Chuồn chuồn khổng lồ từng bay lượn trên bầu trời Trái Đất. Nghiên cứu mới đảo lộn lý thuyết trong sách giáo khoa về lý do tại sao chúng tuyệt chủng

(MENAFN- The Conversation) Côn trùng lần đầu cất cánh lên bầu trời cách đây khoảng 350 triệu năm, sớm hơn khoảng 200 triệu năm so với thời điểm chim vỗ cánh lần đầu.

Vào cuối kỷ Than Đá (Carboniferous), cách đây 300 triệu năm, một số côn trùng bay đã trở nên khổng lồ. Những côn trùng giống chuồn chuồn khổng lồ được gọi là griffinflies (còn gọi là “griffinflies”) có sải cánh dài 70cm – lớn gấp năm lần so với sải cánh của những con chuồn chuồn hiện đại lớn nhất.

Những côn trùng khổng lồ này sống trong thời kỳ mà bầu khí quyển của Trái Đất chứa nhiều oxy hơn so với ngày nay: khoảng 30%, trong khi hiện đại là 21%.

Vì các côn trùng bay lớn sống trong thời kỳ có mức oxy cao, các nhà khoa học đã đề xuất rằng chúng cần mức oxy oxy bên ngoài cao này để cung cấp năng lượng cho quá trình đốt cháy năng lượng nhanh chóng khi bay.

Trong nghiên cứu mới được công bố hôm nay trên tạp chí Nature (Thiên nhiên), chúng tôi đã nghiên cứu cơ của hàng chục loài côn trùng bay hiện đại và phát hiện một điều bất ngờ: không có lý do gì để griffinfly không thể sống sót trong bầu khí quyển ngày nay.

Cấu trúc hệ hô hấp cho bay của côn trùng

Bay cần nhiều năng lượng hơn chạy bộ hay bơi lội, bởi vì một loài bay vỗ cánh phải liên tục chống lại trọng lực để duy trì trên không.

Do đó, các cơ bay tiêu thụ nhiều oxy, và tốc độ tiêu thụ oxy tăng xấp xỉ tỷ lệ thuận với khối lượng của loài bay. Tốc độ tiêu thụ oxy trên mỗi gam cao nhất ở bất kỳ mô nào được biết đến thuộc về một loài ong bay.

Oxy được cung cấp cho các cơ bay của côn trùng thông qua “hệ thống khí quản” (tracheal system), một hệ thống phân nhánh giống như cây của các ống chứa đầy không khí dẫn tới những nhánh nhỏ nhất, gọi là “tracheoles”, nơi oxy đi vào mô cơ.

Mỗi tracheole là một ngõ cụt, nghĩa là oxy đưa đến cơ đi chủ yếu bằng cơ chế khuếch tán. Trước hết, nó khuếch tán qua không khí bên trong từng tracheole, rồi sau đó khuếch tán xuyên qua chính mô cơ.

Giả thuyết cũ

Ở côn trùng hiện đại, nồng độ oxy gần các ty thể tiêu thụ oxy – những ty thể cung cấp năng lượng cho cơ bay – rất gần bằng 0. Điều này cho thấy cấu trúc của hệ thống khí quản chỉ đủ để cung cấp lượng oxy cần thiết.

Một côn trùng lớn hơn sẽ cần lượng oxy lớn hơn, điều đó sẽ đồng nghĩa với lực thúc đẩy khuếch tán lớn hơn, và đến lượt nó sẽ cần nhiều oxy hơn trong bầu khí quyển của Trái Đất.

Quan niệm rằng cấu trúc và chức năng của hệ thống khí quản ở côn trùng giới hạn kích thước cơ thể đã tồn tại trong suốt 30 năm qua và xuất hiện trong các sách giáo khoa.

Sự quan tâm của chúng tôi đối với lý thuyết này bắt đầu cách đây 15 năm, khi chúng tôi xem xét những lát mỏng của cơ bay ở châu chấu. Các tracheoles xuất hiện giữa và bên trong các sợi cơ khá ít và chỉ chiếm khoảng 1% diện tích, so với các ty thể vốn chiếm khoảng 20%.

Bằng chứng mới

Ban đầu, chúng tôi nghĩ rằng để tăng lượng oxy mà một côn trùng nhận được, nó chỉ cần tăng số lượng tracheoles. Rốt cuộc, đây là nơi oxy được cung cấp cho các ty thể.

Để chắc chắn rằng châu chấu không phải là một trường hợp ngoại lệ và để hiểu đúng tác động của kích thước cơ thể, chúng tôi đã đo 44 loài côn trùng bay có khối lượng cơ thể và tốc độ trao đổi chất khác nhau. Dự án này cần 5 năm và 1.320 ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua.

Nhưng kết quả về cơ bản là giống nhau: tracheoles chỉ chiếm khoảng 1% diện tích cắt ngang của các cơ bay bất kể kích thước cơ thể. Trong tương phản, các mao mạch chứa đầy máu trong mô bay và mô tim của một số loài chim và động vật có vú chiếm khoảng 10% diện tích.

Điều này cho thấy vẫn còn nhiều chỗ để tăng số lượng và thể tích của tracheoles mà không làm suy yếu cơ. Vì vậy, cấu trúc của hệ thống khí quản không phải là một ràng buộc quan trọng đối với kích thước cơ thể.

Bằng chứng từ các côn trùng đang phát triển cho thấy côn trùng có thể tạo thêm tracheoles trong cơ bay ngay cả ở mức oxy thấp hơn, và chúng truyền đặc điểm này cho con cái. Kết luận là kích thước cơ thể của các côn trùng bay chưa bao giờ bị giới hạn bởi cấu trúc hoặc chức năng của các hệ thống khí quản của chúng.

Không có lý do nào về mặt sinh lý học khiến các côn trùng có kích thước như griffinflies lại không thể bay trong bầu khí quyển ngày nay. Và tuy vậy, chúng lại không tồn tại ngày nay.

Các lý do đơn giản hơn có thể là các loài động vật có kích thước lớn dễ bị tuyệt chủng hơn so với các loài nhỏ – và cách đây 300 triệu năm, griffinfly không có kẻ săn mồi là chim hay động vật có vú để phải đề phòng.

MENAFN25032026000199003603ID1110907650