动物肺中不同类型的气流模式。哺乳动物(左上角)具有潮汐气流模式，空气在支气管的分支网络中来回流动。鸟类(右上角)的支气管呈环状，在吸入和呼气过程中，空气在许多这些支气管中以相同的方向运动。监控蜥蜴(下图)有一种网络单向气流模式，空气来回流动，但更多的空气在肺的每个部分的整个通气周期中向前或向后移动。白色箭头表示整个通气周期的净流量。供稿：罗伯特·西耶里(RobertCieri)

深呼吸。慢慢地发泄出来。你们刚刚参与了地球上最深刻的进化革命之一-在陆地上呼吸空气。目前尚不清楚第一批脊椎动物是如何在近4亿年前从海洋中爬出后茁壮成长的，但肺中蕴含着一条重要的线索。

鸟类，爬行动物，哺乳动物和鸟类已经进化出多样化肺空气以复杂方式流动的结构。鸟类和哺乳动物处于气流频谱的极端。哺乳动物吸入富氧的空气，漏斗进入较小的分支，最终形成氧气进入和二氧化碳离开血流的小囊。当哺乳动物呼气时，耗尽的空气沿着同样的路线流出身体，呈现出所谓的潮汐流动模式。

相比之下，鸟类的呼吸以潮汐的方式通过呼吸系统的一部分，但在肺的大部分部位是单向循环的。由于具有空气动力阀门的独特设计，空气总是通过鸟类的许多微小管道向头部移动-在吸气和呼气过程中。科学家们认为这种流动模式是超高效的，并进化为支持飞行，直到犹他州大学生物学家科琳·法默的研究小组发现短吻鳄和鬣蜥也具有单向空气流动模式。

在最近的研究中，U生物学家发现Savannah监测蜥蜴的肺结构是一种鸟类和哺乳动物肺的混合系统。研究人员对整个肺迷宫进行CT扫描，并使用两台不同的超级计算机以最高分辨率模拟气流模式。使用的软件计算流体力学类似于那些用来预测天气，每十分之一秒计算数百万个方程。研究结果表明，脊椎动物的肺进化是复杂的，我们还没有完全了解。

“我们不知道为什么动物有不同类型的肺部气流，”主要作者RobertCieri说，他是阳光海岸大学的博士后，他在Farmer的实验室读研究生时做了这项研究。“为什么人类的肺和鸟类的肺一样？这不是一个简单的问题。通过回答这个问题，也许我们可以更多地了解我们自己的历史。”

纸张12月13日在解剖记录.

在BlueWaters超级计算机上运行的监视蜥蜴肺气流的CFD模拟的流线线的背视图。红色流线表示流向肺前方，蓝色流线表示流向肺背面。期满和后期吸气包含总体相似的流动模式，但早期吸气不同。资料来源：《解剖学记录》(年)

独特的气流模式

萨凡纳蜥蜴长久以来一直令科学家着迷，因为它们的肺部系统是所有爬行动物中最复杂的系统之一。在，Cieri和他的同事分析了肺部的一部分，主要是单向气流。这项新的研究使用了更强大的技术来描绘一幅更完整、更复杂的图画。Savannah监视器蜥蜴的肺是围绕着一个长长的鳃管结构的，该管穿过肺的后部，打开进入一个大的囊。许多较小的管子从主管上分枝出来，并将空气分配到小室中。这些腔室的墙壁上有孔，允许空气也从一个腔室流动到另一个腔室。这种复杂的布局导致气流模式在呼吸周期的过程中发生变化。这是一种独特的模式，一半是鸟，一半是哺乳动物。

当动物呼气时，几乎所有的空气都流向肺的前部，并以净单向流动的形式流出气管。在吸入开始时，空气通过气管进入并流向肺的后部。随着吸气的继续，空气开始分布在不同的侧腔，并开始绕回肺的前面。随着这些环路变得更加主导，吸气的后期阶段看起来类似于呼气，因为大部分空气是从中央腔室单方面流回的。复杂的结构没有决定气流的瓣膜或瓣膜，就像心脏泵血一样。纯空气动力学指导着复杂的物理。

资深作者法默说：“这项研究对于证明对这些极其复杂的肺中的气流模式进行数值分析是可能的。这种定量能力为研究空气动力阀如何工作的基本机制开辟了新的途径，并为我们提供了更好的工具来拼凑这些流动模式的进化史和支撑它们的结构。”

超级计算机讲述了一个复杂的故事

物理非常复杂，Cieri需要来自美国高性能计算中心和国家科学基金会BlueWaters的两台超级计算机来运行计算机流体动力学模拟。在创建CT扫描之后，他修改了现有的软件，以基于肺部结构预测速度和压力。他将这些结构分成数百万个小“盒子”。每个框都具有该部分肺的物理参数。模拟使用公式来预测下一个长方体中的压力和速度，依此类推。

Cieri说：“有数以百万计的这样的元素。每一种元素每隔千分之一秒就会在每个方向上影响另一种元素。这就是为什么我们需要计算机的力量-模拟是在每一步都要平衡两个方程，以找出下一步。

”肺的进化是理解导致我们现在所处位置的压力的一个重要线索随着对肺进化的更多了解，Cieri相信我们可以从结构的物理学中学到一些东西。

他说：“我们在动物世界中拥有令人惊叹的非常酷的流体动力学财富，我们想要了解更多。也许我们可以将这些知识应用于工程学或人类健康。”