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進化出多種肺部結構,空氣以復雜的方式流經這些結構。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計,在吸氣和呼氣過程中,空氣總是通過鳥類體內的許多小管流向頭部??茖W家認為,這種氣流模式非常高效,可以進化以支持飛行,直到猶他大學生物學家科琳法默的研究團隊發(fā)現,鱷魚皮和鬣蜥也有單向氣流模式。
在最近的一項研究中,美國生物學家發(fā)現薩凡納監(jiān)測蜥蜴的肺結構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與天氣預報中使用的相似,每十分之一秒就要計算出數百萬個方程。結果表明,脊椎動物肺的進化非常復雜,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家,因為它們擁有爬行動物中最復雜的肺系統之一。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來繪制更完整和復雜的圖片。稀樹草原監(jiān)測蜥蜴的肺是圍繞一根長支管構建的,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。這種復雜的布局導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。復雜的結構沒有瓣膜或瓣膜來決定氣流,就像心臟泵血一樣。純空氣動力學指導復雜物理。
“這項研究非常重要,證明可以對這些極其復雜的肺部進行氣流模式的數值分析。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設施的歷史,”資深作者法默說。
超級計算機講述了一個復雜的故事。
物理學非常復雜,Cieri需要美國高性能計算中心和國家科學基金會Blue Waters的兩臺超級計算機進行計算機流體動力學模擬。創(chuàng)建CT掃描后,他修改了現有的軟件,根據肺部結構預測流速和壓力。他把這個結構分成數百萬個小“盒子”。每個盒子里都有那部分肺的物理參數。使用模擬方程預測下一個盒子中的壓力和速度,以此類推。
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