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为什么昆虫体型总是那么小?

巨型昆虫是科幻电影很好的素材来源。不起眼的小虫子可能以辐射或是药物等各种因素发生变异,变异后的巨型虫子体长几百米,翅膀扑动的声音宛若天雷,经过的地方都变为一片荒芜。


    巨型虫子,人类是没有对付过的,一般的利器拿它没有办法。于是勇士出现,以舍小家为大家的精神与巨虫搏斗。几个回合下来,巨虫毫发无伤,勇士却已体力不支。就在巨型虫子打算给予其最后一击的时候,勇士buff加成,爆发出无比强大的力量将巨虫消灭,拯救了世界。

为什么昆虫体型总是那么小?

    虽是科幻,但人们总习惯于将其影射到现实中,考虑着如果出现了巨型昆虫,我们该怎么办,也许还会想着自己是否是那个可以拯救世界的英雄。

    这次不说你异想天开了。因为如果虫子真的变大了,或许真的可以圆你的英雄梦。只不过你不需要有超能力,只要往虫子面前一站,它们没准就会全部倒下。当然不是因为你的气场太强大,它们只不过是被自己憋死的。

    虫子自己把自己憋死,听起来也有些难以置信,不过这确确实实是巨型昆虫来到当下世界的下场。当然,巨型昆虫也是存在过的。

    1880年,在法国南部的科芒特里,煤矿工人们意外挖出了一块有着超大翅膀的巨型昆虫化石。法国古生物学家查尔斯·布隆尼亚特于1885年在仔细的观察研究后将其命名为“巨脉蜻蜓”。1979年人们在德比郡的博尔索弗发现了另外一块巨脉蜻蜓的化石,现存放在巴黎的法国国立自然史博物馆内。

巨脉蜻蜓化石

    这种蜻蜓与现代的蜻蜓在外表上比较相似,但是巨脉蜻蜓翅膀展开可长达75厘米,是现代蜻蜓的6倍左右,也是地球上有史以来最大的昆虫。

    这种与现代老鹰一般大小的蜻蜓以其他的飞行或者爬行类昆虫为食,甚至会吃一些小的早期两栖类动物。迈克尔·克瑞奇顿的小说《侏罗纪公园》里提到的巨型蜻蜓,便来源于此。

    巨脉蜻蜓生活于距今3亿年左右的石炭纪,没错,比生活于距今2.5亿年至6500万年的体型巨大的恐龙更早地存在于这个世界。除了巨脉蜻蜓,食指长度的蚊子,1.55米长的千足虫,还有2.6米长的巨型蜈蚣等等,都是这一时代的产物,因而石炭纪也被称为“巨虫时代”。

   石炭纪的森林与巨虫

    这类巨型节肢动物在地球上生活了大约5000万年,在距今约3.06亿年的石炭纪晚期的生物大灭绝中消失,之后的“大复苏”并没有使其体型恢复到石炭纪时的水平。随着时间的推移与生命的演进,虫子渐渐变成了现在这样的大小。

    既然虫子是可以长得很大的,并且曾经主宰着这个世界,那现在为什么却变成了最微小的生物之一,而且一拖鞋就能被拍死呢?

    2012年美国加州大学圣克鲁斯分校的古生物学家马修·克拉彭和杰瑞德·卡尔发表文章称,他们编纂了一个涵盖了过去3.2亿年的10500多个昆虫化石的数据库,以显示它们的翼长在演进过程中的变化。

3.2亿年来昆虫翼长和大气中氧气浓度的变化图

    他们发现,在昆虫进化的前1.5亿年中,其体型大小与当时的氧气浓度有一定的相关性,在含氧量高的环境中,昆虫往往有更大的体型;但是之后这种关联性消失了,昆虫也出现了小型化趋势。在大约6000万年前,昆虫的最大尺寸进一步缩小。

    昆虫体型开始出现缩小趋势的时间点,恰逢鸟类捕食技巧的增强。通过化石研究发现当时的鸟类获得了相应解剖结构,其捕食能力大大提高。体型偏大的昆虫,因容易被发现以及行动相对不敏捷而容易受到捕食。而在6000万年前,蝙蝠的进化、白垩纪大灭绝或者鸟类的进一步飞行特化的发生,很好地解释了昆虫体型的进一步缩小。

鸟类的演变

 

    那么在天敌出现之前,与昆虫体型有明显关联性的氧气浓度,是否是一个制约因素呢?

     巨虫生活的时代,氧含量确实十分丰富。石炭纪是植物世界大繁盛的代表时期,当时气候温暖湿润,极有利于植物的生长。陆生植物从滨海走向陆地,形成一片一片的森林与沼泽。乔木高大,灌木茂密,有些乔木高达三四十米。茂密的森林改变着陆地面貌的同时,大量的光合作用也影响着大气的组成。

    现在大气中氧气含量约为21%,而美国耶鲁大学生物学家罗伯特·贝尔纳等人在一项古气候研究显示,石炭纪地球大气层中氧气含量可高达35%左右,远远大于现在的水平。

    宗普,薛进庄.不同生物地球化学模型估计的显生宙大气氧含量变化

    实线:贝尔纳等的模型,浅灰点线:贝尔纳模型,黑色虚线:伯格曼模型

    科学家将同一代的蜻蜓在不同的含氧条件下进行培养。结果发现高氧环境下蜻蜓的体长比正常条件下的蜻蜓长20%-25%,并且长的更快。虽然不及石炭纪那种大小,还是能够说明氧浓度对蜻蜓的体长有一定的影响。而这种影响具体的发生方式要从昆虫的呼吸作用说起。

    高氧含量环境下的蜻蜓体长要比正常条件下的蜻蜓长20%-25%

    麻雀虽小五脏俱全,但是你听说过虫子有心肝脾肺肾吗?打蟑螂的时候,一拖鞋下去爆出来的只是一堆白乎乎的粘稠物。遇到虫子时,大多数人会选择避而远之,所以可能很少会去仔细地观察一只昆虫。

    但是观察昆虫的解剖结构,我们会发现,它们根本就没有肺,那它是怎么呼吸的?如果养过蚕宝宝或者见过毛毛虫的话,你一定会对它们身体侧面的几排或黑或红的小点有印象。这就是大多数昆虫的呼吸系统的组成成分之一——气门。

    气门与昆虫体内的气管相接,气管分支末端形成微细盲管可伸入组织内或细胞表面。大部分的昆虫全身都像这样布满了发达的网状结构,这样便使得外界的氧气可以自上而下运送到身体各处,如此构成了绝大多数陆栖昆虫的气门-气管呼吸系统。

    我们平时会看见昆虫的嘴在动,它们不过是单纯地进食而已。你蒙住它的嘴巴,它也不会窒息。

    这种用全身呼吸的生物,也在用全身进行着思考。昆虫的脑子叫做“神经节”,遍布于身体各处,控制着附近的器官,使昆虫得以呼吸、进食和消化。比如说对于有翅的昆虫,其位于胸部的神经节就控制着它们的爬行与飞行。

    所以当昆虫失去自己的头部之后,他们仍旧可以蹦跶几天,最后死于饥饿与缺水。

    这种全然不同的生理结构,导致对昆虫来说,其体型越大,需要的气管就越长,氧气最后运送到远处细胞的时间会更长,但是氧气量更少,从而影响正常的生命活动。而当氧气含量充足的时候,即使昆虫的体型很大,也可以有足够的氧气输送至体内各处。

    体型较大的昆虫气管较长,氧气到达相应细胞所需时间长,而含量却很低,便会导致细胞没有及时充足的氧气供应而死亡。

    在目前的氧气含量情况下,气管长度已经达到了极限,摄入的氧气量可以满足它们正常的飞行或者爬行的需要。一旦体型再增大,昆虫就无法正常生活。

    现在有些所谓的“巨型昆虫”为了避免氧气的不充分所带来的影响,尽可能的使自己变得细长,比如现在最大的昆虫是中国的一种竹节虫,其体长可达62.4厘米。

    还有些昆虫体长不及竹节虫,但是体型也不小。仅生活在新西兰的几个岛屿中的巨沙螽,其成年后可以长到10厘米左右,体重可达80多克,是一般蝗虫的50多倍。因为生活在孤立的岛屿中,缺乏大型天敌,所以巨沙螽从两亿年前到现在其形体特征几乎没有改变。

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巨沙螽

    另外,生活在南美洲的亚马逊雨林中的泰坦甲虫是世界上最大的甲虫之一,成年后可达17厘米,比人的手掌还大。有趣的是成年甲虫从不进食,而是到处飞来飞去寻找配偶。

    但并不是所有的实验都显示出昆虫体型与氧气浓度的相关性。亚利桑那大学的昆虫研究员乔恩·哈里森和他的同事展开了更深入的研究。

    他们以蝗虫、米虫、果蝇以及一些其他昆虫为研究对象,将同种昆虫分别饲养于含有不同氧气浓度的环境中。结果发现高氧环境中的个体不一定会变大,同样的,在低氧环境中的个体也不一定会出现变小的趋势。

    后来科学家又用果蝇做了相同的实验,得到的结果与乔恩的实验结果一致,即有的果蝇在高氧环境中体型增大,有的并没有。

    但是在氧气含量高,气压也高的情况下,他们发现,实验果蝇培育到第五代时,身体尺寸增长了20%。实验结果表明,气压可能也会影响昆虫体型的大小。

    那么昆虫为何放弃巨大的体型,反而走向小型化道路呢?这仍值得深入研究,但这无疑是适应环境的结果。一般来说强势的动物都会朝着巨大化发展,在稳定环境中大型个体在抢占栖息地、捕食求偶中更为有利。

    寒武纪大爆发后,强势的物种体型都不小,包括曾经刚刚称霸陆地的昆虫。但是昆虫后续的发展颠覆了这个规律,小型化让它们几乎占领了地球上每一处生态环境,昆虫的种类和个体数量都是全球之最,是最成功的一类动物。

    人家好不容易走出了一条崭新的道路来,我们却总是要搞什么巨大化的幻想,有问过人家昆虫的感受吗?


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