Respire profundamente. Déjelo salir lentamente.
Acaba de participar en una de las revoluciones evolutivas más profundas de la Tierra: respirar aire en tierra. No está claro cómo prosperaron los primeros vertebrados después de salir del mar hace casi 400 millones de años, pero los pulmones tienen una pista importante.
Las aves, los reptiles, los mamíferos y las aves han desarrollado diversas estructuras pulmonares a través de las cuales el aire fluye de manera complicada. Las aves y los mamíferos se encuentran en los extremos del espectro del flujo de aire. Los mamíferos inhalan aire rico en oxígeno que se canaliza en ramas más pequeñas, terminando en pequeños sacosdonde el oxígeno ingresa y el dióxido de carbono sale del torrente sanguíneo. Cuando los mamíferos exhalan, el aire agotado sigue la misma ruta fuera del cuerpo, exhibiendo un llamado patrón de flujo de marea.
Por el contrario, la respiración de las aves viaja en forma de marea a través de parte del sistema respiratorio, pero en un circuito unidireccional a lo largo de la mayor parte del pulmón. Gracias a un diseño único con válvulas aerodinámicas, el aire siempre se mueve hacia la cabeza a través de muchos tubos pequeños en las aves- durante la inhalación y la exhalación. Los científicos pensaron que este patrón de flujo es hiper eficiente y evolucionó para soportar el vuelo hasta que el grupo de investigación de la bióloga de la Universidad de Utah, Colleen Farmer, descubrió que los caimanes y las iguanas también tienen un patrón de flujo de aire unidireccional.
En su último estudio, los biólogos de U descubrieron que los lagartos monitores Savannah tienen estructuras pulmonares que son una especie de sistema híbrido de pulmones de aves y mamíferos. Los investigadores tomaron tomografías computarizadas de todo el laberinto pulmonar y utilizaron dos supercomputadoras diferentes para simular el flujo de airepatrones en la resolución más alta. El software utilizó una dinámica de fluidos computacional similar a la utilizada para pronosticar el clima, calculando millones de ecuaciones cada décima de segundo. Los resultados muestran que la evolución pulmonar de los vertebrados es complicada y aún no hemos entendido la imagen completa.
"No sabemos por qué los animales tienen diferentes tipos de flujo de aire pulmonar", dijo el autor principal Robert Cieri, un postdoctorado en la Universidad de Sunshine Coast que realizó la investigación mientras era un estudiante graduado en el laboratorio de Farmer ". ¿Por qué los humanos¿tenemos los pulmones que tenemos frente a los pulmones de un pájaro? Esa no es una pregunta simple. Al responder eso, tal vez podamos encontrar más información sobre nuestra propia historia ".
El artículo publicado el 13 de diciembre en The registro anatómico .
Un patrón de flujo de aire único
El lagarto monitor Savannah ha fascinado a los científicos durante mucho tiempo porque tienen uno de los sistemas pulmonares más complicados de cualquier reptil. En 2014, Cieri y sus colegas analizaron una sección del pulmón que tenía principalmente un flujo de aire unidireccional. Este nuevo estudio utiliza más poderosostécnicas para pintar una imagen más completa y complicada. Los pulmones de lagarto monitor de Savannah están estructurados alrededor de un tubo branquial largo que atraviesa la parte posterior del pulmón y se abre en un gran saco. Muchos tubos más pequeños se ramifican desde el principal y distribuyen el aire encámaras pequeñas. Estas cámaras tienen agujeros en sus paredes, lo que permite que el aire fluya también de una cámara a otra. Este diseño complicado resulta en un patrón de flujo de aire que cambia en el curso de un ciclo de respiración. Es un patrón único que es en parte pájaro, en parte mamífero.
Cuando el animal exhala, casi todo el aire fluye hacia el frente del pulmón y sale de la tráquea en un flujo unidireccional neto. Al comienzo de la inhalación, el aire ingresa a través de la tráquea y fluye hacia la parte posterior del pulmón.A medida que la inhalación continúa, el aire comienza a distribuirse a través de las diferentes cámaras laterales y comienza a girar hacia el frente del pulmón. A medida que estos bucles se vuelven más dominantes, las etapas tardías de la inhalación se parecen a la exhalación porque la mayor parte del aire esque fluye unilateralmente desde la cámara central. La estructura complicada no tiene aletas ni válvulas que determinan el flujo de aire, como el corazón bombea sangre. La aerodinámica pura guía la física complicada.
"Este estudio es importante para demostrar que es posible analizar numéricamente los patrones de flujo de aire en estos pulmones extremadamente complicados. Esta capacidad cuantitativa abre nuevas vías para estudiar los mecanismos básicos de cómo funciona la válvula aerodinámica, y nos brinda mejores herramientas para reconstruirla historia evolutiva de estos patrones de flujo y las estructuras que los sustentan ", dijo el autor principal Farmer.
Las supercomputadoras cuentan una historia complicada
La física es tan complicada que Cieri necesitaba dos supercomputadoras del Centro de Computación de Alto Rendimiento en la U y la Fundación Nacional de Ciencias Blue Waters para ejecutar la simulación de dinámica de fluidos de la computadora. Después de crear las tomografías computarizadas, modificó el software existente para predecir elvelocidad y presión basadas en la estructura del pulmón. Él dividió las estructuras en millones de pequeñas "cajas". Cada caja tiene los parámetros físicos de esa sección del pulmón. La simulación usa ecuaciones para predecir cuál será la presión y la velocidad en la próximacaja, etc.
"Hay millones de estos elementos. Cada uno está influyendo en otro cada diez milésimas de segundo en todas las direcciones. Por eso necesitábamos la potencia de la computadora: la simulación es la fuerza bruta que equilibra dos ecuaciones en cada paso para descubrirla siguiente pieza ", dijo Cieri.
La evolución de los pulmones es una pista crucial para comprender las presiones que nos llevaron a donde estamos ahora. Además de aprender más sobre la evolución pulmonar, Cieri cree que podemos aprender algo de la física de la estructura.
"Tenemos esta increíble riqueza de dinámicas de fluidos realmente geniales en el mundo animal sobre las que queremos saber más. Tal vez podamos aplicar ese conocimiento a la ingeniería o la salud humana", dijo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Utah . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :