稀树草原蜥蜴有独特的气流模式

你刚刚参加了地球上最深刻的进化革命之一——呼吸土地。目前还不清楚大约4亿年前第一批脊椎动物爬出海洋后是如何繁殖的，但肺部有重要线索。

鸟类、爬行动物、哺乳动物和鸟类已经进化出多种肺部结构，空气以复杂的方式流经这些结构。鸟类和哺乳动物处于气流谱的底部。哺乳动物吸入富含氧气的空气，空气流入较小的分支，最后进入微小的气囊，氧气进入气囊，二氧化碳离开血液。哺乳动物呼气时，排出的空气会沿着同一路径排出体外，呈现所谓的潮汐流型。

相反，鸟的呼吸以整齐的方式通过呼吸系统的一部分，但在整个肺的大部分区域是单向的。由于独特的气动阀设计，在吸气和呼气过程中，空气总是通过鸟类体内的许多小管流向头部。科学家认为，这种气流模式非常高效，可以进化以支持飞行，直到犹他大学生物学家科琳法默的研究团队发现，鳄鱼皮和鬣蜥也有单向气流模式。

在最近的一项研究中，美国生物学家发现萨凡纳监测蜥蜴的肺结构是鸟类和哺乳动物肺的混合物。研究人员用计算机断层扫描了整个肺部迷宫，并使用两台不同的超级计算机以最高分辨率模拟气流模式。这个软件中使用的计算流体力学与天气预报中使用的相似，每十分之一秒就要计算出数百万个方程。结果表明，脊椎动物肺的进化非常复杂，我们对此并不完全了解。

第一作者Robert Cieri说：“我们不知道为什么动物有不同类型的肺气流。他在农民实验室读研究生的时候做过这个研究。”为什么人有肺，鸟有肺？这不是一个简单的问题。通过回答，也许我们可以找到更多关于我们自己历史的信息。"

本文发表于12月13日《解剖记录》。

独特的气流模式

萨凡纳监视蜥蜴一直吸引着科学家，因为它们拥有爬行动物中最复杂的肺系统之一。2014年，Cieri和他的同事分析了一部分单向气流的肺部。这项新研究使用更强大的技术来绘制更完整和复杂的图片。稀树草原监测蜥蜴的肺是围绕一根长支管构建的，该支管穿过肺的后部并通向一个大囊。许多较小的管道从主管道分支出来，将空气分配到小室中。这些室的壁上有孔，允许空气从一个室流到另一个室。这种复杂的布局导致气流模式随着呼吸循环而变化。这是一种独特的模式，它既是鸟又是哺乳动物。

当动物呼气时，几乎所有的空气都以净单向流的形式流向肺部前部，并流出气管。吸气开始时，空气通过气管进入肺的后部。随着吸入的继续，空气开始分布在不同的侧腔，并开始循环到肺的前面。随着这些回路变得越来越占主导地位，吸气的后期看起来就像呼气，因为大部分空气都是从中央室朝一个方向流回来的。复杂的结构没有瓣膜或瓣膜来决定气流，就像心脏泵血一样。纯空气动力学指导复杂物理。

“这项研究非常重要，证明可以对这些极其复杂的肺部进行气流模式的数值分析。这种定量能力为研究气动阀门如何工作的基本机制开辟了新的途径，为我们整合进化过程提供了更好的工具。这些流动模式及其基础设施的历史，”资深作者法默说。

超级计算机讲述了一个复杂的故事。

物理学非常复杂，Cieri需要美国高性能计算中心和国家科学基金会Blue Waters的两台超级计算机进行计算机流体动力学模拟。创建CT扫描后，他修改了现有的软件，根据肺部结构预测流速和压力。他把这个结构分成数百万个小“盒子”。每个盒子里都有那部分肺的物理参数。使用模拟方程预测下一个盒子中的压力和速度，以此类推。

标签：