LENTOS, RÉPTEIS FRIOS TALVEZ RESPIREM COMO PÁSSAROS ENERGÉTICOS

Fluxo de ar unidirecional, pensava-se que existia somente em aves, répteis podem ter vários deles.

Perseguindo respiração - Jacarés não voam, mas a noção de fim de noite levou um pesquisador para mostrar jacarés e pássaros compartilhar uma estratégia de respiração, levantando questões sobre os pulmões de outros répteis.

Perseguindo a respiração – Jacarés não voam, mas a noção de fim de noite levou uma pesquisadora a mostrar que jacarés e pássaros compartilham uma estratégia de respiração, levantando questões sobre os pulmões de outros répteis.

Colleen Farmer estava sozinha uma noite dissecando um jacaré. Seu foco era sobre o fluxo de sangue no coração, quando, de repente, uma hipótese desdobrou-se a cerca dos pulmões dos animais. Em uma varredura, ela percebeu que o que os fisiologistas têm assumido ao longo de décadas sobre a evolução do fluxo de ar em jacarés, outros répteis vivos, e aves, talvez até mesmo de dinossauros poderia estar assustadoramente errado.

Pulmões soam tão simples: ar vai para dentro, e ar vai para fora. Mas, na própria respiração, os pulmões são facilmente concedidos como cheios de quebra-cabeças inesperados. Em seu laboratório sem janelas na Universidade de Utah, Farmer ponderou duas perguntas básicas: Que sentido faz realmente fluir ar nos pulmões, e como ele evoluiu dessa maneira?

Nas pessoas, o ar flui como as marés. Inspire, e segure o ar. Expire, e o ar recua pelo mesmo caminho, esgotado de oxigênio e carregado com um gás residual. Os fisiologistas acreditam que outros vertebrados compartilham deste fluxo bidirecional de marés básico – exceto para as aves.
A respiração das aves foi considerada mais eficiente. Não há tempo de inatividade enquanto a respiração usada limpa as vias aéreas para abrir espaço para a próxima inalação. Uma vez que o ar fresco atinge os pulmões, ele flui em uma direção através de uma complexidade rede de tubos nas zonas cruciais onde os vasos sanguíneos trocam os gases. A evolução dos pulmões mais eficientes, os biólogos argumentaram, ajudou a desenvolver o estilo de vida aves metabolicamente caro, como de atletas aéreas. Aves mantem seus corpos quentes, independentemente do ambiente, e lançam-se para o céu.

Não há portas com barreiras ou válvulas carnudas em pulmões de aves que criam seu notável fluxo unidirecional. A geometria faz o truque. Fenômenos peculiares chamadas “válvulas aerodinâmicas” orientam o ar através das passagens abertas, contando com ângulos e formas das passagens com ramificações.

Na maioria dos peixes, água do mar aerada de entrada (tan) flui com brânquias na direção oposta a partir de sangue (vermelho) que flui ao lado dele. Isso funciona bem para a extracção de oxigénio a partir de um fluido de realização baixos níveis de gás. A maioria dos pulmões de forma eficiente aves extrair oxigénio do ar (tan) à razão de mais de um ângulo de vaso sanguíneo. Fonte: C.G. Produtor / Fisiologia 2015

Na maioria dos peixes, água do mar aerada (tan) flui pelas brânquias na direção oposta a partir de sangue (vermelho) que flui ao lado dele. Isso funciona bem para a extração de oxigênio a partir de um fluído de realização baixos níveis de gás. Muitos pulmões de aves extraem oxigênio do ar. Fonte: C.G. Farmer/Physiology 2015

O que ocorreu de repente a Farmer era que os pulmões de animais como jacarés podem ter válvulas aerodinâmicas que ninguém tinha notado. Se jacarés respiram com uma versão dos primeiros pulmões – e ele tinha um palpite de que seria isto – então talvez isso estaria nos outros animais que não voam e nem mantêm-se ao redor do calor corporal. Se ela estivesse certa, a noção era de que os primeiros pulmões originaram-se como auxiliares do atletismo em aves e foi apenas um questão residual de uma hipótese.

Naquele momento extraordinário de fim de noite, Farmer tinha o mesmo pensamento de uma noção alternativa. Como ela descreveu na revista Physiology, o fluxo unidirecional é importante para jacarés e outros arrastadores do chão também. “É sobre prender a respiração”, ela se lembra de pensar.

O caminho de sua ideia a partir de um flash no cérebro para uma série de artigos publicados não foi uma rapidamente aerodinâmico. Farmer teve de inventar técnicas para fazer medições que ninguém tinha feito antes, um processo confuso envolvendo conflagrações internas e empresas de fornecimento teatrais. Ela tem lidado com descrença de um título definitivo, o ceticismo e as intensas pressões sucessivas. Sua história mostra o quão contra-intuitivo a evolução dos pulmões “simples” pode ser.

Respiração à beira-mar

Desde o início, a história de pulmões dos vertebrados é cheia de reviravoltas, diz a morfologista funcional Elizabeth Brainerd, da Universidade de Brown. O que parece ser a maneira mais simples de algo ter evoluído raramente acaba por ser o caso. E não se deixe enganar por desenhos animados.

Caricaturas de peixes antigos rastejando para fora da água na costa entregaram um abundante  de evidências. Eles evocam um cenário atraente em que os pulmões evoluíram quando peixes aventuraram-se no terrível mundo do ar sufocante. “Errado”, diz Brainerd.

“Um peixe definitivamente não rasteja para fora para evoluir pulmões e pernas”, diz ela. Estes traços supostamente terrestres surgiram a dezenas de milhões de anos antes de qualquer vertebrado colonizar seu primeiro metro frente as praias. As criaturas que eventualmente fizeram a colonização tinham pulmões e membros longos anteriores a eles e colocavam a boca para fora da água.

O ar que respira é útil mesmo na água, e surgiu de alguma forma, pelo menos 38 vezes entre peixes, nota Brainerd. Quando a água esta estagnada, animais que podem por a boca na superfície por um gole de oxigênio aéreo são mais propensos a sobreviver. E os pulmões são apenas uma das opções para os respiradores aquáticos de ar. Peixes desenvolvidos em reservatórios tem dentro de suas bocas, em cima delas, suas brânquias. Alguns apenas engolem bolhas de ar que liberam oxigênio para os vasos sanguíneos nos intestinos antes de expirar no ânus.

A respiração aérea provou ser vital para sobreviver em terra seca, mas isso não é o que era importante em suas origens, Brainerd enfatiza uma visão geral da história do pulmão que ela escreveu para o livro Great Transformations in Vertebrate Evolution, publicado em Julho. Muitos dos grandes eventos na história dos vertebrados, como sair de um mundo de água para um seco, invoca mudanças na anatomia ou fisiologia que já tinham evoluído. Mas ela se encolhe em enfáticas características que já evoluíram como preparações, às vezes até chamado de “pré-adaptações,” para alguma grande mudança que esta por vir. Antepassados tinham simplesmente se adaptado para onde eles viviam. Não houve antecipação de onde eles poderiam ir. A evolução, diz ela, “não tem intencionalidade”.

Ciência profana

A ideia incomum de Farmer sobre a evolução nos pulmões pode ser um estalo devido sua formação incomum. “Eu me sinto como uma estranha na biologia”, diz ela. Como estudante de graduação na Universidade de Idaho, ela se formou em física e, em seguida, trabalhou no Laboratório Nacional Lawrence Livermore onde estudou sobre o armazenamento de elementos de combustível irradiado para reatores nucleares. “Muitas vezes eu me sinto como uma impostora”.

Ainda assim, fazer física treinou-me na resolução de problemas e foi importante para o estudo de transmissão de ar através dos pulmões. “Eu acho que provavelmente terei uma compreensão um pouco melhor da dinâmica de fluidos do que um grande biólogo típico”, diz ela.
Depois de cinco anos em uma grande equipe, ela ansiava por testar suas próprias idéias. “É a parte assustadora, é a parte mais difícil, mas também é a parte emocionante de ser capaz de fazer pesquisa”, diz ela. Então ela foi para a escola, estudando fisiologia comparativa na Brown. Um professor encorajou-a a testar sua noção sobre os padrões de fluxo de sangue em dois peixes que respiram diretamente o ar desafiando o dogma – Belone manchado e o Amia. “Estive pensando sobre corações e pulmões em metade da minha carreira”, diz ela.
Repensar sobre os pulmões do jacaré veio a ela em um instante. Mas convencer a National Science Foundation (NSF) a financiar o seu desenvolvimento de novas técnicas para o trabalho “demorou muito”, lembra ela. Suas propostas de concessão foram “recebendo críticas que basicamente diziam: “Não acredito em você”. Ela emprestou equipamento, financiando o que ela poderia pessoalmente, coletando mais medições e manteve a apresentação das propostas fazendo concessões.

Farmer planejou medir o fluxo de ar através da implantação de sensores de fluxo em animais vivos. Encontrar jacarés vivos não foi difícil, contanto que ela estivesse disposta a conduzir a partir de Salt Lake City para o Rockefeller Wildlife Refuge ao longo da costa da Louisiana. Ela aprendeu a embalar pequenos jovens jacarés americanos em fronhas. Mantendo-os “calmos e com tranquilidade” levava para a unidade de volta para Utah, diz ela. No entanto, quando ela chegava ao hotel, “eles ficavam no carro.”

Em um pulmão típico pássaro (à esquerda), sacos de ar balão fora dos lados das zonas centrais onde os vasos sanguíneos trocam gases com o ar fresco de entrada. Um esquema (à direita) mostra como ar (azul) flui de um caminho através da zona de troca gasosa, apesar fluxo in-and-out outros lugares. Inalado divisões de fluxo de ar, com algum fluxo em tubos magros para a troca gasosa com entrelaçando os vasos sanguíneos e alguns sacos traseiros que entram. Os sacos esprema seu ar dentro dos tubos magros, que, em seguida, liberar o ar pobre em oxigênio em sacos de ar para a frente, que empurram o ar utilizado para fora através da traquéia.

Em um pulmão típico de pássaro (à esquerda), sacos de ar dos lados das zonas centrais onde os vasos sanguíneos trocam gases com o ar fresco da entrada. O esquema (à direita) mostra como ar (azul) flui de um caminho através da zona de troca gasosa, apesar fluxo dentro-e-fora em outros lugares. A inalação do fluxo de ar se divide com algum fluxo em tubos mais finos para a troca gasosa com entrelaçando dos vasos sanguíneos e alguns sacos traseiros que entram. Os sacos apertam o ar interno dos tubos finos, que em seguida libera o ar pobre em oxigênio dos sacos de ar para a frente, que empurram o ar utilizado para fora através da traqueia. D.W. Linzey/Vertebrate Biology, 2nd edition, 2012

Pulmões de jacaré não têm algumas das características vistas em pulmões de aves. Jacarés não crescem os grandes sacos de ar flexíveis que formam uma bolsa traseira e estruturas pulmonares como balões. Muitos biólogos há muito tempo tem assumido que estes sacos de ar são o que dão o percurso de ida da respiração do pássaro. Em linhas gerais, quando o pássaro inala, o ar corre para baixo em uma grande passagem que se divide. Um pouco de ar flui imediatamente através de um conjunto de tubos finos com menos de 2 milímetros de diâmetro, onde os vasos sanguíneos deixam seu dióxido de carbono, resíduos e refrescam-se com oxigênio. O resto do fluxo de entrada de ar fresco vai para os sacos aéreos traseiros. O sacos traseiros empurram o ar restante através dos tubos minúsculos. O ar deixa os tubos e flui para os sacos aéreos localizados na frente do pulmão, os quais são posicionados de modo que o ar possa ser soprado para fora através da parte frontal da boca e narinas. Válvulas aerodinâmicas evitam contra-fluxo dos tubos de troca de oxigênio.

Os pulmões do jacaré podem não ter os mesmos sacos de ar pendurados, mas suas grandes vias aéreas vagamente compartilham alguma geometria com pulmões de aves. Para ver se a geometria por si só poderia criar um fluxo unidirecional, Farmer testou cinco jacarés vivos pegando emprestados pequenos sensores que podem detectar o fluxo de ar.

Testando, testando

Ela se lembra da primeira vez que os sensores deram-lhe uma leitura que o ar flui de uma forma ao longo dos vasos sanguíneos em um pulmão de jacaré: “Foi emocionante e assustador ao mesmo tempo”, diz Farmer. “Se eu publicar algo assim e que esteja errado. Seria como uma “fusão a frio” tudo de novo. A minha carreira estaria acabada”. (A Universidade de Utah, onde Farmer trabalha, foi o marco zero para a exaltação e posteriormente, em 1989, a implosão da alegação do químico de Utah, Stanley Pons e um colega, que tinham conseguido a fusão nuclear à temperatura ambiente).

Intensificando a pressão, a NSF finalmente acabou financiando ela – em sua quinta tentativa – em 2008. Para ver se seus resultados encorajadores inicialmente não eram meros artefatos dos sensores, Farmer tentou um método diferente para testar a direção do fluxo e pegou emprestado uma pesquisa de 1940 sobre os pulmões das aves.

Um professor engenhoso na Universidade de Groningen, na Holanda, EH Hazelhoff, tinha examinado um pulmão de um corvo morto e despejaram uma sopa de grãos de amido através das vias aéreas. Ar e líquidos seguem as mesmas leis da dinâmica dos fluídos, apontou em um artigo 1943. Ele calculou que a água se movendo a cerca de um quinto da velocidade do ar, para compensar a maior densidade da água deve pegar o mesmo caminho através do pulmão. Para traçar esse caminho, ele criou uma janela de visualização para revelar o pulmão e observar de que maneira o pálido amido ser movia.

Farmer tentou a técnica em um jacaré morto, e ficou surpresa quando fez isto. “Enchi um pulmão com água e amido de milho, e com certeza, eu podia ver essas pequenas partículas de amido de milho em movimento” da mesma forma simulada durante a inalação e exalação.

Para enviar o trabalho para a Science, ela trocou o amido de milho por microesferas de incandescência. A Science publicou o paper sobre o jacaré em 2010, relatando que as válvulas aerodinâmicas criam um fluxo unidirecional perto de vasos sanguíneos nos pulmões jacaré.

pulmões de um jacaré americano tem um fluxo de ar mais birdlike do que os biólogos imaginavam, assim como o lagarto monitor de savana (linha inferior). O ar flui duas maneiras na traqueia, mas mais profundamente no pulmão, segue-se um caminho de ida (painéis da direita). Fonte: Alligator, from left: c.g. farmer and kent sanders/univ. of utah; e. otwell. lizard: e.r. schachner et al/nature 2013

Repensando os répteis – Pulmões de um jacaré americano tem um fluxo de ar mais semelhante ao de um pássaro do que os biólogos imaginavam, assim como o lagarto monitor de savana (linha inferior). O ar flui de duas maneiras na traqueia, mas mais profundamente no pulmão, segue- um caminho de ida (painéis da direita). Fonte: Alligator, from left: c.g. farmer and kent sanders/univ. of utah; e. otwell. lizard: e.r. schachner et al/Nature 2013

Como nas aves, as válvulas aerodinâmicas de jacarés deixam passar ar para dentro e para fora do mesmo tubo de suas vias respiratórias, enquanto preserva uma via de fluxo através das estruturas tubulares dentro do pulmão (SN: 2/13/10, p. 11). “Absolutamente transformacional”, Adam Summers, da Universidade de Friday Harbor Laboratories de Washington disse na época.

O resultado foi surpreendente, mas Farmer queria dar um olhar ainda mais ambiciosa nos répteis. Na árvore da vida, jacarés pertencem ao ramo vivo mais próximo das aves, os crocodilianos. Com apenas um jacaré e um pássaro, era difícil adivinhar se os seus antepassados tinham evoluído uma maneira de respirar de forma independente ou tinha herdado os fundamentos de algum ancestral ainda mais antigo comum. Mostrar o fluxo unidirecional em espécies de parentesco mais distante sugeriria que era necessário uma mudança ainda maior no pensamento.

Então Farmer e seus colegas começaram a testar o fluxo de ar em répteis não tão intimamente relacionados com as aves, incluindo o lagarto monitor e a iguana verde. Mas isso exige um certo trabalho.

“As técnicas que estávamos usando em jacarés não funcionaram muito bem na iguana”, diz Farmer. Nas passagens estreitas de pulmões de jacaré, sensores captaram um percentual razoável de ar fluindo. Pulmões de iguana têm grandes câmaras abertas, de modo que os sensores mostraram apenas uma pequena parte do ar. “Nossa relação com o ruído de sinal era terrível”, diz ela. Era hora de um novo método.

Ela tentou construir pequenos sensores de pressão que esperava que fossem mais sensíveis do que os medidores de fluxo anteriores. Mas eles eram muito difíceis de usar. Então ela se virou para endoscópios como aqueles usados por veterinários. Ao inseri-lo nos pulmões da iguana, ela esperava assistir a correntes de ar e varrer as partículas. Mas primeiro ela tinha que encontrar o tipo certo de partículas, captura-las e encaminhá-las para o pulmão de forma eficiente.

“Eu estava queimando papel, tentando fazer com pequenas partículas de fuligem”, diz ela. “Nós tentamos fumaça de cigarro, que foi apenas um pesadelo.” Eventualmente trabalhou com nevoeiro, especificamente do Nevoeiro Pântano Juice Froggy, a partir de uma empresa de fornecimento teatral.

A máquina de névoa formou um suco com uma mistura de lípidos pântanosos em nuvens assustadoras e persistentes que eram difíceis de controlar. Assim, um estudante sugeriu vaporizar o líquido em um e-cigarro. “Eu nem sabia o que era”, diz Farmer. Mas o dispositivo era portátil, fácil de ligar na tubagem, produz apenas a quantidade de fumaça que ela precisa. Sem mais nevoeiro preenchendo o laboratório.

Com esses avanços técnicos, Farmer e seus colegas relataram em 2013 que o ar flui unidirecionalmente através de pulmões de um lagarto monitor (Varanus exanthematicus). Em 2014, a iguana verde entrou para a lista (SN: 12/27/14, 12 p.). Nenhum outro animal tem uma estrutura pulmonar tão parecida com a de um pássaro.

Soprar de volta

Os papers abalaram a ciência dos pulmões. Desde o primeiro, os lagartos monitor eram “verdadeiramente chocantes”, diz o paleontólogo de vertebrados Mathew Wedel, da Universidade Ocidental de Ciências da Saúde em Pomona, na Califórnia.
“E então, em seguida, os resultados da iguana saíram, e eles são simplesmente ridículos”, diz Wedel. (Isso é “ridículo” em um bom sentido) Os cientistas têm assumido que os pulmões tem de ser complexo e altamente subdivididos para criar a geometria das válvulas aerodinâmicas, mas iguanas geriram um tubo e um saco. Lendo esse paper era “como descobrir que o triciclo do seu filho pode ir de 200 milhas por hora”.

“Inicialmente cético” é como John Maina, da Universidade de Joanesburgo, na África do Sul descreve sua reação diante da noção de fluxo unidirecional generalizada. Ele vem estudando estruturas respiratórias por 36 anos e não esperava pulmões sem os grandes sacos de ar dos pássaros para gerar um verdadeiro movimento unidirecional. Mas ele agora tem lido vários dos papers de Farmer e ouviu-a dar uma palestra. “A ciência é sólida”, diz ele.

Encontrar padrões de ar de pássaro (marcados com um asterisco) nos pulmões de crocodilianos, um grupo estreitamente relacionado com pássaros, lagartos e em parentesco mais distante levanta a possibilidade de que o fluxo de ar unidirecional evoluiu muito antes do que os pássaros eles mesmos fizeram.

Encontrado padrões semelhantes ao de pássaros (marcados com um asterisco) nos pulmões de crocodilianos, um grupo estreitamente relacionado com pássaros, lagartos e em parentescos mais distantes levanta a possibilidade de que o fluxo de ar unidirecional evoluiu muito antes do dos pássaros.

Steven Perry, da Universidade de Bonn, na Alemanha concorda com os papers e disse que é “extremamente importante”, embora ele argumente algumas comparações de Farmer entre as características em aves e outras espécies. Como analista de longa data de pulmões de répteis, Perry descreveu buracos entre as câmaras pulmonares que possam permitir a circulação inesperada, mas ele não discutiu o fluxo unidirecional. Ainda é muito cedo, diz ele, para chamar os buracos nos pulmões do jacaré de “parabrônquios” como as características que permitem o fluxo de ar unidirecional em aves.

O trabalho do Farmer também tem implicações para comparações de longa data com os dinossauros. Para Wedel “Passei mais ou menos a primeira década da minha carreira procurando evidências de sacos aéreos de pássaro em dinossauros”, diz ele. Baseando-se que os trabalhos sobre a antiga sabedoria aceita, ele pensou que ele precisava encontrar sacos, o que indicaria que os dinossauros devem ter tido o fluxo de ar de pássaro em seus pulmões. Mas ler o trabalho de Farmer o convenceu de que ele estava trabalhando em duas premissas erradas. Répteis não precisam de fato dos grandes sacos de ar para agilizar seu fluxo de ar.

Nem a presença de fluxo unidirecional indica de forma confiável um estilo de vida metabolicamente caro como o das aves.

Encontrando um fluxo de ar unidirecional em répteis tão diversos suporta a noção original de Farmer que algo estava faltando na história da evolução de pulmão. Jacarés, lagartos e iguanas verdes – ao contrário de aves – não voam e não aceleram as taxas metabólicas frenéticamente para manter uma temperatura corporal constante quente. Assim, ao contrário do pensamento aceito, talvez, o fluxo de ar unidirecional, também é importante para o estilo de vida frio e lento.

Os répteis são animais ectotérmicos, animais que dependem principalmente de seu ambiente para aquecer ou resfriar-los. Ectotérmicos passam a maior parte de suas vidas prendendo a respiração, diz Farmer. Muitos caçam ficando apenas sentados e esperando. E os animais podem se esconder de predadores ou predam por congelamento imóvel sobre pedra. Um fluxo unidirecional de ar lhes convém. Em silêncio, um fluxo unidirecional de respiro pode contar com o bater do seu coração para empurrar os gases nos pulmões o suficiente para misturar camadas de ar. Estes empurrões aumentam a transmissão de oxigênio da respiração no vaso sanguíneo que poderia ocorrer por difusão sem se misturar. Pulmões que estão bem fechados durante a apnéia podem manter a troca de gás mais facilmente se o ar está circulando apenas de uma maneira, sustenta Farmer.

Fluxo unidirecional cria uma circulação de ar que também pode facilitar a eliminação de ar dos pulmões já esgotados, o processo chamado de “washout”, diz Farmer. Há menos mistura de ar velho e fresco, e, portanto, menos necessidade para tantas respirações. Menos urgência em respirar pode trazer muitas economias, como a menor perda de umidade do corpo ou calor.

É verdade, o fluxo de ar unidirecional parece beneficiar os pássaros de hoje. Gansos migrando podem ir para grandes alturas com baixo oxigênio e pinguins que caçam peixes podem segurar a respiração em mergulhos longos para procurar o jantar. Mas muito antes de tais atletismo evoluírem, algumas vantagens do de uma respiração lenta poderia ter impulsionado o fluxo de sentido único em seus répteis ancestrais. Os benefícios de hoje não tem de ser os mesmos de ontem. Como diz Brainerd, a evolução não tem intenções.

Fonte: Science News

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