Тайна гигантских стрекоз палеозоя

Международная группа ученых под руководством Эдварда (Неда) Снеллинга из Университета Претории в сотрудничестве с профессором Джоном Харрисоном из Школы наук о жизни Университета штата Аризона обнаружила убедительные доказательства, опровергающие устоявшуюся теорию о том, что гигантские насекомые, обитавшие на Земле 300 миллионов лет назад, достигли своих размеров исключительно благодаря повышенному уровню кислорода в атмосфере. Результаты этого исследования, основанного на применении электронной микроскопии высокого разрешения, были опубликованы в авторитетном научном журнале Nature.

Триста миллионов лет назад Земля представляла собой совершенно иную картину. В эпоху, когда континенты были объединены в суперконтинент Пангею, а экваториальные области покрывали обширные угольно-болотные леса, атмосфера планеты содержала значительно больше кислорода, чем сегодня — примерно на 45% выше. Это создавало уникальные условия, в которых природа словно экспериментировала с масштабами жизни.

В водах кишела рыба, на суше господствовали земноводные, рептилии и членистоногие, включая гигантских тараканов, а воздушное пространство принадлежало летающим насекомым. Среди них были виды, напоминающие современных поденок, с размахом крыльев до 45 сантиметров, и существа, похожие на стрекоз, так называемые «грифоны», отпечатки крыльев которых впервые обнаружили в мелкозернистых осадочных породах Канзаса почти столетие назад. Размах крыльев этих гигантов достигал 70 сантиметров, а длина тела иногда превышала 60 сантиметров.

Долгое время в научной среде господствовала гипотеза, связывающая гигантизм этих насекомых с рекордным уровнем кислорода. В 1980-х годах геохимики разработали методику реконструкции газового состава древних атмосфер и подтвердили существование периода высокого содержания O₂ 300 миллионов лет назад. А в исследовании 1995 года, также опубликованном в Nature, ученые предположили, что уникальная трахейная система насекомых — разветвленная сеть дыхательных путей, доставляющих кислород непосредственно к клеткам, накладывает жесткие ограничения на размеры тела. Считалось, что для питания гигантских летательных мышц столь крупным насекомым требуется гораздо более высокая концентрация кислорода, чем та, что существует в современной атмосфере.

Однако новая работа международной группы исследователей ставит под сомнение этот постулат. Используя электронную микроскопию высокого разрешения, ученые провели оценку того, как размер тела влияет на количество трахеол, мельчайших трубочек в летательных мышцах, по которым кислород диффундирует к митохондриям. Результаты показали, что пространство, занимаемое трахеолами в мышцах, у большинства видов насекомых составляет всего 1% или даже меньше. Даже при экстраполяции этих данных на гигантских «грифонов» выяснилось, что у них остается огромный физиологический резерв для увеличения количества дыхательных путей, не жертвуя при этом объемом мышечной ткани.

Ведущий автор исследования Эдвард Снеллинг, доцент факультета ветеринарных наук Университета Претории, подчеркнул значимость этого открытия. «Если содержание кислорода в атмосфере действительно ограничивает максимальный размер тела насекомых, то должны быть доказательства компенсации на уровне трахеол, — заявил он. Некоторая компенсация происходит у более крупных насекомых, но в масштабах всего мира она незначительна». Это означает, что диффузионная способность трахеол не является тем узким местом, которое лимитирует размеры насекомых.

Дополнительным аргументом в пользу нового взгляда стало сравнение с позвоночными. Профессор Роджер Сеймур из Университета Аделаиды отметил, что капилляры в сердечной мышце птиц и млекопитающих занимают примерно в десять раз больше места, чем трахеолы в летательных мышцах насекомых. Таким образом, у эволюции насекомых остается «огромный потенциал для увеличения инвестиций в трахеолы, если транспорт кислорода действительно ограничивает размер тела».

Несмотря на убедительность полученных данных, некоторые ученые призывают к осторожности в выводах, указывая на то, что ограничения могут скрываться не в самих трахеолах, а в более крупных трахеях или на других этапах доставки кислорода к тканям. Тем не менее, авторы исследования полагают, что классическая теория «кислородного лимита» для летающих гигантов палеозоя требует пересмотра.

Результаты этого исследования меняют устоявшиеся представления о причинах эволюции гигантизма у членистоногих каменноугольного периода. Раз диффузия кислорода в трахеолах не является критическим ограничивающим фактором, ученым предстоит искать альтернативные объяснения тому, почему современные насекомые не достигают размеров своих древних предков. В качестве наиболее вероятных причин рассматриваются эволюционное давление со стороны хищничества позвоночных, которое усилилось после появления первых летающих ящеров, а также биомеханические ограничения, связанные с физической поддержкой экзоскелета при увеличении масштабов тела.