約3億年前の地球は、現在の姿とは大きく異なっていました。当時、大陸はパンゲアと呼ばれる一つの大陸につながっていました。赤道近くには広大な石炭湿原の森があった。大気中の酸素含有量は今日のレベルよりも大幅に高かった。この古代の土地では頻繁に山火事が発生しました。魚は海で繁栄し、両生類、初期の爬虫類、巨大なゴキブリを含むさまざまな節足動物が陸上で定位置を占めました。そして空中では昆虫が空を支配し、一部の種は現代の昆虫をはるかに超える巨大なサイズに成長しました。


飛ぶ昆虫の中には、翼を広げると約45センチメートルのカゲロウのような昆虫と、翼を広げると最大70センチメートルになる巨大な「トンボのような」昆虫がいます。これらの巨大な昆虫は、総称して「グリフィン」と呼ばれることが多く、カンザス州のきめの細かい堆積岩にある保存状態の良い化石の印象から初めて特定され、100 年近く研究されてきました。長い間、これらの巨大な昆虫が存在できたのは、当時の大気中の酸素含有量が現在より約45％高く、巨大な昆虫が生息できる条件が整っていたためである、という考え方が主流であった。しかし、『Nature』誌に掲載された最近の研究は、「高酸素が巨大な昆虫を生み出す」というこの古典的な説明に疑問を投げかけています。

1980 年代に、科学者たちは古代の大気の組成を復元する方法の開発を始めました。関連技術は、約3億年前に大気中の酸素含有量が大幅に増加した時期があったことを示した。 1995年に『Nature』誌に発表された研究は、この高酸素時代と巨大昆虫の存在を正式に結び付け、「巨大昆虫はより多くの酸素を必要とし、高酸素環境がこのサイズを可能にしている」という仮説を提案した。このアイデアは、昆虫の独特の呼吸法に基づいています。昆虫には肺がありませんが、気管系に依存して酸素を輸送します。気管は体全体に枝分かれした気管のネットワークであり、最後に小さな気管が形成され、酸素は濃度勾配に沿って飛翔筋に拡散します。長距離にわたる拡散効率が限られているため、研究者らは、今日の大気中の酸素濃度が低い状況ではこのような巨大な飛行昆虫を維持するのは困難であると結論付けており、そのため現代の大気環境では巨大な昆虫は「達成不可能」であると考えられている。

新しい研究により、異なる状況が明らかになりました。プレトリア大学のエドワード（ネッド）・スネリング率いるチームは、高解像度電子顕微鏡を使用して、昆虫の体の大きさと飛翔筋の気管細管の数との関係を体系的に分析しました。彼らは、ほとんどの昆虫種では、通常、気管細管が飛翔筋の体積のわずか 1% しか占めていないことを発見しました。この規則は、翼幅が 60 センチメートルを超え、さらには 2 フィートに近いものさえも含む、3 億年前の巨大な「グリフォン ハエ」にも当てはめることができます。これは、飛翔筋内の酸素供給構造がそれほどスペースをとらず、昆虫には、大幅な構造コストを支払うことなく、必要に応じて気管細管の数を増やす「進化の余地」があることを意味します。

これに基づいて研究チームは、昆虫の飛翔筋への酸素供給は大気中の酸素レベルによって基本的に制限されないことを指摘した。もし大気中の酸素濃度が本当に昆虫の最大サイズの「厳しい上限」であるなら、より大きな昆虫では飛翔筋の気管細管に明らかな「代償的増加」が見られるはずだ。スネリング教授は、大型の昆虫では確かにある程度の補償が観察されるものの、構造全体で見るとこの補償は非常に限定的であり、大気中の酸素含有量だけで体の大きさの上限が決まることを示すのに十分ではないと述べた。

さらに実証するために、研究者らは昆虫と鳥や哺乳類との比較も行った。鳥類や哺乳類の心筋組織では、酸素の輸送に使用される毛細血管が昆虫の飛翔筋の気管細管の約10倍の空間を占めています。この研究に参加したアデレード大学のロジャー・シーモア教授は、酸素輸送が本当に昆虫の体サイズに対する主要な制約であるならば、昆虫は上半身サイズの限界を突破するために脊椎動物と同様に気管細管への投資を「大幅に増やす」可能性があると指摘した。この比較は、高酸素が巨大な昆虫の体の大きさを決定するという単一の因果関係の説明をさらに弱めます。

もちろん、一部の科学者は、大気中の酸素濃度が「疑惑を完全に晴らした」わけではないと警告している。昆虫の体の他の部分や酸素輸送連鎖の初期段階では、酸素が依然として体の大きさを制限している可能性があります。したがって、「酸素が昆虫の最大体サイズを制限する」という仮説は、依然として完全に覆されたとは言い難い。しかし、新しい研究は、少なくとも飛翔筋内の気管細管の拡散において、酸素は巨大昆虫の存在を決定する重要な要素ではないことを明らかに示している。このため研究者らは、昆虫がかつてどのようにしてこれほど大きくなったのか、そしてなぜ最終的には消滅したのかという未解決の疑問に答えるために、他の考えられる説明を検討することを余儀なくされた。

現在の議論では、代替要因として次のものが挙げられています。進化が進むにつれて、脊椎動物の捕食者が増加し、鳥や爬虫類などからの捕食圧力が昆虫の体サイズの進化に大きな影響を与える可能性があります。同時に、昆虫の外骨格の機械的強度の上限も、特定の体サイズスケールでは構造的な「天井」となり、体サイズをさらに大きくする実現可能性が制限される可能性があります。しかし、これらの仮説には現在、「高酸素理論」と同じくらい広く受け入れられている定量的証拠が不足しており、将来の研究によってまだ検証される必要があります。確かなことは、気管細管と飛翔筋に関するこの新たな分析により、古代の巨大昆虫の起源の謎がさらに混乱するということだ。