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» » » El misterio de la respiración del lagarto, un flujo respiratorio de hace 270 millones de años

Referencia: Science.Daily.com, 11 de diciembre 2013

El aire fluye sobre todo en un circuito unidireccional a través de los pulmones de los lagartos monitor, un método de respiración compartido por las aves, caimanes y, presumiblemente, por los dinosaurios, según un nuevo estudio de la Universidad de Utah.

Los resultados, publicados en línea el 11 de diciembre en Nature, plantean la posibilidad de que este patrón de respiración se originó hace 270 millones de años, unos 20 millones de años antes de lo que se creía y 100 millones de años antes de las primeras aves. El por qué sigue siendo un misterio.

"Parece que es mucho más frecuente y antiguo de lo que nadie pensaba", aduce C. G. Farmer, autora principal del estudio y profesora asociada de biología en la Universidad de Utah. "Se pensaba que su importancia para las aves era la de apoyar una actividad vigorosa, como es el vuelo. Ahora sabemos que no. Nuestras nociones previas sobre la función de estos patrones unidireccionales de circulación de aire son inadecuados. Se ha descubierto en otros animales, además de aquellos con un metabolismo rápido."

Pero Farmer señala que debido a que los pulmones de los lagartos tienen una estructura distinta a los pulmones de las aves y del cocodrilo, también es posible que el flujo unidireccional de aire se desarrollara de forma independiente hace unos 30 millones de años, en aquellos ancestros ​​de los varanos, y hace unos 250 millones de años en los arcosaurios, el grupo que dio origen a los cocodrilos, dinosaurios y aves. Muchas especies de lagartos, como los geckos e iguanas, deberían ser estudiados para saber la respuesta, dice ella.

Farmer condujo el estudio junto con dos biólogos de la Universidad de Utah, la primera autora y postdoctoral Emma Schachner, y el doctorando Robert Cieri, además de James Butler, fisiólogo de la Universidad de Harvard.

La investigación fue financiada por la Asociación Americana de anatomistas, la Sociedad Filosófica Americana, la Fundación Nacional de Ciencia y la donante privada Sharon Meyer.

De Marea vs Flujo Unidireccional de los Pulmones

Los seres humanos y la mayoría de los animales tienen un patrón de respiración tipo "marea": El aire fluye en las ramificación de los pulmones, en las cada vez más pequeñas vías aéreas o bronquios hasta morir en unas pequeñas cavidades llamadas alvéolos, donde el oxígeno pasa a la sangre y el dióxido de carbono sale de la sangre y entra en el pulmones. Entonces el aire fluye de vuelta por el mismo camino .

Las aves, sin embargo, tienen algún flujo de aire de marea dentro y fuera de los sacos de aire, pero su respiración está dominada por un solo sentido del flujo de aire en el propio pulmón. El aire fluye a través del pulmón en una única dirección, haciendo un bucle antes de salir del pulmón.

En 2010, Farmer publicó un estudio que muestra que existe una mayor parte de un solo sentido o flujo de aire "unidireccional", controlado por unas válvulas aerodinámicas en los cocodrilos. Esto significa que el patrón de respiración probablemente evolucionó antes de hace 250 millones de años, cuando los cocodrilia, antepasados ​​de los cocodrilos y caimanes, se separaron del árbol genealógico de los arcosaurios, lo que condujo a la evolución de los pterosaurios voladores, dinosaurios y, finalmente, las aves.

El nuevo estudio encontró un bucle de flujo de aire unidireccional en los lagartos monitor africanos de la sabana, Varanus exanthematicus, uno de aproximadamente 73 especies de lagartos, aunque había un poco de flujo de aire de marea en regiones de los pulmones. Eso significa que el flujo de aire unidireccional no pudo haber surgido entre los primeros arcosaurios hace unos 250 millones de años, sino ya desde hace 270 millones de años, entre los diápsidos de sangre fría, que eran los ancestros comunes de sangre fría de los arcosaurios y Lepidosauromorpha, un grupo de reptiles que hoy incluye a los lagartos, serpientes y criaturas similares, como los tuataras.

El flujo de aire unidireccional puede ayudar a las aves a volar sin desmayo en altitudes elevadas, donde los niveles de oxígeno son bajos. Antes del nuevo estudio, Farmer y otros habían especulado que podría haber ayudado a los antepasados ​​de los dinosaurios que dominaron la Tierra, cuando los niveles de oxígeno atmosférico se hicieron muy bajos después de la extinción masiva del Pérmico-Triásico, el peor de la historia de la Tierra, hace 251 millones años.

"Pero si se desarrolló en un ancestro común 20 millones de años antes, este flujo unidireccional debió haber evolucionado de bajos a muy altos niveles de oxígeno", subrayó ella . "Y también que ha quedado como un misterio profundo sobre el origen evolutivo del flujo unidireccional del aire."

¿Cómo se realizó el estudio?

Al igual que en su investigación anterior sobre los caimanes, Farmer y sus colegas demostraron el predominantemente flujo unidireccional del aire en los pulmones de los varanos de varias formas. Realizaron tomografías computarizadas e hicieron imágenes 3-D de los pulmones de los lagartos para visualizar la anatomía de los pulmones. Se implantaron quirúrgicamente medidores de flujo en los bronquios de cinco lagartos monitor para medir la dirección del flujo de aire .

Usando los pulmones extraídos de 10 lagartos fallecidos, los investigadores midieron el flujo de aire a medida que bombeaban aire dentro y fuera de los pulmones. También bombearon agua cargada con partículas de polen de girasol o microesferas de plástico a través de los pulmones de los lagartos, de manera que el movimiento del polen y las esferas también mostraban el flujo de aire unidireccional .

Los lagartos monitor de la Sabana fueron utilizados en la investigación porque son relativamente grandes, y por lo tanto más fáciles de estudiar, pesan alrededor de una libra y mide aproximadamente 38 cm. desde la cabeza hasta la punta de la cola. Los varanos monitor también tienen unas de las tasas más altas de consumo de oxígeno, en parte debido a que respiran usando no sólo sus músculos del tronco y las costillas, también usan un "bombeo gular", que es cuando los lagartos ensanchan su garganta y bombean aire a sus pulmones.

Los pulmones de los lagartos monitor tienen más de una docena de cámaras o de bronquios en cada pulmón. La vía aérea principal recorre todo lo largo de los pulmones, incluidas las ramificaciones laterales bronquiales de fuera.

El estudio demostró que el aire entra en la tráquea del lagarto, luego fluye por las dos vías principales que entran al pulmón. Pero entonces, en lugar de como marea retirarse por el mismo camino, el aire salta hacia atrás en una dirección de cola a cabeza, moviéndose desde la vía aérea lateral a otra vía, a través de pequeñas perforaciones entre ellas.

Las paredes contienen perforaciones que permiten que el aire fluya de una cámara a la siguiente "son como cortinas de encaje", dice Farmer .

No parece que existan válvulas mecánicas o esfínteres, por lo que el flujo de aire unidireccional parece "surgir simplemente como chorro", o que unas válvulas aerodinámicas creadas cuando el aire fluye alrededor se curva dentro de las vías respiratorias del pulmón. Así lo corrobora el hecho de que este flujo de aire unidireccional se observara incluso en los pulmones extraídos de lagartijas muertas.


- La imagen superior es una tomografía computarizada coloreada, que muestra diferentes pasajes de aire de los pulmones de un lagarto monitor. La imagen inferior muestra cómo el aire fluye en su mayoría, en un bucle unidireccional a través de los pulmones del lagarto, medidos así por sensores implantados, como parte de un estudio de la Universidad de Utah. Nótese cómo el aire fluye a través de las vías aéreas laterales adyacentes (azul y púrpura) moviéndose a través de las perforaciones de las paredes en las vías aéreas. Crédito: Emma Schachner, de la Universidad de Utah)
- Fuente: University of Utah.

- Publicación:Emma R. Schachner, Robert L. Cieri, James P. Butler & C. G. Farmer. Unidirectional pulmonary airflow patterns in the savannah monitor lizard. Nature, 2013 DOI: 10.1038/nature12871.
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