Ученые обнаружили, что одна из физиологических особенностей птиц, про которую раньше думали, что она возникла в ходе эволюции у птиц как приспособление к полету, присутствует также у некоторых ящериц. Эта особенность – однонаправленное дыхание. При таком типе дыхания легкие насыщаются кислородом не только при вдохе, но и при выдохе.
У человека воздух при вдохе попадает из носоглотки в трахею, потом в бронхи, потом в легкие, а потом тем же путем, но в обратном порядке выдыхается обратно. Газообмен – проникновение кислорода из воздуха в кровь – происходит только в легких, при этом в кровь попадает примерно 25% кислорода, содержавшегося в воздухе. У птиц есть еще один дополнительный орган – воздушные мешки. При вдохе примерно четверть воздуха попадает сразу в легкие, а три четверти – в воздушные мешки. При выдохе запасенный в мешках воздух попадает в легкие, таким образом, газообмен происходит не половину времени, а все время. Газ движется в легких по трубочкам, в которых и происходит газообмен, почти всегда в одном направлении. Такой способ дыхания позволяет затрачивать на расширение и сужение грудной клетки или воздушных мешков одно и то же количество энергии, а получать почти вдвое больше кислорода. По эффективности он превосходит даже тот, который достался млекопитающим.
Раньше считалось, что такое дыхание свойственно только птицам. Но в 2010 году была опубликована работа, авторы которой обнаружили, что воздух движется однонаправленно по парабронхам в легких у миссисипского аллигатора. У аллигаторов нет воздушных мешков, но в остальном наблюдается заметное сходство с птицами. Это наводит на мысль, что более эффективное однонаправленное дыхание возникло в ходе эволюции не непосредственно у птиц, а 250 миллионов лет назад, когда жил их с крокодилами общий предок – в триасовом периоде. Что характерно, на эволюционном филогенетическом дереве крокодилы находятся ближе к динозаврам и современным птицам, чем к другим современным рептилиям, и вот нашелся еще один признак, объединяющий крокодилов с птицами. Это совпадение также навело некоторых ученых на мысль, что динозавры тоже дышали однонаправленно.
В работе, опубликованной 11 декабря этого года в авторитетнейшем журнале Nature, авторы сообщают, что обнаружили аналогичный однонаправленный тип дыхания еще и у варанов.
Казалось бы, на дворе XXI век, весь необходимый для физиологических исследований арсенал методов давно разработан, все крупные объекты изучены вдоль и поперек, а неожиданные открытия происходят в молекулярной биологии. Каким образом удалось сказать новое слово в такой хорошо изученной области, как физиология позвоночных?
Видимо, дело в том, что раньше этим просто никто не интересовался. Анатомически легкие варанов ничем не похожи на легкие птиц. У варанов нет ничего напоминающего воздушные мешки. На вид легкие варана – просто мешки, поделенные перегородками на несколько частей. Но по показателям эффективности метаболизма кислорода вараны в лучшую сторону отличаются от своих ближайших родственников. Это и заинтересовало ученых. Компьютерная томография показала, что структура сложнее.
Оказалось, что у варана есть один большой мешок, и от него ответвляются от 9 до 11 мешочков поменьше. Эти мешочки поменьше могут сообщаться между собой через проницаемые стенки. Теоретически, такая конструкция может обеспечивать однонаправленное дыхание. Но одно дело предположить это, основываясь на изображении, полученном при томографии, а другое – доказать. Для этого пришлось применить несколько оригинальных методов. Динамика газов и жидкостей довольно схожа. Чтобы смоделировать поведение воздуха в легких, ученые заменили воздух водой с растворенными в ней сферами маленького размера. Вода текла в двух направлениях в большой камере, но однонаправленно в маленьких. Удостоверившись, что они на правильном пути, ученые имплантировали датчики в разные участки легких живого варана, и получили аналогичных результат.
Все это, конечно, еще не исключает возможности, что однонаправленное дыхание развивалось у предков птиц, варанов и крокодилов независимо, но все же всерьез заставляет задуматься над версией, что эта особенность появилась у их общего предка (примерно 270 лет назад). По нынешним меркам это довольно масштабная поправка в представлениях о ходе эволюции.
