稀樹(shù)草原蜥蜴有獨(dú)特的氣流模式

你剛剛參加了地球上最深刻的進(jìn)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(dòng)物爬出海洋后是如何繁殖的，但肺部有重要線索。

鳥(niǎo)類(lèi)、爬行動(dòng)物、哺乳動(dòng)物和鳥(niǎo)類(lèi)已經(jīng)進(jìn)化出多種肺部結(jié)構(gòu)，空氣以復(fù)雜的方式流經(jīng)這些結(jié)構(gòu)。鳥(niǎo)類(lèi)和哺乳動(dòng)物處于氣流譜的底部。哺乳動(dòng)物吸入富含氧氣的空氣，空氣流入較小的分支，最后進(jìn)入微小的氣囊，氧氣進(jìn)入氣囊，二氧化碳離開(kāi)血液。哺乳動(dòng)物呼氣時(shí)，排出的空氣會(huì)沿著同一路徑排出體外，呈現(xiàn)所謂的潮汐流型。

相反，鳥(niǎo)的呼吸以整齊的方式通過(guò)呼吸系統(tǒng)的一部分，但在整個(gè)肺的大部分區(qū)域是單向的。由于獨(dú)特的氣動(dòng)閥設(shè)計(jì)，在吸氣和呼氣過(guò)程中，空氣總是通過(guò)鳥(niǎo)類(lèi)體內(nèi)的許多小管流向頭部?？茖W(xué)家認(rèn)為，這種氣流模式非常高效，可以進(jìn)化以支持飛行，直到猶他大學(xué)生物學(xué)家科琳法默的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，鱷魚(yú)皮和鬣蜥也有單向氣流模式。

在最近的一項(xiàng)研究中，美國(guó)生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)薩凡納監(jiān)測(cè)蜥蜴的肺結(jié)構(gòu)是鳥(niǎo)類(lèi)和哺乳動(dòng)物肺的混合物。研究人員用計(jì)算機(jī)斷層掃描了整個(gè)肺部迷宮，并使用兩臺(tái)不同的超級(jí)計(jì)算機(jī)以最高分辨率模擬氣流模式。這個(gè)軟件中使用的計(jì)算流體力學(xué)與天氣預(yù)報(bào)中使用的相似，每十分之一秒就要計(jì)算出數(shù)百萬(wàn)個(gè)方程。結(jié)果表明，脊椎動(dòng)物肺的進(jìn)化非常復(fù)雜，我們對(duì)此并不完全了解。

第一作者Robert Cieri說(shuō)：“我們不知道為什么動(dòng)物有不同類(lèi)型的肺氣流。他在農(nóng)民實(shí)驗(yàn)室讀研究生的時(shí)候做過(guò)這個(gè)研究?！睘槭裁慈擞蟹?，鳥(niǎo)有肺？這不是一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題。通過(guò)回答，也許我們可以找到更多關(guān)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(dú)特的氣流模式

薩凡納監(jiān)視蜥蜴一直吸引著科學(xué)家，因?yàn)樗鼈儞碛信佬袆?dòng)物中最復(fù)雜的肺系統(tǒng)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(xiàng)新研究使用更強(qiáng)大的技術(shù)來(lái)繪制更完整和復(fù)雜的圖片。稀樹(shù)草原監(jiān)測(cè)蜥蜴的肺是圍繞一根長(zhǎng)支管構(gòu)建的，該支管穿過(guò)肺的后部并通向一個(gè)大囊。許多較小的管道從主管道分支出來(lái)，將空氣分配到小室中。這些室的壁上有孔，允許空氣從一個(gè)室流到另一個(gè)室。這種復(fù)雜的布局導(dǎo)致氣流模式隨著呼吸循環(huán)而變化。這是一種獨(dú)特的模式，它既是鳥(niǎo)又是哺乳動(dòng)物。

當(dāng)動(dòng)物呼氣時(shí)，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(kāi)始時(shí)，空氣通過(guò)氣管進(jìn)入肺的后部。隨著吸入的繼續(xù)，空氣開(kāi)始分布在不同的側(cè)腔，并開(kāi)始循環(huán)到肺的前面。隨著這些回路變得越來(lái)越占主導(dǎo)地位，吸氣的后期看起來(lái)就像呼氣，因?yàn)榇蟛糠挚諝舛际菑闹醒胧页粋€(gè)方向流回來(lái)的。復(fù)雜的結(jié)構(gòu)沒(méi)有瓣膜或瓣膜來(lái)決定氣流，就像心臟泵血一樣。純空氣動(dòng)力學(xué)指導(dǎo)復(fù)雜物理。

“這項(xiàng)研究非常重要，證明可以對(duì)這些極其復(fù)雜的肺部進(jìn)行氣流模式的數(shù)值分析。這種定量能力為研究氣動(dòng)閥門(mén)如何工作的基本機(jī)制開(kāi)辟了新的途徑，為我們整合進(jìn)化過(guò)程提供了更好的工具。這些流動(dòng)模式及其基礎(chǔ)設(shè)施的歷史，”資深作者法默說(shuō)。

超級(jí)計(jì)算機(jī)講述了一個(gè)復(fù)雜的故事。

物理學(xué)非常復(fù)雜，Cieri需要美國(guó)高性能計(jì)算中心和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)Blue Waters的兩臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)模擬。創(chuàng)建CT掃描后，他修改了現(xiàn)有的軟件，根據(jù)肺部結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)流速和壓力。他把這個(gè)結(jié)構(gòu)分成數(shù)百萬(wàn)個(gè)小“盒子”。每個(gè)盒子里都有那部分肺的物理參數(shù)。使用模擬方程預(yù)測(cè)下一個(gè)盒子中的壓力和速度，以此類(lèi)推。

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