Insects are becoming smaller: miniaturization

According to different studies, multicellular organisms tend to become smaller and smaller through time. This phenomenon is called miniaturization and is considered one of the most significative evolutionary trends among insects. Miniaturization is a driving force for diversity and evolutionary novelties, even though it must deal with some limitations.

Learn more about this phenomenon and met some of the most extreme cases of miniaturization among insects through this post.

Why are animals becoming smaller?

For some years now, multiple studies suggest there is a widely extended trend to miniaturization among multicellular animals (i. e. organisms composed by more than one cell).

Miniaturization is a remarkable natural phenomenon headed to the evolution of extremely small bodies. This process has been observed in different non-related groups of animals:

• Shrews (Soricomorpha: Soricidae), mammals.
• Hummingbirds (Apodiformes: Trochilidae), birds.
• Diverse groups of insects and arachnids.

To know more about giant insects, you can read “Size matters (for insects)!“

Diversification and speciation processes have given place to lots of new species through time, all of them constantly competing for limited space and food sources. This scenario turns even more drastic in tropical regions, where diversification rates are extremely high.

Learn about the ecological niche concept by reading “The living space of organisms“.

Facing the increasing demands of space and resources, evolution has given place to numerous curious phenomena such as miniaturization to solve these problems: by becoming smaller, organisms (either free-living or parasites) gain access to new ecological niches, get new food sources and avoid predation.

Despite many animals tend to miniaturization, this phenomenon is more frequently observed among arthropods, being one of their most remarkable evolutionary trends. Moreover, arthropods hold the record of the smallest multicellular organisms known to date, some of which are even smaller than an amoeba!

Guinness World Record of the smallest insects

The smallest arthropods are crustaceans belonging to the subclass Tantulocarida, which are ectoparasites of other groups of crustaceans, such as copepods or amphipodes. The species Tantulacus dieteri is still considered the smallest species of arthropods worldwide, which barely measures 85 micrometers (0,085 millimeters), thus being smaller than many unicellular life beings.

However, insects do not lag far behind.

Mymaridae

Mymaridae (or fairyflies) are a family of wasps inside the superfamily Chalcidoidea from temperate and tropical regions. Adults, ranging from 0.5 to 1 millimeter, develop as parasites of other insects’ eggs (e. g. bugs, Heteroptera). For this reason, fairyflies are very valuable as biological control agents of some harmful pests. Also, they are amongst the smallest insects worldwide.

Currently, the one holding the record as the smallest known adult insect is the apterous (wingless) male of the species Dicopomorpha echmepterygis from Costa Rica, with a registered minimum size of 0.139 millimeters. They neither have eyes nor mouthparts, and their legs endings are deeply modified to get attached to the females (somewhat bigger and winged) time enough to fertilize them. They are even smaller than a paramecium, a unicellular organism!

You can read “Basic microbiology (I): invisible world” to know more about unicellular organisms.

Male of D. echmepterygis. Link.

Fairyflies also include the smallest winged insects worldwide: the species Kikiki huna from Hawaii, with and approximate size of 0.15 millimeters.

Trichogrammatidae

Like fairyflies, trichogrammatids are tiny wasps of the superfamily Chalcidoidea that parasite eggs of other insects, especially lepidopterans (butterflies and moths). Adults of almost all the species measure less than 1 millimeter and are distributed worldwide. Adult males of some species are wingless and mate with their own sisters within the host egg, dying shortly after without even leaving it.

The genus Megaphragma contains two of the smallest insects worldwide after fairyflies: Megaphragma caribea (0.17 millimeters) and Megaphragma mymaripenne (0.2 millimeters), from Hawaii.

A) M. mymaripenne; B) Paramecium caudatum. Link.

Trichogrammatids also have one of the smallest known nervous systems, and that of the species M. mymaripenne is one of the most reduced and specials worldwide, as it is composed by only 7400 neurons without nucleus. During the pupae stage, this insect develops neurons with functional nuclei which are able to synthetize enough proteins for the entire adulthood. Once adulthood is reached, neurons lose their nuclei and become smaller, thus saving space.

Ptiliidae

Ptiliidae is a cosmopolitan family of tiny beetles known for including the smallest non-parasitic insects worldwide: the genera Nanosella and Scydosella.

Ptiliidae eggs are very large in comparison with the adult female size, so they can develop a single egg at a time. Other species undergo parthenogenesis.

Learn some more about parthenogensis by reading “Immaculate Conception…in reptiles and insects“.

Currently, the smallest Ptiliidae species known and so the smallest non-parasitic (free living) insect worldwide is Scydosella musawasensis (0.3 millimeters), from Nicaragua and Colombia.

Scydosella musawasensis. Link (original picture: Polilov, A (2015) How small is the smallest? New record and remeasuring of Scydosella musawasensis Hall, 1999 (Coleoptera, Ptiliidae), the smallest known free-living insect).

Consequences of miniaturization

Miniaturization gives rise to many anatomical and physiological changes, generally aimed at the simplification of structures. According to Gorodkov (1984), the limit size of miniaturization is 1 millimeter; under this critical value, the body would suffer from deep simplifications that would hinder multicellular life.

While this simplification process takes places within some groups of invertebrates, insects have demonstrated that they can overcome this limit without too many signs of simplification (conserving a large number of cells and having a greater anatomical complexity than other organisms with a similar size) and also giving rise to evolutionary novelties (e. g. neurons without nucleus as M. mymaripenne).

However, getting so small usually entails some consequences:

• Simplification or loss of certain physiological functions: loss of wings (and, consequently, flight capacity), legs (or extreme modifications), mouthparts, sensory organs.
• Considerable changes in the effects associated with certain physical forces or environmental parameters: capillary forces, air viscosity or diffusion rate, all of them associated with the extreme reduction of circulatory and tracheal (or respiratory) systems. That is, being smaller alters the internal movements of gases and liquids.

So, does miniaturization have a limit?

The answer is yes, although insects seem to resist to it.

There are several hypotheses about the organ that limits miniaturization. Both the nervous and the reproductive systems, as well as the sensory organs, are very intolerant to miniaturization: they must be large enough to be functional, since their functions would be endangered by a limited size; and so, the multicellular life.

.             .            .

Multicellular life reduction seems to have no limits. Will we find an even smaller insect? Time will tell.

Main picture: link.

Insectos cada vez más pequeños: el fenómeno de la miniaturización

Según apuntan algunos estudios, los organismos multicelulares tienden a hacerse cada vez más pequeños. Este proceso, conocido como miniaturización, es una de las principales tendencias evolutivas de los insectos. La miniaturización es un motor para la diversidad y las innovaciones evolutivas; sin embargo, también conlleva ciertas limitaciones.

En este artículo, te explicamos en qué consiste este fenómeno y te presentamos algunos de los casos más extremos de miniaturización entre los insectos.

¿Por qué los animales son cada vez más pequeños?

Desde hace años, múltiples estudios apuntan que entre los animales multicelulares (todos aquellos compuestos por más de una célula) existe una tendencia bastante extendida a la miniaturización.

La miniaturización es el proceso evolutivo encaminado a la adquisición de cuerpos extremadamente pequeños. El fenómeno de la miniaturización se ha observado en grupos animales muy diversos, por ejemplo:

• Musarañas (Soricomorpha: Soricidae), mamíferos.
• Colibríes (Apodiformes: Trochilidae), aves.
• Diversos grupos de insectos y de arácnidos.

Para saber más sobre insectos gigantes, puedes leer “¡El tamaño sí que importa (para los insectos)!“

A lo largo de la evolución, la diversificación y los fenómenos de especiación han dado lugar a innumerables nuevas especies, todas compitiendo por un espacio y unos nichos ecológicos cada vez más limitados. Esta situación es si cabe más extrema en las regiones tropicales, donde las tasas de diversificación son increíblemente altas.

Aprende más sobre el concepto de nicho ecológico leyendo “El espacio vital de los seres vivos“.

Ante una necesidad cada vez mayor de recursos y espacio, la evolución ha dado lugar a fenómenos tan curiosos como la miniaturización: al hacerse más pequeños, los organismos (ya sean de vida libre o parásitos) pueden acceder a nuevos nichos ecológicos hasta el momento no explotados, adquirir nuevas fuentes de alimento y evitar la depredación.

Si bien existen diversos grupos de animales que tienden a la miniaturización, este fenómeno se manifiesta en mayor proporción entre los artrópodos, siendo una de sus tendencias evolutivas más significativas. Por otro lado, los artrópodos ostentan el récord a presentar algunos de los animales multicelulares más pequeños conocidos hasta la fecha; algunos, incluso tan pequeños como… ¡una ameba!

El Récord Guinness de los insectos más pequeños del mundo

Los artrópodos más pequeños de los que se tiene constancia pertenecen a la subclase de crustáceos Tantulocarida, conocidos por ser ectoparásitos de otros crustáceos de mayor tamaño, como copépodos o anfípodos. La especie Tantulacus dieteri es considerada hasta la fecha la especie de artrópodo más pequeña del mundo, con tan solo 85 micrómetros (0,085 milímetros), mucho más pequeño que algunos seres unicelulares.

Sin embargo, los insectos no se quedan atrás.

Mymaridae

Los mimáridos son una familia de avispas de la superfamilia Chalcidoidea propias de regiones templadas y tropicales. Los adultos, usualmente de 0,5 a 1 milímetro de longitud, viven como parásitos de huevos de otros insectos (p. ej. chinches). Debido a su estilo de vida, se los considera de gran importancia en el control biológico de plagas. Además, se encuentran entre los insectos más pequeños del mundo.

Actualmente, el récord al insecto más pequeño del mundo lo ostentan los machos adultos ápteros (sin alas) de la especie de mimárido Dicopomorpha echmepterygis, de Costa Rica, con un tamaño mínimo registrado de 0,139 milímetros. Además de no presentar alas, tampoco tienen ojos ni piezas bucales, y sus patas terminan en una especie de ventosas que les permiten adherirse a las hembras (más grandes y aladas) el tiempo suficiente para fecundarlas. ¡Son más pequeños que un paramecio, un organismo unicelular!

Puedes leer “Microbiología básica (I): el mundo invisible” para saber más sobre organismos unicelulares.

Macho de D. echmepterygis; sin ojos ni piezas bucales, el macho de esta especie vive adherido a una hembra. Link.

No conformes con ostentar este récord, los mimáridos también incluyen el insecto volador más pequeño del mundo: la especie Kikiki huna de Hawaii, con un tamaño aproximado de 0,15 milímetros.

Trichogrammatidae

Igual que los mimáridos, los tricogrammátidos son pequeñas avispas calcidoideas parásitas de huevos de otros insectos, especialmente de lepidópteros (mariposas y polillas). Los adultos de la mayoría de las especies miden menos de 1 milímetro y se distribuyen mundialmente. Los machos de algunas especies son ápteros y se aparean con sus hermanas dentro de los huevos parasitados donde nacen, muriendo poco después sin siquiera abandonar dicho espacio.

El género Megaphragma contiene dos de los insectos más pequeños del mundo después de los mimáridos: Megaphragma caribea (0,17 milímetros) y Megaphragma mymaripenne (0,2 milímetros), de Hawaii.

A) M. mymaripenne; B) Paramecium caudatum. Link.

Los tricogrammátidos presentan uno de los sistemas nerviosos más pequeños conocidos, y el de la especie M. mymaripenne es, hasta la fecha, uno de los más reducidos y especiales del mundo animal: está formado por tan sólo 7400 neuronas sin núcleo, un hecho único hasta la fecha. Durante la fase de pupa, esta especie desarrolla neuronas con núcleos plenamente funcionales que sintetizan proteínas suficientes para toda la etapa adulta del insecto. Al alcanzar la fase adulta, las neuronas pierden el núcleo y se vuelven más pequeñas, lo que ahorra mucho espacio.

Ptiliidae

Los ptílidos son una familia cosmopolita de pequeños escarabajos caracterizada por incluir los insectos no parásitos más pequeños del mundo, pertenecientes a los géneros Nanosella y Scydosella.

Los huevos de los ptílidos son muy grandes en comparación con el tamaño de las hembras adultas, por lo que éstas sólo desarrollan y ponen un único huevo cada vez. Por otro lado, muchas especies experimentan partenogénesis.

Conoce el fenómeno de la partenogénesis leyendo “Inmaculada Concepción… en reptiles e insectos“.

Actualmente, la especie de escarabajo más pequeña conocida y, por consiguiente, la especie de insecto no parásito (de vida libre) más pequeña del mundo, es Scydosella musawasensis (0,3 milímetros), citada de Nicaragua y Colombia.

Scydosella musawasensis. Link (imagen original: Polilov, A (2015) How small is the smallest? New record and remeasuring of Scydosella musawasensis Hall, 1999 (Coleoptera, Ptiliidae), the smallest known free-living insect).

Consecuencias de la miniaturización

La miniaturización conlleva toda una serie de modificaciones anatómicas y fisiológicas, generalmente encaminadas a la simplificación de estructuras. Según Gorodkov (1984), el límite de la miniaturización se encontraba en 1 milímetro, por debajo del cual se producirían grandes simplificaciones que harían inviable la vida multicelular.

Si bien esta simplificación ocurre en ciertos grupos de invertebrados, los insectos han demostrado sobradamente que pueden superar este umbral sin demasiados signos de simplificación (conservando un gran número de células y presentando una mayor complejidad anatómica que otros organismos de tamaño similar), e incluso dar lugar a estructuras novedosas (como el caso de las neuronas sin núcleo de M. mymaripenne).

Aunque los insectos llevan muy bien esto de la miniaturización, hacerse tan pequeño no siempre sale gratis:

• Simplificación o pérdida de ciertas funciones fisiológicas: pérdida de alas (y, consecuentemente, de la capacidad de vuelo), patas (o modificaciones extremas de las mismas), aparato bucal, órganos sensoriales.
• Cambios considerables en los efectos asociados a ciertas fuerzas físicas o a parámetros ambientales: fuerzas capilares, viscosidad del aire o tasa de difusión, todos ellos asociados a la reducción extrema de los sistemas circulatorio y traqueal (o respiratorio). Es decir, ser más pequeño altera los movimientos internos de gases y líquidos.

Entonces, ¿la miniaturización tiene límite?

La respuesta es sí. Aunque los insectos se resisten a él.

Existen varias hipótesis al respecto, cada una con un órgano distinto como elemento limitante. De todos ellos, el sistema nervioso y el reproductivo, además de los órganos sensoriales, son bastante intolerantes a la miniaturización; deben ser lo suficientemente grandes para que sean funcionales. Por debajo de un tamaño crítico, sus funciones se verían comprometidas y, con ellas, la vida multicelular.

.             .            .

La vida animal multicelular parece no tener freno a la hora de reducirse. ¿Encontraremos algún insecto aún más pequeño? Las investigaciones lo dirán.

Imagen de portada: link.

Insectes cada cop més petits: el fenòmen de la miniaturització

Segons alguns estudis, els organismes multicel·lulars tendeixen a fer-se cada vegada més petits. Aquest procés, conegut com miniaturització, és una de les principals tendències evolutives dels insectes. La miniaturització és un motor per a la diversitat i les innovacions evolutives; tanmateix, també dóna lloc a certes limitacions.

T’expliquem en què consisteix aquest fenomen i et presentem alguns dels casos més extrems de miniaturització entre els insectes.

Per què els animals són cada cop més petits?

Des de fa anys, múltiples estudis apunten que entre els animals multicel·lulars (tots aquells formats per més d’una cèl·lula) hi ha una tendència força estesa a la miniaturització.

La miniaturització és el procés evolutiu encaminat a l’adquisició de cossos extremadament petits. El fenomen de la miniaturització s’ha observat en grups animals molt diversos, per exemple:

• Musaranyes (Soricomorpha: Soricidae), mamífers.
• Colibrís (Apodiformes: Trochilidae), aus.
• Diversos grups d’insectes i d’aràcnids.

Per saber més sobre insectes gegants, pots llegir “La mida sí que importa (pels insectes)!“

Al llarg de l’evolució, la diversificació i els fenòmens d’especiació han donat lloc a moltíssimes noves espècies, totes competint per un espai i uns nínxols ecològics cada vegada més limitats. Aquesta situació és encara més extrema en les regions tropicals, on les taxes de diversificació són increïblement altes.

Aprèn més sobre el concepte de nínxol ecològic llegint “L’espai vital dels éssers vius“.

Davant d’una necessitat creixent de recursos i espai, l’evolució ha donat lloc a fenòmens tan curiosos com la miniaturització: fent-se més petits, els organismes (ja siguin de vida lliure o paràsits) poden accedir a nous nínxols ecològics, adquirir noves fonts d’aliment i evitar la depredació.

Si bé existeixen diversos grups d’animals que tendeixen a la miniaturització, aquest fenomen es manifesta en major proporció entre els artròpodes, sent una de les seves tendències evolutives més significatives. D’altra banda, els artròpodes ostenten el rècord a presentar alguns dels animals multicel·lulars més petits coneguts fins a dia d’avui; alguns, fins i tot tan petits com … una ameba!

El Rècord Guinness dels insectes més petits del món

Els artròpodes més petits pertanyen a la subclasse de crustacis Tantulocarida, coneguts per ser ectoparàsits d’altres crustacis de major mida, com copèpodes o amfípodes. L’espècie Tantulacus dieteri és considerada fins a dia d’avui l’espècie d’artròpode més petita del món, amb només 85 micròmetres (0,085 mil·límetres), molt més petit que alguns éssers unicel·lulars.

Tanmateix, els insectes no es queden enrere.

Mymaridae

Els mimàrids són una família de vespes de la superfamília Chalcidoidea pròpies de regions temperades i tropicals. Els adults, usualment de 0,5 a 1 mil·límetre de longitud, viuen com a paràsits d’ous d’altres insectes (p. ex. xinxes). Com a conseqüència del seu estil de vida, se’ls considera de gran importància en el control biològic de plagues. A més a més, es troben entre els insectes més petits del món.

Actualment, el rècord als insectes més petits del món l’ostenten els mascles adults àpters (sense ales) de l’espècie de mimàrid Dicopomorpha echmepterygis, de Costa Rica, amb una mida mínima registrada de 0,139 mil·límetres. A banda de no presentar ales, tampoc tenen ulls ni peces bucals, i les seves potes acaben en una mena de ventoses que els permeten adherir-se a les femelles (més grans i alades) el temps suficient per fecundar-les. Són més petits que un parameci, un organisme unicel·lular!

Pots llegir “Microbiologia bàsica (I): el món invisible” per saber més sobre organismes unicel·lulars.

Mascle de D. echmepterygis; sense ulls ni peces bucals, el mascle d’aquesta espècie viu adherit a la femella. Link.

Els mimàrids també inclouen l’insecte volador més petit del món: l’espècie Kikiki huna de Hawaii, d’una mida aproximada de 0,15 mil·límetres.

Trichogrammatidae

Igual que els mimàrids, els tricogrammàtids són petits calcidoïdeus paràsits d’ous d’altres insectes, especialment de lepidòpters (papallones i arnes). Els adults de la majoria de les espècies mesuren menys d’1 mil·límetre i es distribueixen mundialment. Els mascles d’algunes espècies són àpters i s’aparellen amb les seves germanes dins dels ous parasitats on neixen, morint poc després sense ni tan sols abandonar aquest espai.

El gènere Megaphragma conté dos dels insectes més petits del món després dels mimàrids: Megaphragma caribea (0,17 mil·límetres) i Megaphragma mymaripenne (0,2 mil·límetres), de Hawaii.

A) M. mymaripenne; B) Paramecium caudatum. Link.

Els tricogrammàtids presenten un dels sistemes nerviosos més petits coneguts, i el de l’espècie M. mymaripenne és, fins a dia d’avui, un dels més reduïts i especials del món animal: està format per tan sols 7400 neurones sense nucli, un fet únic. Durant la fase de pupa, aquesta espècie desenvolupa neurones amb nuclis plenament funcionals que sintetitzen proteïnes suficients per a tota l’etapa adulta de l’insecte. Un cop assolida l’adultesa, les neurones perden el nucli i esdevenen petites, fet que estalvia molt d’espai.

Ptiliidae

Els ptílids són una família cosmopolita de petits escarabats caracteritzada per incloure els insectes no paràsits més petits del món, pertanyents als gèneres Nanosella i Scydosella.

Els ous dels ptílids són molt grans en comparació amb la mida de les femelles adultes, de manera que aquestes només desenvolupen i posen un únic ou cada vegada. D’altra banda, moltes espècies experimenten partenogènesi.

Coneix el fenomen de la partenogènesi llegint “Immaculada Concepció … en rèptils i insectes“.

Actualment, l’espècie d’escarabat més petita coneguda i, per tant, l’espècie d’insecte no paràsit (de vida lliure) més petita del món, és Scydosella musawasensis (0,3 mil·límetres), citada de Nicaragua i Colòmbia.

Scydosella musawasensis. Link (imatge original: Polilov, A (2015) How small is the smallest? New record and remeasuring of Scydosella musawasensis Hall, 1999 (Coleoptera, Ptiliidae), the smallest known free-living insect).

Conseqüències de la miniaturització

La miniaturització comporta tot un seguit de modificacions anatòmiques i fisiològiques, generalment adreçades a la simplificació d’estructures. Segons Gorodkov (1984), el límit de la miniaturització es trobava en 1 mil·límetre, per sota del qual es produirien grans simplificacions que farien inviable la vida multicel·lular.

Si bé aquesta simplificació ocorre en certs grups d’invertebrats, els insectes han demostrat que poden superar aquest llindar sense massa signes de simplificació (conservant un gran número de cèl·lules i presentant una major complexitat anatòmica que altres organismes de mida similar) i, fins i tot, donar lloc a estructures noves (com el cas de les neurones sense nucli de M. mymaripenne).

Tot i que els insectes porten molt bé això de la miniaturització, fer-se tan petit no sempre surt gratis:

• Simplificació o pèrdua de certes funcions fisiològiques: pèrdua d’ales (i, conseqüentment, de la capacitat de vol), potes (o modificacions extremes de les mateixes), peces bucals, òrgans sensorials.
• Canvis considerables en els efectes associats a certes forces físiques o a paràmetres ambientals: forces capil·lars, viscositat de l’aire o taxa de difusió, tots ells associats a la reducció extrema dels sistemes circulatori i traqueal (o respiratori). És a dir, ser més petit altera els moviments interns de gasos i líquids.

Així doncs, la miniaturització té un límit?

La resposta és sí. Tot i que els insectes s’hi resisteixen.

Existeixen diverses hipòtesis sobre aquest tema, cadascuna amb un òrgan diferent com a element limitant. De tots ells, el sistema nerviós i el reproductiu, a més dels òrgans sensorials, són força intolerants a la miniaturització; han de ser prou grans perquè siguin funcionals. Per sota d’una mida crítica, les seves funcions es veurien compromeses i, amb elles, la vida multicel·lular.

.             .            .

La vida animal multicel·lular sembla no tenir fre a l’hora de reduir-se. Descobrirem algun insecte encara més petit? Les investigacions i el temps ens ho diran.

Imatge de portada: link.