قبل ثلاثمائة مليون سنة، كانت سماء العصر الباليوزي المتأخر تعج بالحشرات العملاقة. ميغانوروبسيس برمينا، وهي حشرة مفترسة تشبه اليعسوب الحديث، كانت لها أجنحة بطول يزيد عن 70 سنتيمترا ووزنها 100 جرام. نظر علماء الأحياء إلى هذه الكائنات العملاقة القديمة وسألوا لماذا لا توجد حشرات بهذا الحجم بعد الآن. قبل ثلاثين عامًا، توصلوا إلى إجابة معروفة باسم “فرضية قيود الأكسجين”.
لسنوات عديدة، اعتقدنا أن أيّاً من اليعاسيب بحجم الصقور تحتاج إلى هواء غني بالأكسجين للبقاء على قيد الحياة لأن أنظمة تنفس الحشرات أقل كفاءة من تلك الموجودة لدى الثدييات والطيور والزواحف. مع انخفاض مستويات الأكسجين في الغلاف الجوي، لم يكن هناك ما يكفي لدعم الحشرات العملاقة بعد الآن. “إنها تفسير بسيط وأنيق”، قال إدوارد سنيلينج، أستاذ علوم الطب البيطري في جامعة بريتوريا. “لكنها خاطئة.”
تنفس الحشرات
على عكس الثدييات، فإن الحشرات لا تمتلك زوجًا مركزيًا من الرئتين ونظامًا دورانيًا مغلقًا يقوم بتوصيل الدم الغني بالأكسجين إلى أنسجتها. “إنها تتنفس من خلال أنابيب داخلية تُعرف بنظام القصبات الهوائية”، أوضح سنيلينج.
يدخل الهواء إلى جسم الحشرة من خلال فتحات متخصصة على الهيكل الخارجي تُعرف بالفُتحات التنفسية. من هناك، ينتقل عبر أنابيب أكبر، تُعرف بالقصبات الهوائية، والتي تتفرع تدريجياً إلى أنابيب رقيقة جداً، تُعرف بالقصيبات. تتواجد هذه القصيبات بعمق داخل أنسجة الحشرة، وتتشكل الميتوكوندريا في الخلايا المجاورة بجانبها.
يمكن للحشرات أن تضخ الهواء نشطًا داخل وخارج القصبات الهوائية الأكبر من خلال ثني أجسادها، لكن هذا الضخ النشط يتوقف في نهاية الخط، في القصيبات الصغيرة. هنا، يعتمد توصيل الأكسجين على الانتشار السلبي لعبور الحاجز النهائي إلى الأنسجة.
المشكلة في الانتشار أنه بطىء بشكل ملحوظ. جادلت فرضية قيود الأكسجين بأنه كلما كبرت الحشرة، زادت المسافة التي يجب أن يسافرها الأكسجين للوصول إلى الأنسجة الأعمق.
“كلما زادت كبر الحشرات، زادت تحديات الانتشار”، قال سنيلينج.
لمنع العضلات من الاختناق، ستحتاج الحشرة الأكبر إلى قصيبات أوسع بكثير أو أكثر عددًا للحفاظ على إمدادات الأكسجين، مما يوحي بأنه يجب أن يكون هناك نقطة حد هيكلية. إذا كبرت الحشرة كثيرًا، فسوف تشغل حجمًا كبيرًا جدًا من أنابيب التنفس المطلوبة لتزويد عضلاتها بالأكسجين. ستتداخل القصيبات مع الألياف العضلية التي تحاول تزويدها بالطاقة، مما يترك الحشرة بأداء طيران متضرر بشكل كبير.
