Результаты, опубликованные 11 декабря в журнале Nature, указывают на возможность возникновения этого дыхательного паттерна 270 миллионов лет назад, примерно на 20 миллионов лет раньше, чем считалось ранее, и на 100 миллионов лет раньше первых птиц. Почему остается загадкой.«Он оказался гораздо более распространенным и древним, чем кто-либо думал», — говорит К.Г.
Фармер, старший автор исследования и доцент биологии Университета Юты. «Считалось, что это важно для того, чтобы птицы могли поддерживать напряженную деятельность, такую как полет. Теперь мы знаем, что это не уникально для птиц.
Это показывает, что наши предыдущие представления о функции этих односторонних моделей воздушного потока неадекватны. Они таковы. обнаружен у животных, помимо тех, у кого быстрый метаболизм ».Но Фармер предупреждает, что, поскольку легкие ящерицы имеют другую структуру, чем легкие птиц и аллигатора, также возможно, что односторонний воздушный поток развился независимо около 30 миллионов лет назад у предков варанов и около 250 миллионов лет назад у архозавров, группа, давшая начало аллигаторам, динозаврам и птицам.
По ее словам, необходимо изучить больше видов ящериц, таких как гекконы и игуаны, чтобы узнать ответ.Фармер проводил исследование с двумя биологами из Университета Юты — первым автором и докторантом Эммой Шахнер и докторантом Робертом Сиери — и с Джеймсом Батлером, физиологом из Гарвардского университета.
Исследование финансировалось Американской ассоциацией анатомов, Американским философским обществом, Национальным научным фондом и частным спонсором Шэрон Мейер.Приливный и односторонний поток воздуха в легкихУ людей и большинства других животных характер дыхания «приливный»: воздух поступает в разветвления легких, постепенно уменьшающиеся дыхательные пути или бронхи, пока не зайдет в тупик в маленьких камерах, называемых альвеолами, где кислород входит в кровь, а углекислый газ выходит из крови и попадает в нее. легкие.
Затем таким же образом воздух выходит обратно.У птиц, с другой стороны, есть некоторый приливный поток воздуха в воздушные мешочки и из них, но в их дыхании преобладает односторонний поток воздуха в самом легком.
Воздух проходит через легкое в одном направлении, образуя петлю перед выходом из легкого.В 2010 году Фармер опубликовал исследование, показывающее, что у аллигаторов существует в основном односторонний или «однонаправленный» воздушный поток, управляемый аэродинамическими клапанами. Это означает, что модель дыхания, вероятно, сформировалась до 250 миллионов лет назад, когда крокодилы — предки аллигаторов и крокодилов — отделились от генеалогического древа архозавров, которое привело к эволюции летающих птерозавров, динозавров и, в конечном итоге, птиц.
Новое исследование показало, что у варанов-варанов, Varanus exanthematicus, — одного из примерно 73 видов варанов, — в основном односторонний, петлевой поток воздуха, хотя в областях легких наблюдался приливный поток воздуха. Это означает, что односторонний воздушный поток мог возникнуть не среди ранних архозавров около 250 миллионов лет назад, а уже 270 миллионов лет назад среди хладнокровных диапсид, которые были обычными хладнокровными предками архозавров и лепидозавроморф, a группа рептилий, которая сегодня включает ящериц, змей и подобных ящерицам существ, известных как туатары.
Односторонний воздушный поток может помочь птицам летать, не теряя сознание на больших высотах, где уровень кислорода низкий.
Перед новым исследованием Фармер и другие предположили, что односторонний воздушный поток, возможно, помог предкам динозавров доминировать на Земле, когда уровень кислорода в атмосфере был низким после пермско-триасового массового вымирания — худшего в истории Земли — 251 миллион лет. назад.«Но если бы он развился у общего предка 20 миллионов лет назад, этот однонаправленный поток развился бы при очень высоком уровне кислорода», — говорит она. «И так осталась более глубокая загадка эволюционного происхождения одностороннего воздушного потока».
Как проводилось исследованиеКак и в своем более раннем исследовании аллигаторов, Фармер и его коллеги продемонстрировали преимущественно односторонний воздушный поток в легких варанов несколькими способами. Они выполнили компьютерную томографию и сделали трехмерные изображения легких ящерицы, чтобы визуализировать анатомию легких.
Они хирургическим путем имплантировали расходомеры в бронхи пяти варанов, чтобы измерить направление воздушного потока.Используя легкие, удаленные у 10 умерших ящериц, исследователи измерили поток воздуха, когда они нагнетали воздух в легкие и из них. Они также прокачивали воду, содержащую частицы пыльцы подсолнечника или пластиковые микросферы, через легкие ящерицы, и движение пыльцы и сфер также показывало однонаправленный поток воздуха.
В исследовании использовались ящерицы саванны, потому что они относительно большие и, следовательно, их легче изучать, они весят около фунта и имеют размеры примерно 15 дюймов от головы до кончика хвоста. Ящерицы-варан также имеют один из самых высоких показателей потребления кислорода, отчасти потому, что они дышат, используя не только мышцы туловища и ребра, но также используя «гулярную помпу», когда ящерицы раздувают горло и нагнетают воздух в легкие.В легких ящериц-варан имеет более десятка камер или бронхов в каждом легком. Первичные дыхательные пути проходят по длине легкого, от него отходят боковые бронхи.
Исследование показало, что воздух попадает в трахею или трахею ящерицы, а затем попадает в два основных дыхательных пути, которые попадают в легкое. Но затем, вместо того, чтобы приливно течь назад тем же путем, воздух вместо этого возвращается в обратном направлении в направлении от хвоста к голове, перемещаясь от одного бокового дыхательного пути к другому через небольшие перфорации между ними.Стены с перфорацией, позволяющей воздуху проходить из одной камеры в другую, «похожи на кружевные занавески», — говорит Фармер.Похоже, что здесь нет механических клапанов или сфинктеров, поэтому односторонний воздушный поток, по-видимому, «возникает просто из-за струи» или аэродинамических клапанов, создаваемых, когда воздух обтекает изгибы в дыхательных путях легких.
Это подтверждается тем фактом, что односторонний поток воздуха наблюдался даже в легких, удаленных от мертвых ящериц.