稀樹草原蜥蜴有獨特的氣流模式

你剛剛參加了地球上最深刻的進化革命之一——呼吸土地。目前還不清楚大約4億年前第一批脊椎動物爬出海洋后是如何繁殖的，但肺部有重要線索。

鳥類、爬行動物、哺乳動物和鳥類已經(jīng)進化出多種肺部結(jié)構(gòu)，空氣以復(fù)雜的方式流經(jīng)這些結(jié)構(gòu)。鳥類和哺乳動物處于氣流譜的底部。哺乳動物吸入富含氧氣的空氣，空氣流入較小的分支，最后進入微小的氣囊，氧氣進入氣囊，二氧化碳離開血液。哺乳動物呼氣時，排出的空氣會沿著同一路徑排出體外，呈現(xiàn)所謂的潮汐流型。

相反，鳥的呼吸以整齊的方式通過呼吸系統(tǒng)的一部分，但在整個肺的大部分區(qū)域是單向的。由于獨特的氣動閥設(shè)計，在吸氣和呼氣過程中，空氣總是通過鳥類體內(nèi)的許多小管流向頭部?？茖W(xué)家認為，這種氣流模式非常高效，可以進化以支持飛行，直到猶他大學(xué)生物學(xué)家科琳法默的研究團隊發(fā)現(xiàn)，鱷魚皮和鬣蜥也有單向氣流模式。

在最近的一項研究中，美國生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)薩凡納監(jiān)測蜥蜴的肺結(jié)構(gòu)是鳥類和哺乳動物肺的混合物。研究人員用計算機斷層掃描了整個肺部迷宮，并使用兩臺不同的超級計算機以最高分辨率模擬氣流模式。這個軟件中使用的計算流體力學(xué)與天氣預(yù)報中使用的相似，每十分之一秒就要計算出數(shù)百萬個方程。結(jié)果表明，脊椎動物肺的進化非常復(fù)雜，我們對此并不完全了解。

第一作者Robert Cieri說：“我們不知道為什么動物有不同類型的肺氣流。他在農(nóng)民實驗室讀研究生的時候做過這個研究?！睘槭裁慈擞蟹?，鳥有肺？這不是一個簡單的問題。通過回答，也許我們可以找到更多關(guān)于我們自己歷史的信息。"

本文發(fā)表于12月13日《解剖記錄》。

獨特的氣流模式

薩凡納監(jiān)視蜥蜴一直吸引著科學(xué)家，因為它們擁有爬行動物中最復(fù)雜的肺系統(tǒng)之一。2014年，Cieri和他的同事分析了一部分單向氣流的肺部。這項新研究使用更強大的技術(shù)來繪制更完整和復(fù)雜的圖片。稀樹草原監(jiān)測蜥蜴的肺是圍繞一根長支管構(gòu)建的，該支管穿過肺的后部并通向一個大囊。許多較小的管道從主管道分支出來，將空氣分配到小室中。這些室的壁上有孔，允許空氣從一個室流到另一個室。這種復(fù)雜的布局導(dǎo)致氣流模式隨著呼吸循環(huán)而變化。這是一種獨特的模式，它既是鳥又是哺乳動物。

當動物呼氣時，幾乎所有的空氣都以凈單向流的形式流向肺部前部，并流出氣管。吸氣開始時，空氣通過氣管進入肺的后部。隨著吸入的繼續(xù)，空氣開始分布在不同的側(cè)腔，并開始循環(huán)到肺的前面。隨著這些回路變得越來越占主導(dǎo)地位，吸氣的后期看起來就像呼氣，因為大部分空氣都是從中央室朝一個方向流回來的。復(fù)雜的結(jié)構(gòu)沒有瓣膜或瓣膜來決定氣流，就像心臟泵血一樣。純空氣動力學(xué)指導(dǎo)復(fù)雜物理。

“這項研究非常重要，證明可以對這些極其復(fù)雜的肺部進行氣流模式的數(shù)值分析。這種定量能力為研究氣動閥門如何工作的基本機制開辟了新的途徑，為我們整合進化過程提供了更好的工具。這些流動模式及其基礎(chǔ)設(shè)施的歷史，”資深作者法默說。

超級計算機講述了一個復(fù)雜的故事。

物理學(xué)非常復(fù)雜，Cieri需要美國高性能計算中心和國家科學(xué)基金會Blue Waters的兩臺超級計算機進行計算機流體動力學(xué)模擬。創(chuàng)建CT掃描后，他修改了現(xiàn)有的軟件，根據(jù)肺部結(jié)構(gòu)預(yù)測流速和壓力。他把這個結(jié)構(gòu)分成數(shù)百萬個小“盒子”。每個盒子里都有那部分肺的物理參數(shù)。使用模擬方程預(yù)測下一個盒子中的壓力和速度，以此類推。

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