У ящериц-варанов обнаружен гибридный паттерн воздушного потока в легких
Новое исследование биологов из Университета Юты показывает, что легкие варана (Savannah monitor lizard) имеют уникальную структуру, создающую гибридный паттерн воздушного потока, сочетающий черты птиц и млекопитающих.
Эволюционный контекст дыхания
- Дыхание на суше — ключевая эволюционная революция позвоночных, произошедшая около 400 миллионов лет назад.
- У птиц и млекопитающих крайне разные паттерны воздушного потока:
- Млекопитающие: используют приливной (tidal) поток — воздух движется по одним и тем же путям на вдохе и выдохе.
- Птицы: используют однонаправленный (unidirectional) поток — воздух движется по легким в одну сторону (петлей) как на вдохе, так и на выдохе.
- Ранее считалось, что однонаправленный поток — адаптация для полета, но позже его обнаружили у аллигаторов и игуан.
Уникальный паттерн варана
Исследование, опубликованное 13 декабря в The Anatomical Record, выявило у варана сложнейшую среди рептилий структуру легких:
- Легкое построено вокруг длинной бранхиальной трубки, ведущей к заднему воздушному мешку.
- От главной трубки отходят множество меньших трубок, распределяющих воздух в крошечные камеры.
- Камеры имеют отверстия в стенках, позволяя воздуху течь и между ними.
Эта структура создает динамический паттерн потока, меняющийся в течение дыхательного цикла:
- Выдох: почти весь воздух течет к передней части легкого и наружу — чистый однонаправленный поток.
- Начало вдоха: воздух входит через трахею и течет к задней части легкого.
- Продолжение вдоха: воздух распределяется по боковым камерам и начинает закручиваться петлей обратно к передней части.
- Завершение вдоха: поток становится похож на выдох, так как большая часть воздуха течет однонаправленно из центральной камеры.
Поток управляется чистой аэродинамикой, без клапанов или заслонок.
Роль суперкомпьютеров
Для моделирования использовали вычислительную гидродинамику (аналогично прогнозу погоды) на двух суперкомпьютерах (Center for High Performance Computing и Blue Waters).
- На основе КТ-сканов легкое было разделено на миллионы виртуальных "ячеек".
- Программа рассчитывала давление и скорость в каждой ячейке каждую десятитысячную долю секунды, решая миллионы уравнений.
Значение исследования
- Эволюция: Работа демонстрирует сложность эволюции легких позвоночных и показывает, что полная картина еще не ясна.
- Методология: Исследование доказывает возможность количественного анализа воздушных потоков в крайне сложных легких, открывая новые пути для изучения аэродинамических клапанов и эволюции дыхательных систем.
- Применение: Понимание разнообразной "био-гидродинамики" в животном мире может найти применение в инженерии или медицине.