3억년 전, 고생대 말기의 하늘은 거대한 곤충들로 윙윙거리고 있었습니다. 메가뉴로프시스 페르미아나현대의 잠자리를 닮은 포식성 곤충인 은 날개 길이가 70cm가 넘고 무게는 100g입니다. 생물학자들은 이 고대의 거대 생물을 관찰하고 왜 벌레가 더 이상 이렇게 크지 않은지 물었습니다. 30년 전, 그들은 ‘산소 제약 가설’이라는 답을 내놓았습니다.
수십 년 동안 우리는 매 크기의 잠자리가 생존하려면 산소가 풍부한 공기가 필요하다고 생각했습니다. 곤충의 호흡 시스템은 포유류, 새, 파충류의 호흡 시스템보다 효율성이 떨어지기 때문입니다. 대기 산소 수준이 떨어지면서 더 이상 거대 벌레를 지탱할 만큼 산소가 충분하지 않게 되었습니다. 프리토리아 대학의 수의학 교수인 에드워드 스넬링(Edward Snelling)은 “이것은 간단하고 우아한 설명입니다.”라고 말했습니다. “하지만 틀렸어요.”
곤충 호흡
포유동물과 달리 곤충에는 중앙집중화된 한 쌍의 폐와 산소가 풍부한 혈액을 조직에 전달하는 폐쇄 순환계가 없습니다. Snelling은 “그들은 기관 시스템이라고 불리는 내부화된 관을 통해 호흡합니다.”라고 설명했습니다.
공기는 기공이라고 불리는 외골격의 특수한 현창을 통해 곤충의 몸으로 들어갑니다. 거기에서 더 큰 관인 기관을 따라 이동하며, 기관은 점차적으로 기관이라고 알려진 현미경으로 얇고 끝이 막힌 관으로 갈라집니다. 이 기관은 곤충의 조직 내부 깊숙이 박혀 있으며, 그 옆에 이웃 세포의 미토콘드리아가 모여 있습니다.
곤충은 몸을 구부려 더 큰 기관으로 공기를 활발하게 펌핑할 수 있지만, 이 활성 펌핑은 라인의 맨 끝인 작은 기관에서 멈춥니다. 여기서 산소 전달은 수동 확산을 통해 최종 장벽을 통과하여 조직으로 전달됩니다.
확산의 문제는 속도가 매우 느리다는 것입니다. 산소 제약 가설은 곤충이 더 커질수록 산소가 가장 깊은 조직에 도달하기 위해 더 멀리 이동해야 한다고 주장했습니다.
Snelling은 “곤충이 점점 더 커지면서 확산의 어려움이 더욱 커집니다.”라고 말했습니다.
근육이 질식하는 것을 방지하려면 더 큰 곤충의 경우 산소 공급을 유지하기 위해 훨씬 더 넓거나 훨씬 더 많은 기관이 필요하며, 이는 구조적 전환점이 있어야 함을 의미합니다. 곤충이 너무 커지면 근육에 산소를 공급하는 데 필요한 호흡관의 양이 너무 많은 물리적 공간을 차지하게 됩니다. 기관지는 연료를 공급하려는 근육 섬유를 가득 채우고 곤충의 비행 성능이 심각하게 저하됩니다.
