Khoảng 300 triệu năm trước, trái đất trông hoàn toàn khác so với ngày nay. Vào thời điểm đó, các lục địa được kết nối thành một lục địa gọi là Pangea. Có những khu rừng đầm lầy than rộng lớn gần xích đạo. Hàm lượng oxy trong khí quyển cao hơn đáng kể so với mức ngày nay. Cháy rừng thường xuyên hoành hành khắp vùng đất cổ xưa này. Cá phát triển mạnh ở đại dương, các loài lưỡng cư, bò sát sơ khai và nhiều loài động vật chân đốt khác nhau chiếm giữ vị trí của chúng trên đất liền, bao gồm cả những con gián khổng lồ. Và trong không khí, côn trùng thống trị bầu trời, với một số loài phát triển đến kích thước khổng lồ, vượt xa các loài hiện đại.


Trong số những loài côn trùng bay này, có cả loài côn trùng giống phù du với sải cánh khoảng 45 cm và loài côn trùng "giống chuồn chuồn" khổng lồ với sải cánh lên tới 70 cm. Những loài côn trùng khổng lồ này, thường được gọi chung là "griffin", lần đầu tiên được xác định từ các vết hóa thạch được bảo quản tốt trong đá trầm tích hạt mịn ở Kansas và đã được nghiên cứu trong gần một trăm năm. Trong một thời gian dài, quan điểm chủ đạo cho rằng những loài côn trùng khổng lồ này có thể tồn tại là do hàm lượng oxy trong khí quyển lúc đó cao hơn hiện nay khoảng 45%, cung cấp những điều kiện cần thiết để hỗ trợ các loài côn trùng khổng lồ. Tuy nhiên, một nghiên cứu gần đây được công bố trên tạp chí Nature thách thức lời giải thích cổ điển này về việc “oxy cao tạo ra côn trùng khổng lồ”.

Vào những năm 1980, các nhà khoa học bắt đầu phát triển các phương pháp tái tạo lại thành phần của bầu khí quyển cổ xưa. Các công nghệ liên quan cho thấy đã có một thời kỳ hàm lượng oxy trong khí quyển tăng lên đáng kể khoảng 300 triệu năm trước. Năm 1995, một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature đã chính thức liên kết giai đoạn có lượng oxy cao này với sự tồn tại của côn trùng khổng lồ, đưa ra giả thuyết rằng "côn trùng khổng lồ cần nhiều oxy hơn và môi trường có lượng oxy cao khiến kích thước này có thể xảy ra". Ý tưởng này dựa trên phương pháp thở độc đáo của côn trùng: côn trùng không có phổi mà dựa vào hệ thống khí quản để vận chuyển oxy - một mạng lưới khí quản phân nhánh khắp cơ thể, tạo thành các khí quản cực nhỏ ở cuối, oxy khuếch tán theo gradient nồng độ vào các cơ bay. Do hiệu quả khuếch tán trên khoảng cách xa bị hạn chế, các nhà nghiên cứu kết luận rằng sẽ khó duy trì những loài côn trùng bay khổng lồ như vậy trong điều kiện oxy trong khí quyển thấp hơn ngày nay, vì vậy côn trùng khổng lồ được coi là “không thể đạt được” trong môi trường khí quyển hiện đại.

Nghiên cứu mới đưa ra một bức tranh hoàn toàn khác. Một nhóm do Edward (Ned) Snelling thuộc Đại học Pretoria dẫn đầu đã sử dụng kính hiển vi điện tử có độ phân giải cao để phân tích một cách có hệ thống mối quan hệ giữa kích thước cơ thể côn trùng và số lượng ống khí quản trong cơ bay. Họ phát hiện ra rằng ở hầu hết các loài côn trùng, ống khí quản thường chiếm không quá 1% thể tích của cơ bay. Quy luật này cũng có thể được ngoại suy cho những “ruồi gryphon” khổng lồ cách đây 300 triệu năm, bao gồm cả những loài có sải cánh vượt quá 60 cm hoặc thậm chí gần 2 feet. Điều này có nghĩa là cấu trúc cung cấp oxy bên trong cơ bay không chiếm nhiều không gian và côn trùng có "phạm vi tiến hóa" để tăng số lượng ống khí quản khi cần thiết mà không phải trả chi phí cấu trúc lớn.

Dựa trên điều này, nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc cung cấp oxy cho cơ bắp bay của côn trùng về cơ bản không bị giới hạn bởi mức oxy trong khí quyển. Nếu nồng độ oxy trong khí quyển thực sự là "giới hạn trên cứng" đối với kích thước tối đa của côn trùng, thì ở những loài côn trùng lớn hơn, chúng ta sẽ thấy sự "tăng bù" rõ ràng trong các ống khí quản của cơ bay. Snelling cho biết, mặc dù thực tế đã quan sát thấy một mức độ bù trừ nhất định ở côn trùng lớn, nhưng khi xem xét trong cấu trúc tổng thể, sự bù trừ này rất hạn chế và chưa đủ để chỉ ra rằng chỉ riêng hàm lượng oxy trong khí quyển quyết định giới hạn trên của kích thước cơ thể.

Để chứng minh thêm, các nhà nghiên cứu còn so sánh côn trùng với chim và động vật có vú. Trong mô cơ tim của chim và động vật có vú, các mao mạch dùng để vận chuyển oxy chiếm tỷ lệ không gian gấp khoảng 10 lần so với các ống khí quản trong cơ bay của côn trùng. Roger Seymour, giáo sư tại Đại học Adelaide, người tham gia nghiên cứu, chỉ ra rằng nếu vận chuyển oxy thực sự là hạn chế chính đối với kích thước cơ thể côn trùng, thì côn trùng có khả năng “tăng đáng kể” đầu tư vào ống khí quản như động vật có xương sống để vượt qua giới hạn kích thước cơ thể trên. Sự so sánh này làm suy yếu thêm lời giải thích nhân quả duy nhất rằng lượng oxy cao quyết định kích thước cơ thể côn trùng khổng lồ.

Tất nhiên, một số nhà khoa học đã nhắc nhở rằng nồng độ oxy trong khí quyển vẫn chưa hoàn toàn “xóa tan nghi ngờ”. Oxy vẫn có thể hạn chế kích thước cơ thể ở các bộ phận khác trên cơ thể côn trùng hoặc trong giai đoạn đầu của chuỗi vận chuyển oxy. Vì vậy, giả thuyết “oxy giới hạn kích thước cơ thể tối đa của côn trùng” vẫn khó nói đã bị lật tẩy hoàn toàn. Tuy nhiên, nghiên cứu mới cho thấy rõ ràng rằng, ít nhất là trong quá trình khuếch tán của ống khí quản trong cơ bay, oxy không phải là yếu tố quan trọng quyết định sự tồn tại của côn trùng khổng lồ. Điều này đã buộc các nhà nghiên cứu phải xem xét những lời giải thích khả thi khác để trả lời câu hỏi mở về việc tại sao côn trùng lại phát triển lớn đến vậy và tại sao cuối cùng chúng lại biến mất.

Trong cuộc thảo luận hiện tại, một số yếu tố thay thế được đề cập bao gồm: khi quá trình tiến hóa diễn ra, động vật ăn thịt có xương sống tăng lên và áp lực săn mồi từ chim, bò sát, v.v. có thể có tác động sâu sắc đến sự tiến hóa về kích thước cơ thể côn trùng; đồng thời, giới hạn trên của độ bền cơ học của bộ xương ngoài côn trùng cũng có thể trở thành “trần” cấu trúc ở một kích thước cơ thể nhất định, hạn chế tính khả thi của việc tăng thêm kích thước cơ thể. Tuy nhiên, những giả thuyết này hiện thiếu bằng chứng định lượng được chấp nhận rộng rãi như “lý thuyết tăng oxy máu” và vẫn cần được xác minh bằng nghiên cứu trong tương lai. Điều chắc chắn là phân tích mới này về ống khí quản và cơ bay khiến bí ẩn về nguồn gốc của loài côn trùng khổng lồ cổ đại càng trở nên khó hiểu hơn.