Загадка дыхания ящериц: однонаправленный поток воздуха может быть древнее 270 миллионов лет

Воздух в основном движется по однонаправленной петле через лёгкие варанов – метод дыхания, общий для птиц, аллигаторов и, предположительно, динозавров, согласно новому исследованию Университета Юты.

Результаты, опубликованные 11 декабря в журнале Nature, повышают вероятность того, что эта модель дыхания возникла 270 миллионов лет назад, примерно на 20 миллионов лет раньше, чем считалось ранее, и за 100 миллионов лет до появления первых птиц. Причина этого остаётся загадкой.

«Похоже, это гораздо более распространено и древнее, чем кто-либо думал», – говорит К.Г. Фармер, старший автор исследования. – «Раньше считалось, что это важно для способности птиц поддерживать напряжённую активность, такую как полёт. Теперь мы знаем, что это не уникально для птиц. Это показывает, что наши прежние представления о функции этих однонаправленных потоков воздуха неадекватны. Они встречаются и у животных без быстрого метаболизма».

Однако Фармер отмечает, что из-за иного строения лёгких ящериц по сравнению с птичьими и аллигаторовыми, также возможно, что однонаправленный поток воздуха развивался независимо: около 30 миллионов лет назад у предков варанов и около 250 миллионов лет назад у архозавров – группы, породившей аллигаторов, динозавров и птиц. Чтобы найти ответ, необходимо изучить больше видов ящериц, таких как гекконы и игуаны.

Исследование финансировалось Американской ассоциацией анатомов, Американским философским обществом, Национальным научным фондом (NSF) и частным донором.

Приливное и однонаправленное движение воздуха в лёгких

У людей и большинства других животных приливное дыхание: воздух движется по разветвляющимся бронхам лёгких, пока не достигает альвеол, где происходит газообмен, а затем выходит обратно тем же путём.

У птиц, напротив, в воздушных мешках есть приливной поток, но в самих лёгких доминирует однонаправленное движение воздуха по петле.

В 2010 году Фармер показала, что преимущественно однонаправленный поток, контролируемый аэродинамическими клапанами, существует у аллигаторов. Это означало, что такая модель дыхания, вероятно, возникла более 250 миллионов лет назад.

Новое исследование обнаружило преимущественно однонаправленный, петлеобразный поток воздуха у африканских степных варанов (Varanus exanthematicus), хотя в некоторых областях лёгких наблюдался и приливной поток. Это означает, что однонаправленный поток мог возникнуть не у ранних архозавров _{250 млн лет назад, а уже **}270 млн лет назад** у холоднокровных диапсид – общих предков архозавров и лепидозавроморф (ящериц, змей, гаттерий).

Если раньше предполагалось, что однонаправленный поток мог помочь предкам динозавров доминировать при низком уровне кислорода после массового пермско-триасового вымирания (251 млн лет назад), то новая датировка ставит это под сомнение.

«Если он развился у общего предка на 20 миллионов лет раньше, этот однонаправленный поток эволюционировал бы в условиях очень высокого уровня кислорода. Итак, мы остаёмся с более глубокой загадкой эволюционного происхождения однонаправленного потока воздуха».

Методика исследования

Учёные продемонстрировали однонаправленный поток в лёгких варанов несколькими способами:

1. КТ-сканирование и создание 3D-изображений для визуализации анатомии.
2. Хирургическая имплантация датчиков потока в бронхи пяти живых варанов.
3. Измерение потока воздуха в лёгких 10 умерших ящериц при нагнетании воздуха.
4. Пропускание воды с частицами пыльцы подсолнечника или пластиковыми микросферами через лёгкие для визуализации потока.

Степные вараны были выбраны из-за относительно крупных размеров (~450 г, ~38 см). Они обладают высокой скоростью потребления кислорода, отчасти благодаря дыханию не только мышцами туловища, но и «горловой прокачке» (gular pumping).

Лёгкие варана имеют более десятка камер (бронхов) в каждом лёгком. Основной дыхательный путь идёт вдоль лёгкого, с ответвлениями боковых бронхов.

Исследование показало, что воздух, попадая в трахею и основные дыхательные пути, вместо обратного приливного движения закольцовывается в направлении от хвоста к голове, переходя из одного бокового бронха в другой через небольшие перфорации между ними.

Стенки с перфорациями, позволяющими воздуху перетекать из одной камеры в другую, «похожи на кружевные занавески», – говорит Фармер.

Механических клапанов или сфинктеров, по-видимому, нет. Однонаправленный поток, вероятно, возникает за счёт аэродинамики (jetting) при движении воздуха по изгибам дыхательных путей. Это подтверждается тем, что однонаправленный поток наблюдался даже в извлечённых лёгких мёртвых ящериц.