巨型蜻蜓曾在地球的天空中翱翔。新的研究推翻了教科书中关于它们为何灭绝的理论

（MENAFN- The Conversation）昆虫大约在3.5亿年前首次飞上天空，比鸟类第一次拍打翅膀早约2亿年。

在距今3亿年前的石炭纪末期，一些飞行昆虫已经变得巨大了。被称为“griffinflies”的巨型蜻蜓状昆虫翼展可达70cm——是现存最大蜻蜓的五倍。

这些巨型昆虫生活在一个地球大气中氧气含量比今天更多的时期：约30%，而现代为21%。

由于大型飞行昆虫生活在高氧水平的时代，科学家提出，它们需要这些较高的外部氧气水平，以驱动飞行过程中能量的快速燃烧。

今天发表在《Nature》上的一项新研究中，我们研究了数十种现代飞行动物的肌肉，并得出一个令人惊讶的发现：没有任何理由表明“griffinfly”无法在今天的大气中生存。

昆虫飞行呼吸系统的结构

飞行所消耗的能量比奔跑或游泳更多，因为拍动飞行者必须不断对抗重力，才能保持在空中。

因此，飞行肌肉会消耗大量氧气，并且氧气消耗速率大致与飞行者的体重成正比。已知任何组织中，每克氧气消耗速率最高的是一只飞行中的蜜蜂。

氧气通过昆虫飞行肌肉的“tracheal system”供给——一种树状分叉的充气管道系统，它通向最小的分支，称为“tracheoles”，氧气在此进入肌肉组织。

每个tracheole都是盲端，这意味着输送到肌肉的氧气主要通过扩散到达。首先，它会在每个tracheole内部的空气中扩散，然后再通过肌肉组织本身扩散。

旧假说

在现代昆虫中，负责为飞行肌肉供能的、线粒体（oxygen-consuming mitochondria）附近的氧气水平非常接近零。这意味着tracheal system的结构恰好足以供给足够的氧气。

更大的昆虫需要更大量的氧气，这意味着扩散所需的“驱动力”更大；反过来，这也意味着地球大气中氧气更多。

关于昆虫tracheal system的结构和功能会限制体型大小的观点，已经在过去30年里占据主导地位，并出现在教育教材中。

我们对这一理论的兴趣始于15年前，当时我们观察了蝗虫飞行肌肉的薄切片。出现在肌肉纤维之间以及纤维内部的tracheoles数量很少，占据的面积仅约1%；而占据约20%的则是线粒体。

新证据

我们最初认为，昆虫要提高其氧气输送能力所需要做的就是增加tracheoles的数量。毕竟，氧气就是在这里被供给到线粒体的。

为了确保蝗虫并非特例，并且正确理解体型大小的影响，我们测量了44种体型质量和代谢率不同的飞行动物物种。该项目耗时5年，并获得了1,320张透射电子显微镜图像。

但结果本质上是一样的：无论体型大小如何，tracheoles在飞行肌肉的横截面积中都只占约1%。相比之下，某些鸟类和哺乳动物在飞行组织与心脏组织中的充满血液的毛细血管占据的面积约为10%。

这表明，在不削弱肌肉的情况下，tracheoles的数量和体积还有很大提升空间。因此，tracheal system的结构并不是体型大小的重要限制因素。

来自发育中的昆虫的证据显示：昆虫在较低氧气水平下可以在飞行肌肉中产生更多的tracheoles，而且它们会把这一性状传给后代。结论是，飞行昆虫的体型从未被其tracheal system的结构或功能所限制。

从生理角度看，大小与“griffinflies”相当的昆虫不可能无法在今天的大气中飞行。尽管如此，它们在今天却并不存在。

更简单的原因可能是：相较于体型较小的物种，较大的动物物种更容易灭绝——而在3亿年前，“griffinfly”没有鸟类或哺乳动物捕食者需要提防。

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