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为什么远古的巨型昆虫消失了？以前的理论可能是错的?
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基础研究

为什么远古的巨型昆虫消失了？以前的理论可能是错的?

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04月13日 17:42

三亿年前的地球天空中，曾翱翔着一批令人惊叹的巨型昆虫。翼展可达70厘米的巨脉蜻蜓（Meganeura）在盘古大陆炎热潮湿的森林中穿梭，它们的体型远超现代同类，构成了地球生命演化史上一道独特的景观。

生活在三亿年前的巨脉蜻蜓的概念图

生活在三亿年前的巨脉蜻蜓的概念图（图片来源：MARK GARLICK/Science Source）

那么问题来了，为什么它们能长得如此巨大，又是什么原因让它们消失了？

长久以来，科学界的主流假设之一认为，当时地球上的高氧环境是这些巨型昆虫得以存活的关键。直到近日，一项发表在《自然》杂志上的最新研究问世，向我们表明，这个“科学常识”，可能并没有我们想象得那么牢固。

看似无懈可击的解释：氧气决定了体型？

要知道，昆虫的呼吸方式与脊椎动物截然不同。它们并不依赖血液运输氧气，而是通过一套遍布全身的气管系统，将空气直接输送到组织内部。氧气从体表进入，沿着不断分支的通道，最终通过极细的微气管扩散进入细胞。 

昆虫气管系统的简单示意图

昆虫气管系统的简单示意图（图片来源：2010 dragonflywoman.worldpress.com）

这种机制的一个显著特点是依赖扩散，而扩散的效率会随着距离增加迅速下降。因此，很早就有科学家提出，如果昆虫体型变大，氧气在体内输送的难度也会增加，而这可能成为制约体型的关键因素。

在这一逻辑下，石炭纪的高氧环境显得尤为关键，更高的氧气浓度，被认为可以缓解扩散带来的限制，使昆虫能够支持更大的体型。 当时，高达50米的原始蕨类和其他植物向大气中释放了大量的氧气，空气中的氧气含量约占地球大气成分的30%，明显高于今天的21%。也正是在这一时期，巨型昆虫频繁出现在化石记录中，也让这一解释显得合理而有吸引力。

1995年，刊登在《自然》杂志上的一项研究就曾指出，昆虫体型的最大上限受到微气管层面氧气扩散能力的限制；而在晚古生代时期，大气中氧气浓度的升高，使昆虫能够演化出巨大的体型。这一假说多年来被科学界广泛认可，成为主流解释之一，直到南非比勒陀利亚大学的爱德华·斯内林（Edward Snelling）团队，用数据对其发起了挑战。

显微镜下的真相：微气管并非“寸土寸金”

如果微气管的扩散能力确实构成限制，那么一个清晰的预期是：随着昆虫体型变大，它们应该在飞行肌肉中投入更多空间来布置微气管，以提升氧气输送能力。

为验证这一假说，研究团队选取了44种现存飞行昆虫进行观察分析，可结果实在出乎意料。无论昆虫大小，微气管在飞行肌肉中的体积占比通常都不到1%。

而且，从仅有0.334毫克的柑橘木虱（Trioza erytreae ）到重达7.74克的虎斑大角金龟（Goliathus albosignatus），即便后者的体重是前者的上万倍，其微气管在飞行肌肉中的体积占比也只是前者的1.8倍。这表明气管的投入量并未受到体重大小的显著影响。 

这是一张电子显微镜下的昆虫飞行肌肉高清照片，清晰显示出充满空气的微气管，这些气管能将氧气直接输送给肌肉细胞

这是一张电子显微镜下的昆虫飞行肌肉高清照片，清晰显示出充满空气的微气管，这些气管能将氧气直接输送给肌肉细胞（图片来源：Antoinette Lensink）

研究团队进一步推算，即便是三亿年前的巨脉蜻蜓（估计体重为100克），其微气管的占比预计也仅为1%左右。

相比之下，部分鸟类和哺乳动物心肌中，负责氧气输送的毛细血管占比高达10%，是昆虫微气管的十倍之多，这意味着昆虫的肌肉里其实有充足的“空地”来布置更多气管，远未达到生理极限。 

左侧为昆虫飞行肌肉，右侧为哺乳动物心肌组织。二者供氧结构所需的尺寸与空间差异显著。

左侧为昆虫飞行肌肉，右侧为哺乳动物心肌组织。二者供氧结构所需的尺寸与空间差异显著。（图片来源：Antoinette Lensink and Edward Snelling）

通过对1克重的蝗虫模型进行模拟，研究人员还发现：如果昆虫仅仅将微气管的体积占比从0.6%略微提升到1.8%，其肌肉的径向供氧能力就能提升整整4倍。而这种“扩建”带来的副作用微乎其微——即便这些空间完全是牺牲肌肉纤维或线粒体换来的，肌肉的做功效率也仅会下降2%到6%左右。  

这种“高回报、低成本”的进化路径表明，如果昆虫真的需要更多氧气来支撑更大的体型，它们在进化上可以轻而易举地做到，而无需依赖外界的高氧环境。

真相初探：究竟是什么让巨型昆虫消失？

这项研究说明了一点：虽然氧气含量可能与巨型昆虫的出现有关联，但至少在微气管这一环节，它并不是禁锢昆虫体型的真正枷锁。

那么，到底是什么在限制昆虫的体型，又是什么让巨型昆虫消失了？

研究进一步指出，如果氧气真的构成限制，瓶颈可能出现在昆虫呼吸系统的其他上游环节，例如大气门或主气管的对流运输效率，而非肌肉深处的扩散过程。除了呼吸生理外，昆虫体型的演化还受到外骨骼在蜕皮时的结构强度限制、飞行产生的散热问题，以及生态环境的变化等多种因素的影响。

值得注意的是，昆虫的翼展长度与氧气含量的关联在约1.35亿年前开始脱钩，而那个时期恰恰见证了早期鸟类和后续蝙蝠等空中掠食者的崛起。 

白垩纪时期鸟类的概念图

白垩纪时期鸟类的概念图（图片来源：Gabriel Ugueto）

对于巨型昆虫而言，这是一种全新的压力。体型越大，越容易被发现，也越难躲避追捕；而小型昆虫则更灵活、更隐蔽，更容易在复杂环境中生存下来。

在长期的进化过程中，这些因素共同作用，使得“大”不再是一个有利的选择。

已灭绝的巨脉蜻蜓，与现存体型最大的蜻蜓之一<i>Petalura ingentissima</i> 的体型对比

已灭绝的巨脉蜻蜓，与现存体型最大的蜻蜓之一Petalura ingentissima 的体型对比（图片来源：Estelle Mayhew）

从这个角度来看，三亿年前的巨型昆虫，并非单纯是氧气的“产物”，而是特定生态格局下的“阶段性结果”。这也再次提醒我们，生物的演化，从不是单一因素主导，而是多种环境、生理与生态因素交织而成的合力。

参考资料：
[1]. 《自然》杂志Nature → Oxygen supply through the tracheolar–muscle system does not constrain insect gigantism
[2]. 《科学》杂志science → How did ancient bugs get so big? The prevailing theory may be wrong
[3]. phys.org → Massive insect body size 300 million years ago may not have been due to high atmospheric oxygen
[4]. 《自然》杂志Nature → Implications of the late Palaeozoic oxygen pulse for physiology and evolution
审核专家：
生物进化论昆虫形态学昆虫生态学古生物学
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