из Южной Америки. Личинки этого жука употребляются в пищу индейцами, в результате чего популяция подобного жука уже сократилась по отношению к прежним временам в несколько раз, так что рекордный рост не слишком помогает ему выживать.

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, обеспечивая достаточное количество кислорода для гигантского насекомого. Следовательно, если сегодня долю кислорода в воздухе увеличить до палеозойских величин, людям пришлось бы гонять по своей квартире полуметровых тараканов, а комар писателей братьев Стругацких оказался бы страшной реальностью.

В наше время рост насекомых ограничивает именно 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 и дополнительная информация:

• Почему нашим миром не правят гигантские насекомые;
• Когда тараканы были большими;
• Study: More oxygen could make giant bugs (англ. язык).

Дополнительная информация:

• Обилие кислорода дало жизнь гигантским стрекозам;
• Когда тараканы были большими;
• Гигантский скорпион был ростом больше человека;
• Нехватка кислорода спасла Землю от нашествия чудовищ.