THE MYSTERY OF LIZARD BREATH: ONE-WAY AIR FLOW MAY BE 270 MILLION YEARS OLD (Comentado)

Air flows mostly in a one-way loop through the lungs of monitor lizards — a breathing method shared by birds, alligators and presumably dinosaurs, according to a new University of Utah study.

The upper image is a colorized CT scan showing different airways in the lung of a monitor lizard. The bottom image shows how air flows in a mostly one-way loop through the lizard’s lung, as measured by sensors implanted as part of a University of Utah study. Note how the air flows through adjacent lateral airways (blue and purple) by moving through perforations in the airways’ walls. (Credit: Emma Schachner, University of Utah)

The upper image is a colorized CT scan showing different airways in the lung of a monitor lizard. The bottom image shows how air flows in a mostly one-way loop through the lizard’s lung, as measured by sensors implanted as part of a University of Utah study. Note how the air flows through adjacent lateral airways (blue and purple) by moving through perforations in the airways’ walls. (Credit: Emma Schachner, University of Utah)

The findings — published online Dec. 11 in the journal Nature — raise the possibility this breathing pattern originated 270 million years ago, about 20 million years earlier than previously believed and 100 million years before the first birds. Why remains a mystery.

“It appears to be much more common and ancient than anyone thought,” says C.G. Farmer, the study’s senior author and an associate professor of biology at the University of Utah. “It has been thought to be important for enabling birds to support strenuous activity, such as flight. We now know it’s not unique to birds. It shows our previous notions about the function of these one-way patterns of airflow are inadequate. They are found in animals besides those with fast metabolisms.”

But Farmer cautions that because lizard lungs have a different structure than bird and alligator lungs, it is also possible that one-way airflow evolved independently about 30 million years ago in the ancestors of monitor lizards and about 250 million years ago in the archosaurs, the group that gave rise to alligators, dinosaurs and birds. More lizard species, such as geckos and iguanas, must be studied to learn the answer, she says.

Farmer conducted the study with two University of Utah biologists — first author and postdoctoral fellow Emma Schachner and doctoral student Robert Cieri — and with James Butler, a Harvard University physiologist.

The research was funded by the American Association of Anatomists, the American Philosophical Society, the National Science Foundation and private donor Sharon Meyer.

Tidal Versus One-Way Airflow in the Lungs

Humans and most other animals have a “tidal” breathing pattern: Air flows into the lungs’ branching, progressively smaller airways or bronchi until dead-ending at small chambers called alveoli, where oxygen enters the blood and carbon dioxide leaves the blood and enters the lungs. Then the air flows back out the same way.

Birds, on the other hand, have some tidal airflow into and out of air sacs, but their breathing is dominated by one-way airflow in the lung itself. The air flows through the lung in one direction, making a loop before exiting the lung.

In 2010, Farmer published a study showing that a mostly one-way or “unidirectional” airflow controlled by aerodynamic valves exists in alligators. That means the breathing pattern likely evolved before 250 million years ago, when crocodilians — the ancestors of alligators and crocodiles — split from the archosaur family tree that led to the evolution of flying pterosaurs, dinosaurs and eventually birds.

The new study found a mostly one-way, looping air flow in African savannah monitor lizards, Varanus exanthematicus — one of roughly 73 species of monitor lizards — although there was some tidal airflow in regions of the lungs. That means one-way airflow may have arisen not among the early archosaurs about 250 million years ago, but as early as 270 million years ago among cold-blooded diapsids, which were the common, cold-blooded ancestors of the archosaurs and Lepidosauromorpha, a group of reptiles that today includes lizards, snakes and lizard-like creatures known as tuataras.

One-way airflow may help birds to fly without passing out at high altitudes, where oxygen levels are low. Before the new study, Farmer and others had speculated that the one-way airflow may have helped dinosaurs’ ancestors dominate the Earth when atmospheric oxygen levels were low after the Permian-Triassic mass extinction — the worst in Earth’s history — 251 million years ago.

“But if it evolved in a common ancestor 20 million years earlier, this unidirectional flow would have evolved under very high oxygen levels,” she says. “And so were are left with a deeper mystery on the evolutionary origin of one-way airflow.”

How the Study was Performed

As in her earlier research on alligators, Farmer and colleagues demonstrated predominantly one-way airflow in the lungs of monitor lizards in several ways. They performed CT scans and made 3-D images of lizard lungs to visualize the anatomy of the lungs. They surgically implanted flow meters in the bronchi of five monitor lizards to measure airflow direction.

Using lungs removed from 10 deceased lizards, the researchers measured air flow as they pumped air into and out of the lungs. They also pumped water laden with sunflower pollen particles or plastic microspheres through lizard lungs, and the movement of the pollen and spheres also showed the unidirectional airflow.

Savannah monitor lizards were used in the research because they are relatively large and thus easier to study, weighing about a pound and measuring roughly 15 inches from head to tail tip. Monitor lizards also have some of the highest rates of oxygen consumption, partly because they breathe using not only their trunk muscles and ribs, but also using “gular pumping,” which is when the lizards flare out their throat and pump air into their lungs.

Monitor lizards’ lungs have more than a dozen chambers or bronchi in each lung. The primary airway runs the length of the lung, with lateral bronchi branching off of it.

The study showed that air enters the lizard’s trachea or windpipe, then flows into the two primary airways, which enter the lung. But then, instead of flowing tidally back out the same way, the air instead loops back in a tail-to-head direction moving from one lateral airway to the next through small perforations between them.

The walls containing perforations that allow air to flow from one chamber to the next “are like lace curtains,” Farmer says.

There appear to be no mechanical valves or sphincters, so the one-way airflow appears “to arise simply from jetting,” or aerodynamic valves created when air flows around bends within the lung airways. That is supported by the fact that one-way airflow was observed even in lungs removed from dead lizards.

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

Fonte: Science Daily

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Comentários do autor

O ar flui principalmente em um looping de um caminho através dos pulmões de lagartos, um método de respiração compartilhado por pássaros, jacarés e dinossauros. Os resultados publicados na revista Nature mostram que tal padrão de respiração originou-se a 270 milhões anos atrás, ou seja, cerca de 20 milhões anos antes do que se acreditava anteriormente e 100 milhões de anos antes dos primeiros pássaros.

Anteriormente, pensava-se que era um método exclusivo das aves selecionado para permitir uma atividade extenuante, como vôo. Agora sabemos que não é exclusivo para as aves. Isso porque as nossas noções anteriores sobre a função desses padrões de sentido único de fluxo de ar são insuficientes. Eles são encontrados em animais, além de pessoas com metabolismo rápido.

Os pulmões lagartos têm uma estrutura diferente ao das aves e jacarés. Também é possível que o fluxo de ar unidirecional evoluiu independentemente cerca de 30 milhões de anos atrás nos antepassados ​​dos lagartos e cerca de 250 milhões de anos atrás, nos arcossauros, grupo que deu origem aos jacarés, crocodilos, dinossauros e aves.

Farmer, autor do artigo, conduziu o estudo com dois biólogos da Universidade de Utah – a pós-doutorado Emma Schachner e doutorando Robert Cieri – e com um fisiologista, James Butler da Universidade de Harvard. A pesquisa foi financiada pela Associação Americana de Anatomistas, a Sociedade Filosófica Americana, a Fundação Nacional de Ciência e doador privado Sharon Meyer.

Os seres humanos e a maioria dos animais têm um padrão de respiração (embora a taxa ventilatória seja diferente). O ar flui entre as ramificações dos pulmões, vias aéreas ou brônquios cada vez menores (em nós humanos até os bronquíolos) terminando em pequenas câmaras chamadas alvéolos, onde o oxigênio entra no sangue e o dióxido de carbono deixa o sangue e entra nos pulmões. Em seguida, o ar flui de volta para fora da mesma maneira.

Em aves, por outro lado, o fluxo de ar tem uma corrente para dentro e para fora das bolsas de ar, mas a respiração é dominada por um caminho de fluxo de ar no próprio pulmão. O ar flui através do pulmão em uma direção, fazendo um “laço” antes de sair.

Em 2010, Farmer publicou um estudo mostrando que a maior parte do fluxo de ar “unidirecional” é controlada por válvulas aerodinâmicas que existem também em jacarés. Isso significa que o padrão de respiração provavelmente evoluiu antes de 250 milhões de anos, quando crocodilianos – os ancestrais dos jacarés e crocodilos – dividiam a árvore do grupo, que levou à evolução dos Pterossauros, dinossauros (e dos dinos voadores) e eventualmente aves.

O novo estudo encontrou uma sentido único, um looping, no fluxo de ar em lagartos africanos Varanus exanthematicus, um grupo de 73 espécies. Isso significa que o fluxo de ar unidirecional pode ter surgido não entre os primeiros arcossauros cerca de 250 milhões de anos atrás, mas há 270 milhões anos atrás entre diapsideos de sangue frio que foram os antepassados comuns dos arcossauros e Lepidosauromorpha, um grupo de répteis que hoje inclui lagartos, cobras e criaturas semelhantes a lagartos conhecidos como tuataras.

Em sua pesquisa anterior sobre jacarés, Farmer havia demonstrado o fluxo unidirecional nos pulmões de lagartos de várias maneiras. Ele e seus colegar realizaram tomografias e fez imagens 3-D dos pulmões lagarto para visualizar sua anatomia. Eles implantaram cirurgicamente medidores de fluxo nos brônquios de cinco lagartos para medir direção do fluxo de ar.

Usando pulmões retirados de 10 lagartos falecidos, mediram o fluxo de ar à medida que o ar era bombeado para dentro e para fora dos pulmões. Bombearam água carregada com partículas de pólen de girassol ou microesferas de plástico através dos pulmões de lagarto, e o movimento do pólen e esferas mostrava o fluxo de ar unidirecional.

Lagartos da savana africana foram utilizados na pesquisa, porque eles são relativamente grandes e, portanto, mais fácil de estudar, pesando cerca de um quilo e medindo cerca de 15 centímetros da cabeça à ponta da cauda. O lagarto monitor também tem algumas das mais altas taxas de consumo de oxigênio, em parte porque eles respiram utilizando não só os seus músculos do tronco e costelas, mas também usando o “bombeamento gular”, que é quando os lagartos usam a garganta e bombeiam ar em seus pulmões.

Os pulmões do lagarto monitor tem mais de uma dezena de câmaras ou brônquios em cada pulmão. O estudo mostrou que o ar entra na traquéia do lagarto, então flui para as duas vias principais, que entram no pulmão. Mas, em vez de fluir de volta da mesma forma, o ar da a volta no sentido cauda-para-cabeça movendo-se de uma via aérea lateral.

As paredes contendo perfurações que permitem que o ar flua de uma câmara para a próxima. Não parece haver válvulas mecânicas ou esfíncteres, de modo que o fluxo de ar unidirecional parece surgir ejetando, ou válvulas aerodinâmicas são criadas quando o ar flui em torno de curvas dentro das vias aéreas pulmonares. Isto é apoiado pelo fato de que o fluxo de ar unidirecional foi observado mesmo em pulmões retirados de lagartos mortos.

Uma evidencia desse mecanismo é a diversidade de sistemas de respiração que foram encontradas em diferentes crocodilianos fósseis. Classificados assim como Eusuchios, Mesosuchios e Protosuchios.

Tive a oportunidade de ter aulas sobre crocodilianos com meu professor de paleontologia que era especialista em Mesossauros. Os crocodilianos respiram 4 vezes mais ar que o homem. Seu fígado funciona como um pistão podendo ser arrastado com a inflação do pulmão. Pode ficar imerso cerca de meia hora. Do ponto de vista evolutivo a artéria aorta direita ou esquerda é perdida dependendo da posição evolutiva que o animal pertence, isso é evidente em anfíbios, mas presente em mamíferos. Isso tem uma implicância muito grande no caso da circulação sanguínea anastomoseada de crocodilianos.

Nos crocodilos, pode haver resquício de uma aorta extra. A aorta extra desvia o fluxo para o sistema digestório para misturar o dióxido de carbono com soluções e produzir substâncias ácidas que auxiliem na digestão. O mais interessante nos crocodilianos é o que ocorre em sua respiração durante o mergulho e que realmente desafia os biólogos evolucionistas a produzir teorias que expliquem tal mecanismo.

Nos répteis não crocodilianos os átrios do coração são separados e os ventrículos parcialmente divididos e mesmo assim o sangue oxigenado ainda se mistura com o sangue venoso (pobre em oxigênio), mesmo que essa mistura seja mínima. Apresentando assim uma circulação dupla bem desenvolvida. Nos crocodilianos, ambas as câmaras cardíacas estão divididas. Essa separação peculiar permite que o arco aórtico origine-se no ventrículo direito, portanto recebe sangue venoso.

Há um orifício que conecta os dois arcos aórticos e mesmo assim o sangue não se mistura. Assim, durante o mergulho o crocodilo conduz um tipo de respiração peculiar porque sua circulação se modifica de tal modo que o fluxo de sangue para os pulmões diminui e o débito cardíaco do ventrículo direito é ejetado para o arco aórtico esquerdo através dessa uma junção chamada de anastomose.

Esse mecanismo de redirecionamento do fluxo sanguíneo na natureza é único e permanece um mistério, mas evidencia como elefantes, por exemplo, sendo maiores e mais recentes filogeneticamente, tem sua fisiologia simples quando comparada com crocodilianos que são mais antigos em cerca de 140 milhões de anos. A complexidade surge não como regra. A regra é a sobrevivência do mais apto e se aptidão significar a modificação de seu nariz em uma tromba ou utilizar um canal circulatório alternativo então á sobrevivência esta garantida. Mecanismos evolutivos criam seres vivos no sentido de mantê-los vivos, o surgimento das espécies é um processo secundário a sobrevivência.

Recentemente, um artigo publicado no periódico Ethology, Ecology and Evolution,o pesquisador Vladimir Dinets, da Universidade do Tennessee, notou que crocodilianos apresentam a capacidade de criar ferramentas que auxiliam no seu comportamento de caça. Esse comportamento foi visto pela primeira vez em 2007, quando um crocodilo nda Índia usava gravetos posicionados sobre suas cabeças disfarçando-se de tronco. O truque enganou pássaros que buscavam material para construir seus ninhos.

Para descobrir se aquele era um comportamento fixo do grupo, Dinets e sua equipe fez diversas observações em outros répteis durante um ano em quatro locais do estado de Luisiana, nos Estados Unidos. Os pesquisadores descobriram que a estratégia dos crocodilos ocorria com mais frequência entre março e maio, período em que as aves estão construindo seus ninhos.

Victor Rossetti

Palavras chave: NetNature, Rossetti, Repteis, Respiração, Crocodilos, Taxa ventilatoria, Circulação, Evolução. 

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