Il y a environ 300 millions d’années, la Terre était très différente de ce qu’elle est aujourd’hui. À cette époque, les continents étaient reliés en un seul continent appelé Pangée. Il y avait de vastes forêts de tourbières houillères près de l’équateur. La teneur en oxygène de l'atmosphère était nettement supérieure aux niveaux actuels. De fréquents incendies de forêt faisaient rage sur cette terre ancienne. Les poissons prospéraient dans l'océan et les amphibiens, les premiers reptiles et divers arthropodes occupaient leur place sur terre, notamment des blattes géantes. Et dans les airs, les insectes dominaient le ciel, certaines espèces atteignant des tailles énormes, dépassant de loin leurs homologues modernes.


Parmi ces insectes volants, il existe à la fois des insectes ressemblant à des éphémères avec une envergure d'environ 45 centimètres et des insectes géants « ressemblant à des libellules » avec une envergure allant jusqu'à 70 centimètres. Ces insectes géants, souvent appelés collectivement « griffons », ont été identifiés pour la première fois à partir d'empreintes fossiles bien conservées dans des roches sédimentaires à grains fins du Kansas et ont été étudiés pendant près de cent ans. Pendant longtemps, l’opinion dominante a été que ces énormes insectes pourraient exister parce que la teneur en oxygène de l’atmosphère à cette époque était environ 45 % plus élevée qu’aujourd’hui, fournissant les conditions nécessaires pour soutenir les insectes géants. Cependant, une étude récente publiée dans Nature remet en question cette explication classique selon laquelle « une forte teneur en oxygène crée des insectes géants ».

Dans les années 1980, les scientifiques ont commencé à développer des méthodes permettant de reconstituer la composition de l’atmosphère ancienne. Les technologies associées ont montré qu’il y a eu une période d’augmentation significative de la teneur en oxygène de l’atmosphère il y a environ 300 millions d’années. En 1995, une étude publiée dans Nature a formellement lié cette période de forte teneur en oxygène à l'existence d'insectes géants, proposant l'hypothèse que « les insectes géants ont besoin de plus d'oxygène, et un environnement riche en oxygène rend cette taille possible ». Cette idée est basée sur la méthode de respiration unique des insectes : les insectes n'ont pas de poumons, mais dépendent du système trachéal pour transporter l'oxygène - un réseau de trachées ramifiées dans tout le corps, formant de minuscules trachéoles à l'extrémité, et l'oxygène se diffuse le long du gradient de concentration dans les muscles du vol. En raison de l'efficacité limitée de la diffusion sur de longues distances, les chercheurs ont conclu qu'il serait difficile de maintenir des insectes volants aussi énormes dans les conditions actuelles de faible teneur en oxygène atmosphérique. Les insectes géants sont donc considérés comme « irréalisables » dans les environnements atmosphériques modernes.

De nouvelles recherches donnent une image différente. Une équipe dirigée par Edward (Ned) Snelling de l'Université de Pretoria a utilisé la microscopie électronique à haute résolution pour analyser systématiquement la relation entre la taille du corps des insectes et le nombre de tubules trachéaux dans les muscles du vol. Ils ont découvert que chez la plupart des espèces d’insectes, les tubules trachéaux ne représentent généralement pas plus de 1 % du volume des muscles du vol. Cette règle peut également être extrapolée aux « mouches griffons » géantes d’il y a 300 millions d’années, y compris celles dont l’envergure dépassait 60 centimètres ou approchait même les 2 pieds. Cela signifie que les structures d'approvisionnement en oxygène dans les muscles du vol ne prennent pas beaucoup de place et que les insectes ont une « possibilité d'évolution » pour augmenter le nombre de tubules trachéaux en cas de besoin sans avoir à payer un coût structurel drastique.

Sur cette base, l’équipe de recherche a souligné que l’apport d’oxygène aux muscles de vol des insectes n’est pas fondamentalement limité par le niveau d’oxygène dans l’atmosphère. Si les niveaux d'oxygène atmosphérique constituent réellement une « limite supérieure stricte » pour la taille maximale des insectes, alors chez les insectes plus gros, nous devrions observer une nette « augmentation compensatoire » dans les tubules trachéaux des muscles du vol. Snelling a déclaré que même si un certain degré de compensation est effectivement observé chez les grands insectes, vu dans la structure globale, cette compensation est très limitée et est loin d'être suffisante pour indiquer que la teneur en oxygène atmosphérique détermine à elle seule la limite supérieure de la taille du corps.

Pour le démontrer davantage, les chercheurs ont également comparé les insectes avec les oiseaux et les mammifères. Dans le tissu musculaire cardiaque des oiseaux et des mammifères, les capillaires utilisés pour transporter l’oxygène occupent environ dix fois plus d’espace que les tubules trachéaux des muscles du vol des insectes. Roger Seymour, professeur à l'Université d'Adélaïde qui a participé à l'étude, a souligné que si le transport de l'oxygène est réellement la principale contrainte sur la taille du corps des insectes, alors les insectes ont le potentiel d'« augmenter considérablement » l'investissement dans les tubules trachéaux comme les vertébrés afin de dépasser la limite supérieure de taille du corps. Cette comparaison affaiblit encore l’explication causale unique selon laquelle un taux élevé d’oxygène détermine la taille du corps des insectes géants.

Bien entendu, certains scientifiques ont averti que les niveaux d’oxygène dans l’atmosphère n’ont pas complètement « dissipé les soupçons ». L'oxygène peut encore limiter la taille du corps dans d'autres parties du corps de l'insecte ou aux premiers stades de la chaîne de transport de l'oxygène. Par conséquent, l’hypothèse selon laquelle « l’oxygène limite la taille maximale du corps des insectes », encore difficile à dire, a été complètement renversée. Cependant, de nouvelles recherches montrent clairement que, du moins dans la diffusion des tubules trachéaux dans les muscles du vol, l'oxygène n'est pas un facteur critique pour déterminer l'existence d'insectes géants. Cela a obligé les chercheurs à examiner d’autres explications possibles pour répondre à la question ouverte de savoir comment les insectes étaient autrefois devenus si gros et pourquoi ils ont finalement disparu.

Dans la discussion actuelle, certains facteurs alternatifs mentionnés incluent : à mesure que l'évolution progresse, les prédateurs vertébrés augmentent et la pression de prédation des oiseaux, des reptiles, etc. peut avoir un impact profond sur l'évolution de la taille du corps des insectes ; dans le même temps, la limite supérieure de la résistance mécanique des exosquelettes d'insectes peut également devenir un « plafond » structurel à une certaine échelle de taille corporelle, limitant la faisabilité d'une augmentation supplémentaire de la taille corporelle. Cependant, ces hypothèses manquent actuellement de preuves quantitatives aussi largement acceptées que la « théorie de l’hyperoxie » et doivent encore être vérifiées par de futures recherches. Ce qui est sûr, c’est que cette nouvelle analyse des tubules trachéaux et des muscles du vol rend encore plus confus le mystère de l’origine des insectes géants anciens.