قبل ثلاثمئة مليون سنة، كانت سماء العصر الباليوزي المتأخر تعج بالحشرات العملاقة. كانت Meganeuropsis permiana، حشرة مفترسة تشبه اليعسوب الحديث، تمتلك جناحين بطول يتجاوز السبعين سنتيمتراً وتزن مئة غرام. نظر علماء الأحياء إلى هؤلاء العمالقة القدماء وسألوا لماذا لا تكون الحشرات بهذا الحجم الآن. قبل ثلاثين عاماً، قدموا جواباً معروفاً باسم “فرضية قيود الأكسجين”.
لسنوات، كنا نعتقد أن أي من اليعاسيب بحجم الصقور تحتاج إلى هواء مشبع بالأكسجين لتعيش لأن أنظمة تنفس الحشرات أقل كفاءة من تلك الموجودة في الثدييات أو الطيور أو الزواحف. مع انخفاض مستويات الأكسجين في الغلاف الجوي، لم يعد هناك ما يكفي لدعم الحشرات العملاقة. قال إدوارد سنيلينغ، أستاذ علوم الحيوان في جامعة بريتوريا: “إنها تفسير بسيط وأنيق، لكن خاطئ.”
تنفس الحشرات
على عكس الثدييات، لا تمتلك الحشرات زوجاً مركزياً من الرئتين ونظام دوران مغلق يوصل الدم الغني بالأكسجين إلى أنسجتها. أوضح سنيلينغ قائلاً: “إنها تتنفس من خلال أنابيب داخلية تُعرف بنظام القصبات الهوائية.”
يدخل الهواء إلى جسم الحشرة من خلال فتحات متخصصة على الهيكل الخارجي تُعرف بالفتحات التنفسية. من هناك، ينتقل عبر أنابيب أكبر، تُعرف بالقصبات الهوائية، والتي تتفرع تدريجياً إلى أنابيب دقيقة جداً، تنتهي بشكل عمياء تُعرف بالكويكبات الهوائية. هذه الكويكبات الهوائية embedded عميقاً داخل أنسجة الحشرة، وتتشكل الميتوكوندريا في الخلايا المجاورة بجانبها.
يمكن للحشرات ضخ الهواء نشطاً داخل وخارج القصبات الهوائية الأكبر عن طريق ثني أجسادها، لكن هذه الضخ النشط يتوقف في نهاية الخط، في الكويكبات الهوائية الصغيرة. هنا، يعتمد توصيل الأكسجين على الانتشار السلبي لعبور الحاجز النهائي إلى الأنسجة.
المشكلة مع الانتشار هي أنه بطيء بشكل مشهور. جادل فرض قيود الأكسجين بأنه كلما زادت حجم الحشرة، زادت المسافة التي يجب أن يسافرها الأكسجين للوصول إلى أعمق الأنسجة.
قال سنيلينغ: “كلما كبرت الحشرات، زادت تحديات الانتشار.”
لمنع العضلات من الاختناق، ستحتاج الحشرة الأكبر إلى كويكبات هوائية أوسع بكثير أو أكثر عدداً بشكل كبير للحفاظ على توفير الأكسجين، مما يعني أنه يجب أن يكون هناك نقطة انهيار هيكلية. إذا كبرت الحشرة جداً، فإن حجم أنابيب التنفس المطلوبة لتزويد عضلاتها بالأكسجين سيشغل مساحة مادية كبيرة جداً. ستزاحم الكويكبات الهوائية ألياف العضلات التي تحاول تغذيتها، مما يترك الحشرة بأداء طيران شديد التأثر.
