21.11.2014

Почему у ящериц птичье дыхание: у игуан развились односторонние легкие, удивительно похожие на птичьи

Вдыхают ли птицы или выдыхают, воздух проходит в однонаправленную петлю их легких. Эта картина была неожиданной и, как биологи предполагали в течение многих десятилетий, уникальной для птиц специальной адаптацией, обусловленной интенсивным потреблении энергии в полете.

Но эта точка зрения оказалась ошибочной, в соответствии с работой ученых Университета штата Юта, которые показали, что похожий на птичий принцип дыхания также развился у зеленых игуан – рептилий, не славящихся особыми способностями к аэробному фитнесу. Открытие подтверждает идею о том, что однонаправленный птичий поток воздуха развился задолго до первых птиц, возникнув около 300 миллионов лет назад у общего предка ящериц, змей, крокодилов и динозавров, в том числе и птиц – сообщает портал sciencedaily.com.

«Мы думали, что поняли, как работают эти легкие, но на самом деле большинство из нас были абсолютно неправы», - говорит Колин Фармер, адъюнкт-профессор биологии в Университете штата Юта и ведущий автор нового исследования, опубликованного в Трудах Национальной академии наук. «Люди сформировали много предположений о работе легких у таких животных, как рептилии и крокодилы, но они никогда не измеряли производительность процесса», - говорит она.

В организме человека и других млекопитающих у легких имеются дыхательные пути с древовидной разветвленной структурой. Основной ствол в каждом легком распадается на ветви и прутики. Воздух течет туда и обратно по типу прилива. Кислород и углекислый газ переходит в кровь и из нее в крошечные воздушные мешочки, называемые альвеолами, на кончиках самых маленьких веточек дыхательных путей.

В легких птиц воздух делает петлю в одном направлении через серию трубок, выстеленных с кровеносными сосудами для газообмена. Аэродинамические силы действуют как клапаны для поддержания одностороннего потока в циклах вдоха и выдоха.

«В течение многих лет люди думали, что такое устроение эволюционировало, чтобы удовлетворить энергетические потребности полета», - говорит Фармер. - «Это совершенно не так. Игуаны не летают».

У аллигаторов также реализован птичий образец воздушного потока. Фармер и Кент Сандерс, радиолог в Университете штата Юта, показали это в исследовании 2010 года. Это было первое свидетельство, что однонаправленная вентиляция легких может быть инновацией, сформировавшейся еще до появления птиц. Ранее в этом году Фармер вместе с Эммой Шахнер и Робертом Циери из Университета штата Юта и Джеймсом Батлером из Гарвардского университета сообщили, что вараны тоже имеют однонаправленное прохождение воздушного потока через свои легкие.

Эти открытия оставили открытой возможность, что крокодилы и вараны развили похожие на птичьи легкие самостоятельно, то есть, их эволюция сошлась на конструкции, аналогичной имеющейся у птиц. Нахождение птичьих легких у еще одной группы рептилий является сильным аргументом в пользу теории происхождения в далеком прошлом от общего предка.

Чтобы сделать это открытие, Фармер и ее соавторам Циери, Шахнер и Брент Крэйвен из Университета штата Пенсильвания нужно было найти способ визуализации движения воздуха сквозь легкие игуаны. В одной из серий экспериментов они использовали хирургический расширитель, чтобы заглянуть внутрь легких живых игуан, вдыхающих безвредный дым из театрального «генератора тумана». Они также использовали датчики, измеряющие скорость воздуха и объем рассеченных легких. Работая с рентгеновскими 3D изображениями контуров легких игуаны, Крэйвен создал компьютерную модель, имитирующую воздушный поток. Предсказания модели точно соответствовали закономерностям, наблюдаемым в реальных легких. «Это было совершенно точное совпадение с наблюдаемыми нами направлениями потока», - говорит Фармер.

Данное открытие дает понять, что ученым нужно еще многое узнать о физиологии легких других видов, кроме млекопитающих. Учебники, как правило, утверждают, что при движении воздуха в легкие и из них градиент давления стекает от точки более высокого давления до более низкого, но Фармер говорит, что выводы ее группы показывают, что в легких игуаны «происходит совершенно другое». Формы и углы легочных дыхательных путей направляют струи воздуха, которые создают однонаправленный поток.

Механика еще полностью не понятна, но Фармер говорит, что лучшее понимание может вдохновить на разработку новых устройств, прокачивающих или фильтрующих кровь или другие жидкости без использования механических клапанов. «Геометрия этих легких очень странная», - говорит Фармер. - «Я не думаю, что какой-либо инженер додумался бы до такого».

Источники:

1. ecoportal.su