قبل ثلاثمائة مليون سنة، كانت سماء نهاية العصر الباليوزي تت buzzing مع حشرات عملاقة. ميغانوروبسيس بيرميانا، حشرة مفترسة تشبه اليعسوب الحديث، كان لها جناح يمتد لأكثر من 70 سنتيمتراً ووزنها 100 جرام. نظر علماء الأحياء إلى هؤلاء العمالقة القدماء وسألوا لماذا لا تكون الحشرات بهذا الحجم بعد الآن. قبل ثلاثين عاماً، توصلوا إلى إجابة تعرف باسم “فرضية تقييد الأكسجين.”
لعقود، كنا نعتقد أن أي ياعسوب بحجم الباز يحتاج إلى هواء مؤكسج بشدة للبقاء على قيد الحياة لأن أنظمة تنفس الحشرات أقل كفاءة من تلك الموجودة في الثدييات أو الطيور أو الزواحف. مع انخفاض مستويات الأكسجين في الغلاف الجوي، لم يكن هناك ما يكفي لدعم الحشرات العملاقة بعد الآن. وقال إدوارد سنيلينغ، أستاذ علم البيطرة في جامعة بريتوريا: “إنها تفسير بسيط وأنيق، ولكنها خاطئة.”
تنفس الحشرات
على عكس الثدييات، لا تمتلك الحشرات زوجاً مركزياً من الرئتين ونظاماً دورياً مغلقاً يقوم بتوصيل الدم الغني بالأكسجين إلى أنسجتها. “إنها تتنفس من خلال أنابيب داخلية تُسمى نظام القصبات الهوائية،” أوضح سنيلينغ.
يدخل الهواء إلى جسم الحشرة من خلال فتحات متخصصة على الهيكل الخارجي تُسمى الثقوب الهوائية. من هناك، ينتقل عبر أنابيب أكبر، القصبات الهوائية، التي تتفرع تدريجياً إلى أنابيب رقيقة جداً بدون نهاية تُعرف بالقصيبات الهوائية. تُ Embed هذه القصيبات عميقاً داخل أنسجة الحشرة، وتتشكل الميتوكوندريا في الخلايا المجاورة بجانبها.
يمكن للحشرات ضخ الهواء بنشاط داخل وخارج القصبات الهوائية الأكبر عن طريق ثني أجسامها، لكن هذا الضخ النشط يتوقف في النهاية، داخل القصيبات الهوائية الصغيرة. هنا، يعتمد توصيل الأكسجين على الانتشار السلبي لعبور الحاجز النهائي إلى الأنسجة.
المشكلة في الانتشار هي أنه بطيء بشكل ملحوظ. حددت فرضية تقييد الأكسجين أن كلما زادت حجم الحشرة، زاد المسافة التي يجب أن يسافرها الأكسجين ليصل إلى أعمق الأنسجة.
قال سنيلينغ: “كلما زادت الحشرات حجماً، زادت تحديات الانتشار.”
لمنع العضلات من الاختناق، تحتاج الحشرة الأكبر حجمًا إلى قصيبات هوائية أوسع بكثير أو عدد أكبر بكثير للحفاظ على إمداد الأكسجين، مما يشير إلى أنه كان يجب أن يكون هناك نقطة تحول هيكلية. إذا أصبحت الحشرة كبيرة جداً، فإن حجم أنابيب التنفس المطلوبة لتزويد عضلاتها بالأكسجين سيأخذ مكانًا ماديًا كبيرًا جداً. ستؤدي القصيبات الهوائية إلى تكدس الألياف العضلية التي كانت تحاول تغذيتها، مما يترك الحشرة بأداء طيران معاق بشدة.
