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已滅絕的巨蜻蜓與現(xiàn)存最大蜻蜓之一——巨型瓣尾蜓的對(duì)比圖。（巨蜻蜓圖片來(lái)源：ESTELLE MAYHEW，改編自 ALDRICH HEZEKIAH）

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三億年前的地球面貌與今迥異。如今的各大洲還是匯聚在一起的泛大陸，赤道地區(qū)則廣布著浩瀚的煤沼森林。在當(dāng)時(shí)的富氧大氣環(huán)境下，野火頻發(fā)成為常態(tài)。

水域中魚(yú)類繁盛，陸地上則由兩棲動(dòng)物、爬行類、爬行節(jié)肢動(dòng)物及巨型蟑螂主宰，而天空則被飛行昆蟲(chóng)所統(tǒng)治，其中一些昆蟲(chóng)的體型甚至達(dá)到了驚人的龐大程度。

其中包括翼展達(dá) 45 厘米的巨型蜉蝣類昆蟲(chóng)，以及翼展達(dá) 70 厘米、和羽毛球拍一樣大的巨型蜻蜓類昆蟲(chóng)。這些讓人聯(lián)想到獅鷲獸的昆蟲(chóng)最早是近一個(gè)世紀(jì)前在美國(guó)堪薩斯州的細(xì)粒沉積巖中作為化石印痕被發(fā)現(xiàn)的。

是什么讓這些昆蟲(chóng)長(zhǎng)得如此巨大？20 世紀(jì) 80 年代，一項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，使地球化學(xué)家得以重建古大氣的氣體成分。他們驚人的發(fā)現(xiàn)是，三億年前曾出現(xiàn)過(guò)一段大氣高氧時(shí)期——當(dāng)時(shí)大氣中的氧氣含量比如今高出約 45%。

在一項(xiàng) 1995 年發(fā)表于《自然》（Nature）的研究中，科學(xué)家指出這段大氣高氧期恰與巨型昆蟲(chóng)的出現(xiàn)時(shí)期吻合。他們提出，巨型古生代昆蟲(chóng)對(duì)氧氣的更高需求及其龐大體型，理應(yīng)需要更高的大氣氧濃度。這一推論合乎邏輯，因?yàn)槔ハx(chóng)通過(guò)其獨(dú)特的氣管系統(tǒng)獲取氧氣——那是一個(gè)樹(shù)狀分支的氣道網(wǎng)絡(luò)，末端連接著微氣管。氧氣必須順著濃度梯度通過(guò)微氣管擴(kuò)散，為飛行肌細(xì)胞供能?？茖W(xué)家們推斷，如此巨大的飛行昆蟲(chóng)如今不可能存在，因?yàn)楫?dāng)前大氣中的氧含量過(guò)低，無(wú)法滿足飛行肌肉對(duì)氧氣的高需求。

如今，一項(xiàng)由國(guó)際研究團(tuán)隊(duì) 3 月 25 日發(fā)表在《自然》的新研究提供了有力證據(jù)，反駁了這個(gè)已經(jīng)存在了 30 多年的理論。研究者采用高功率電子顯微鏡評(píng)估了體型大小對(duì)飛行肌中微氣管數(shù)量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)物種飛行肌內(nèi)微氣管所占空間通常僅為 1% 或更少，這一觀察結(jié)果在延伸至三億年前體型巨大、翼展超過(guò) 60 厘米的巨大蜻蜓時(shí)依然成立。這表明昆蟲(chóng)飛行肌并不受大氣氧含量限制，因?yàn)槲夤苷伎臻g極小，昆蟲(chóng)可輕易在肌肉中增加微氣管數(shù)量。

“如果大氣含氧量確實(shí)限制了昆蟲(chóng)的最大體型，那么氣管末梢層面應(yīng)當(dāng)存在補(bǔ)償機(jī)制的證據(jù)，”研究主要作者、南非比勒陀利亞大學(xué)（University of Pretoria）獸醫(yī)學(xué)院副教授 Edward (Ned) Snelling 表示，“較大型昆蟲(chóng)體內(nèi)確實(shí)存在某種補(bǔ)償機(jī)制，但從整體來(lái)看這種補(bǔ)償微乎其微?！?/p>

澳大利亞阿德萊德大學(xué)（Adelaide University）的 Roger Seymour 教授表示：“相比之下，鳥(niǎo)類和哺乳動(dòng)物心肌中的毛細(xì)血管所占的相對(duì)空間，約為昆蟲(chóng)飛行肌中微氣管所占空間的十倍。因此，如果氧氣輸送確實(shí)限制了體型大小，那么增加微氣管的投入應(yīng)該具有巨大的演化潛力?！?/p>

一些科學(xué)家反駁稱，氣管末端上游或身體其他部位的氧氣流動(dòng)仍可能限制體型大小，因此昆蟲(chóng)最大體型受氧氣限制的理論或許尚未被推翻。

無(wú)論如何，這些新數(shù)據(jù)明確顯示飛行肌微氣管中的擴(kuò)散作用并非此類限制因素?？茖W(xué)家們必須另尋他處來(lái)探究這些巨型昆蟲(chóng)存在的原因。若氧氣并非限制昆蟲(chóng)體型上限的因素，比如被脊椎動(dòng)物捕食，或是外骨骼自身的生物力學(xué)支撐限制。

https://www.eurekalert.org/news-releases/1121268

論文信息

【標(biāo)題】Oxygen supply through the tracheolar–muscle system does not constrain insect gigantism

【作者】Edward P. Snelling, Antonia V. Lensink, Susana Clusella-Trullas, Chris Weldon, Philipp Lehmann, John S. Terblanche, Nicholas L. Payne, Jon F. Harrison, Anthony J. R. Hickey, Ashleigh Donaldson, Christian M. Deschodt, Roger S. Seymour

【期刊】Nature

【時(shí)間】25 March 2026

【DOI】https://doi.org/10.1038/s41586-026-10291-3

【摘要】The idea that atmospheric oxygen has dictated the maximum body size of insects across their evolutionary history is ingrained in popular and scientific literature1,2,3. In Nature 30 years ago, the hypothesis was put forward that a limitation on oxygen diffusion at the level of the tracheoles constrains the maximum body size of insects and that increased atmospheric oxygen concentration in the late Palaeozoic permitted insect gigantism4. Here we contest this hypothesis by showing that the relative space occupied by tracheoles in the flight muscle of insects (1) increases by only 1.8-fold over a 10,000-fold body mass range (1,320 micrographs, 44 species, 10 orders), (2) is typically 1% or less in most species, and (3) that this observation holds when we extend our relationship to the long-extinct gigantic dragonfly-like Meganeuropsis permiana (approximately 100?g). The small space requirement and the lack of a strong increase in tracheolar investment with body size, despite clear evolutionary potential to do so, provide convincing evidence that diffusive oxygen transport through the tracheolar–muscle system does not constrain the maximum body size of extant or gigantic prehistoric insects.

【鏈接】https://www.nature.com/articles/s41586-026-10291-3