Гиганты каменноугольного периода: почему насекомые больше не вырастают до размеров птиц ( 9 фото )
Ископаемые предки современных стрекоз поражают воображение: размах их крыльев превышал 70 сантиметров.
Для сравнения, крупнейшая из ныне живущих стрекоз и её ближайшие сородичи достигают лишь 19 сантиметров. Таким образом, древний гигант был крупнее более чем в три раза.
Что позволяло насекомым той эпохи достигать столь впечатляющих размеров и почему сегодня это невозможно?
Рекорд, восстановленный по фрагментам
Meganeuropsis permiana, которую часто называют гигантской стрекозой, на самом деле не являлась стрекозой в прямом смысле. Она принадлежала к вымершей группе Meganisoptera — близкой родне современных стрекоз.
В 1939 году палеоэнтомолог из США Фрэнк Карпентер описал это существо, основываясь на нескольких обломках крыла, найденных в раннепермских отложениях Канзаса. Установлено, что размах крыла составлял 71 сантиметр, а длина тела — 43 сантиметра.
По габаритам это была небольшая птица, вот только собрана она была не из костей и перьев, а из хитина и тонких перепончатых крыльев.
Судя по анатомическим особенностям меганеврид, взрослые особи вели хищный образ жизни и охотились на других насекомых.
Иной воздух той эпохиВ позднем карбоне и начале пермского периода облик Земли разительно отличался от современного. Обширные заболоченные леса состояли из древовидных плаунов, хвощей, папоротников и прочих древних растений.
Растительность активно поглощала углекислый газ, выделяя при фотосинтезе кислород. При полном разложении растительной массы значительная часть этого кислорода вновь расходуется. Однако в ту пору огромные объемы органики уходили на дно болот и погребались в осадках. Углерод оказывался под землей, а кислород накапливался в атмосфере. Именно из этих захороненных остатков впоследствии сформировались угольные пласты.
Современные оценки указывают на содержание кислорода в атмосфере того времени на уровне 25–30%. Сегодня этот показатель составляет около 21%.
Высокая концентрация кислорода имела и другое заметное следствие: леса воспламенялись гораздо легче. Находки ископаемого древесного угля свидетельствуют о том, что пожары были обычным явлением в тогдашних экосистемах.
И здесь мы подходим к ключевому вопросу — почему дополнительные проценты кислорода имели столь критическое значение для насекомых.
Дыхание всем теломУ человека кислород поступает в легкие, а затем кровь разносит его по всему организму.
В древности существовали и гигантские многоножки — они не относятся к насекомым, однако принципы, позволявшие им достигать больших размеров, были теми же самыми
У насекомых действует иная схема. Легкие отсутствуют, а гемолимфа — аналог крови — у большинства наземных видов почти не участвует в переносе кислорода.
Воздух проникает через отверстия по бокам тела, называемые дыхальцами. От них внутрь расходится сеть трубок — трахей. Они ветвятся на все более мелкие каналы, пока кислород не достигает практически непосредственно клеток.
Частично газ перемещается за счет диффузии — из области с более высокой концентрацией кислорода в область с меньшей. Крупные и активные насекомые дополнительно прокачивают воздух, сокращая брюшко и используя воздушные мешки.
Для небольшого организма такая система работает безупречно. Однако с ростом размера начинаются проблемы.
Чем крупнее насекомое, тем на большее расстояние необходимо доставлять кислород и тем больше воздуха требуется тканям. Следовательно, трахеи тоже должны увеличиваться. Но пространство внутри тела не безгранично.
В 2007 году группа ученых под руководством Александра Кайзера и Джона Харрисона провела синхротронное рентгеновское сканирование четырех видов жуков разного размера. У самых мелких особей трахейная система занимала около 0,5% объема тела, тогда как у наиболее крупных — уже 4,8%.
Наиболее сложная ситуация наблюдалась в ногах. Трахеям приходится проходить через узкие сочленения суставов вместе с мышцами, нервами и другими тканями. У маленьких жуков трахея занимала примерно 2% канала, а у крупных — до 18%. Исследователи предположили, что такие суженные участки могут служить одним из ограничителей дальнейшего роста.
Проводя аналогию, можно сказать, что это похоже на квартиру, где вентиляционные короба с каждым ремонтом становятся все шире и в итоге начинают вытеснять жилое пространство.
Повышенная концентрация кислорода решает эту проблему. Для доставки того же количества газа тканям насекомому достаточно иметь более тонкие трахеи. Это освобождает внутреннее пространство и отодвигает возможный предел размера.
Существует и второе объяснение ограничения роста — механическое. Огромное насекомое могло бы быть раздавлено собственным весом, ведь хитиновый панцирь современных насекомых имеет свои пределы прочности. К тому же линька при таких габаритах становится крайне энергозатратным процессом.
В те далекие времена многие насекомые могли позволить себе обходиться без массивных панцирей, поскольку хищников, способных их съесть, практически не существовало.
Механика, безусловно, играет важную роль: крупному животному необходимо выдерживать собственный вес, сохранять способность к полету и переживать линьку.
Однако дыхательная система представляет собой еще один реальный и хорошо изученный предел.
Кислород не является кнопкой ростаЕсли поместить современное насекомое в среду с повышенным содержанием кислорода, станет ли оно гигантом?
Нет. Лабораторные эксперименты наглядно демонстрируют, почему это не работает.
Стрекоз и некоторых жуков выращивали при концентрации кислорода около 31%. Они вырастали примерно на 15% крупнее, чем при современном уровне. С тараканами ситуация оказалась иной: заметного увеличения размеров не произошло, зато их трахеи занимали меньшую долю тела.
Существует и еще более показательный эксперимент. Дрозофил на протяжении 11 поколений отбирали по признаку крупного размера. При обычном содержании кислорода и при повышенном до 40% результаты оказались почти идентичными — масса увеличилась примерно на 15%. А вот при дефиците кислорода рост значительно замедлялся.
Избыток кислорода не является командой «стань огромным». Он скорее снимает одно из ограничений. Далее необходимы мутации, естественный отбор, подходящий образ жизни и огромное количество поколений.
Meganeuropsis не была современной стрекозой, которую кто-то миллионы лет держал возле кислородного баллона.
Когда небо перестало быть пустым
Существует еще одна причина, по которой одних лишь процентов кислорода недостаточно.
В эпоху гигантских меганеврид в воздухе еще не было птиц, летучих мышей и птерозавров. Первые птерозавры появятся лишь десятки миллионов лет спустя, в позднем триасе, а птицы — еще позже.
Крупному воздушному хищнику не приходилось опасаться позвоночного, способного догнать и съесть его прямо в полете.
В 2012 году Мэтью Клэпхэм и Джеред Карр проанализировали более 10 500 ископаемых крыльев насекомых, охватывающих сотни миллионов лет. В ранний период этой истории максимальные размеры насекомых довольно четко коррелировали с уровнем кислорода: больше кислорода — крупнее рекордсмены.
Затем эта зависимость нарушилась.
В раннем мелу содержание кислорода увеличивалось, однако крупнейшие насекомые, напротив, становились мельче. Появились воздушные хищники, которые начали охотиться на насекомых.
Огромные крылья из преимущества могли превратиться в рекламный щит с надписью «обед здесь».
Сами меганевриды исчезли еще раньше. Их разнообразие и размеры сокращались в пермском периоде, когда уровень кислорода падал, а климат и экосистемы претерпевали значительные изменения.
Возможно ли возрождение гиганта
Просто поместить стрекозу в камеру с 30% кислорода и ожидать потомка с крыльями в 70 сантиметров — бессмысленно.
Повышенный кислород действительно облегчает работу трахей и позволяет некоторым насекомым становиться крупнее. Однако те древние гиганты появились не за несколько поколений. Это была отдельная эволюционная ветвь, сформированная миллионами лет отбора в совершенно ином мире.
Для возникновения гигантского летающего насекомого необходимо совпадение сразу нескольких условий: высокий уровень кислорода, подходящее строение тела, эволюционная выгода от большого размера и экологическая обстановка, в которой этот размер не становится смертельным недостатком.
Именно поэтому в более поздние периоды истории Земли кислород снова повышался, но насекомые с размахом крыльев в 70 сантиметров так и не появились. В современном мире им просто не дали бы выжить.
Кислород вернулся, а вот пустое небо — нет.
Как думаете, если бы не появление птиц и птерозавров, смогли бы насекомые снова достичь гигантских размеров при высоком уровне кислорода?