Vor etwa 300 Millionen Jahren sah die Erde ganz anders aus als heute. Zu dieser Zeit waren die Kontinente zu einem Kontinent namens Pangäa verbunden. In der Nähe des Äquators gab es ausgedehnte Kohlemoorwälder. Der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre war deutlich höher als heute. In diesem alten Land wüteten häufig Waldbrände. Im Meer blühten Fische, und an Land lebten Amphibien, frühe Reptilien und verschiedene Arthropoden, darunter auch Riesenkakerlaken. Und in der Luft beherrschten Insekten den Himmel, wobei einige Arten enorme Größen erreichten und ihre modernen Artgenossen bei weitem übertrafen.
Unter diesen Fluginsekten gibt es sowohl eintagsfliegenartige Insekten mit einer Flügelspannweite von etwa 45 Zentimetern als auch riesige „libellenartige“ Insekten mit einer Flügelspannweite von bis zu 70 Zentimetern. Diese riesigen Insekten, die oft zusammenfassend als „Greife“ bezeichnet werden, wurden erstmals anhand gut erhaltener Fossilienabdrücke in feinkörnigem Sedimentgestein in Kansas identifiziert und werden seit fast hundert Jahren untersucht. Lange Zeit herrschte die gängige Meinung vor, dass diese riesigen Insekten existieren könnten, weil der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre damals etwa 45 % höher war als heute, was die notwendigen Bedingungen für die Existenz riesiger Insekten bot. Eine kürzlich in „Nature“ veröffentlichte Studie stellt jedoch diese klassische Erklärung in Frage, dass „hoher Sauerstoffgehalt riesige Insekten hervorbringt“.
In den 1980er Jahren begannen Wissenschaftler, Methoden zur Rekonstruktion der Zusammensetzung der antiken Atmosphäre zu entwickeln. Verwandte Technologien zeigten, dass es vor etwa 300 Millionen Jahren einen Zeitraum mit einem deutlichen Anstieg des Luftsauerstoffgehalts gab. Im Jahr 1995 brachte eine in „Nature“ veröffentlichte Studie diesen Zeitraum mit hohem Sauerstoffgehalt offiziell mit der Existenz von Rieseninsekten in Verbindung und stellte die Hypothese auf, dass „Rieseninsekten mehr Sauerstoff benötigen und eine sauerstoffreiche Umgebung diese Größe ermöglicht“. Diese Idee basiert auf der einzigartigen Atmungsmethode von Insekten: Insekten haben keine Lunge, sondern sind für den Sauerstofftransport auf das Trachealsystem angewiesen – ein Netzwerk aus verzweigten Luftröhren, die sich durch den Körper ziehen und am Ende winzige Tracheolen bilden, und Sauerstoff diffundiert entlang des Konzentrationsgradienten in die Flugmuskulatur. Aufgrund der begrenzten Effizienz der Diffusion über große Entfernungen kamen die Forscher zu dem Schluss, dass es unter den heutigen Bedingungen mit niedrigerem Luftsauerstoff schwierig sein würde, derart große Fluginsekten zu halten, sodass Rieseninsekten in modernen atmosphärischen Umgebungen als „unerreichbar“ gelten.
Neue Forschungsergebnisse ergeben ein anderes Bild. Ein Team um Edward (Ned) Snelling von der University of Pretoria analysierte mithilfe hochauflösender Elektronenmikroskopie systematisch den Zusammenhang zwischen der Körpergröße von Insekten und der Anzahl der Trachealkanälchen in den Flugmuskeln. Sie fanden heraus, dass die Trachealkanälchen bei den meisten Insektenarten typischerweise nicht mehr als 1 % des Volumens der Flugmuskulatur ausmachen. Diese Regel kann auch auf riesige „Greiffliegen“ vor 300 Millionen Jahren übertragen werden, darunter solche mit Flügelspannweiten von mehr als 60 Zentimetern oder sogar annähernd 2 Fuß. Dies bedeutet, dass die Sauerstoffversorgungsstrukturen innerhalb der Flugmuskulatur nicht viel Platz beanspruchen und Insekten über „evolutionären Spielraum“ verfügen, die Anzahl der Trachealkanälchen bei Bedarf zu erhöhen, ohne drastische strukturelle Kosten zahlen zu müssen.
Darauf aufbauend wies das Forschungsteam darauf hin, dass die Sauerstoffversorgung der Flugmuskeln von Insekten nicht grundsätzlich durch den Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre begrenzt wird. Wenn der Luftsauerstoffgehalt tatsächlich eine „harte Obergrenze“ für die maximale Größe von Insekten darstellt, dann sollten wir bei größeren Insekten einen deutlichen „kompensatorischen Anstieg“ in den Trachealkanälchen der Flugmuskulatur beobachten. Snelling sagte, dass zwar bei großen Insekten tatsächlich ein gewisses Maß an Kompensation zu beobachten sei, diese Kompensation jedoch in der Gesamtstruktur betrachtet sehr begrenzt sei und bei weitem nicht ausreiche, um darauf hinzuweisen, dass der Luftsauerstoffgehalt allein die Obergrenze der Körpergröße bestimme.
Zur weiteren Veranschaulichung verglichen die Forscher auch Insekten mit Vögeln und Säugetieren. Im Herzmuskelgewebe von Vögeln und Säugetieren nehmen die Kapillaren, die dem Sauerstofftransport dienen, etwa zehnmal so viel Platz ein wie die Trachealkanälchen in der Flugmuskulatur von Insekten. Roger Seymour, ein Professor an der Universität Adelaide, der an der Studie beteiligt war, wies darauf hin, dass, wenn der Sauerstofftransport wirklich die Hauptbeschränkung für die Körpergröße von Insekten ist, Insekten das Potenzial haben, die Investition in Trachealkanälchen wie Wirbeltiere „erheblich zu erhöhen“, um die Obergrenze der Körpergröße zu durchbrechen. Dieser Vergleich schwächt die einzige kausale Erklärung, dass ein hoher Sauerstoffgehalt die Körpergröße riesiger Insekten bestimmt, weiter ab.
Natürlich haben einige Wissenschaftler gewarnt, dass der Luftsauerstoffgehalt den „Verdacht“ noch nicht vollständig ausgeräumt habe. Sauerstoff kann die Körpergröße in anderen Körperteilen des Insekts oder in frühen Stadien der Sauerstofftransportkette immer noch einschränken. Daher ist die Hypothese, dass „Sauerstoff die maximale Körpergröße von Insekten begrenzt“, immer noch schwer zu sagen, vollständig widerlegt. Neue Forschungsergebnisse zeigen jedoch deutlich, dass Sauerstoff zumindest bei der Diffusion der Trachealkanälchen innerhalb der Flugmuskulatur kein entscheidender Faktor für die Existenz von Rieseninsekten ist. Dies hat Forscher gezwungen, nach anderen möglichen Erklärungen zu suchen, um die offene Frage zu beantworten, wie Insekten einst so groß wurden und warum sie schließlich verschwanden.
In der aktuellen Diskussion werden unter anderem folgende alternative Faktoren erwähnt: Mit fortschreitender Evolution nehmen die Raubtiere der Wirbeltiere zu, und der Raubdruck durch Vögel, Reptilien usw. kann einen tiefgreifenden Einfluss auf die Entwicklung der Körpergröße von Insekten haben; Gleichzeitig kann die Obergrenze der mechanischen Festigkeit von Insekten-Exoskeletten bei einer bestimmten Körpergröße auch zu einer strukturellen „Obergrenze“ werden, was die Möglichkeit einer weiteren Vergrößerung der Körpergröße einschränkt. Allerdings fehlen diesen Hypothesen derzeit quantitative Beweise, die so weithin akzeptiert sind wie die „Hyperoxie-Theorie“, und sie müssen noch durch zukünftige Forschung bestätigt werden. Sicher ist, dass diese neue Analyse der Trachealkanälchen und Flugmuskeln das Rätsel um die Herkunft der antiken Rieseninsekten noch verwirrender macht.