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美国犹他大学的研究人员在最近的Nature杂志上发表的一项研究表明，巨蜥肺部的气流主要是单向回路——一种跟鸟类、短吻鳄和恐龙相同的呼吸方法。因此推测，这种单向气流的呼吸方式，可能起源于比我们预测的还要早的2.7亿年前。
生物通报道：根据美国犹他大学的一项最新研究表明，巨蜥肺部的气流主要是单向回路——一种跟鸟类、短吻鳄和恐龙相同的呼吸方法。这项研究结果发表在最近的Nature杂志上，提出了一种可能性：这种呼吸方式起源于2.7亿年前，比以前预测的还要早2千万年，在第一种鸟类出现之前1亿年。
研究的资深作者、犹他大学的生物学副教授C.G. Farmer说：“这种呼吸方式，似乎比任何人想象的更加常见和古老。单向呼吸，被认为对于辅助鸟类支持剧烈的活动（例如飞行），非常重要。现在我们知道，这种呼吸方式并不是鸟类所特有的。这表明，我们以前关于这种气流单向模式功能的观念是不正确的。这种呼吸方式不仅仅存在于快速代谢的动物身上，也存在于其它动物中。
但是，Farmer告诫说，因为蜥蜴的肺部具有不同于鸟类和鳄鱼的结构，也有可能，单向气流是由大约3千万年前的巨蜥祖先，和大约2.5亿年前的古蜥（archosaur，产生短吻鳄、恐龙和鸟类的类群）独立进化而来的。她说，必须通过研究更多的蜥蜴物种（例如壁虎和鬣蜥），来找到答案。
Farmer和两位犹他大学生物学家——第一作者、博士后Emma Schachner以及博士生Robert Cieri，连同哈佛大学生理学家James Butler一起进行了这项研究。这项研究是由美国解剖学会、美国哲学学会、美国科学基金会和私人捐赠者资助。
肺部的潮汐式气流与单向气流
人类和其他动物都有一种“潮汐式”呼吸模式：空气流入肺部的分支，越来越小的通道或小支气管，直到在称为肺泡的腔内到达尽头，在那里，氧气进入血液，二氧化碳离开血液进入肺部。然后，空气以相同的方式流回。
另一方面，鸟类具有双重呼吸，除具有肺外，并有从肺壁凸出而形成的薄膜气囊，鸟在休息时，主要靠肋间肌及腹部肌肉的运动，在肺部进行呼吸。当飞翔时，则主要靠胸肌的运动进行呼吸，气体经肺进入气囊后，再从气囊经肺排除，由于气囊的扩大和收缩，气体两次在肺部进行气体交换。这是鸟类适应飞翔生活的一种特殊呼吸方式。
Farmer在2010年发表的一项研究结果表明，在短吻鳄中大多存在一种由气动阀门控制的“单向”气流。这意味着，呼吸模式可能从2.5亿年前进化而来，那时鳄目动物（crocodilian）——短吻鳄和鳄鱼的祖先——从古蜥家族进化树中分离出来，引起飞龙目、恐龙和最终鸟类的进化。
这项新研究，在非洲大草原巨蜥（Varanus exanthematicus）——大约有73种巨蜥——中，发现了大多数的单向环状气流，尽管在其肺部区域有一些潮汐式气流。这意味着，单向气流可能并未出现在2.5亿年前的早期古蜥中，而是更早，在2.7亿年前的冷血双孔亚纲（diapsid，古蜥和鳞龙形下纲的共同冷血祖先）中，鳞龙形下纲（Lepidosauromorpha）是一组爬行动物，在今天包括蜥蜴、蛇和称为新西兰大蜥蜴的蜥蜴类生物。
单向气流可以帮助鸟类飞行，使其不会在氧气水平低的高海拔地区昏倒。在这项新研究之前，Farmer和其他人推测，单向气流可能已经帮助恐龙的祖先控制了地球，当时大气中的氧气水平低于2.51亿年前的二叠纪-三叠纪大灭绝——最糟糕的地球记录。她说：“但是，如果这种单向气流是由2千万年以前的一个共同祖先进化而来，它应该是在非常高的氧气水平下发生进化的。因此，这也给我们留下了单向气流进化起源的更深奥秘。”
研究是如何进行的
在Farmer早期对短吻鳄的研究中，她和同事们采用几种方法，主要展示了巨蜥肺部中的单向气流。他们进行了CT扫描和制作了巨蜥肺部的3D图像，将其肺部的解剖学结构可视化。他们在5只巨蜥的小支气管中手术植入了流量计，来测量气流的方向。
在这项研究中，研究人员利用10只死亡蜥蜴中移除的肺，他们将空气泵入和抽出肺部，测量了气流。他们还将充满葵花花粉颗粒或塑料微球的水，抽送经过肺部，花粉和微球的流动也显示了单向的气流。
这项研究之所以选用草原巨蜥，是因为它们比较大，因此更容易研究，它们重约1磅，从头到尾尖测量大约15英寸。巨蜥也具有一部分最高频率的耗氧率，在一定程度上，是因为它们不仅利用其躯干肌肉和肋骨呼吸，而且还利用“咽喉抽吸”——当蜥蜴突然张开咽喉将空气泵入其肺部。
巨蜥的肺部，在每个肺叶中，有超过十几个腔或小支气管。主要的气道能达到肺的长度，及其分叉出来的外侧支气管分支。
这项研究表明，空气进入蜥蜴的气管，然后流入通往肺部的两个主要通气管。但另一方面，空气不是以相同的方式潮式流回，而是以从一个侧面气道经一个小气流孔流入下一个气道。
似乎没有机械阀或括约肌，因此单向气流好像“只是从喷射中产生”，或者当气流经过肺气道内的弯曲时所产生的气动阀门产生。这从已经死亡的蜥蜴身上移除的肺部中所观察到的单向气流，也得到了进一步支持。（生物通：王英）
生物通推荐原文摘要：
Unidirectional pulmonary airflow patterns in the savannah monitor lizard
Abstract：The unidirectional airflow patterns in the lungs of birds have long been considered a unique and specialized trait associated with the oxygen demands of flying, their endothermic metabolism and unusual pulmonary architecture. However, the discovery of similar flow patterns in the lungs of crocodilians indicates that this character is probably ancestral for all archosaurs—the group that includes extant birds and crocodilians as well as their extinct relatives, such as pterosaurs and dinosaurs. Unidirectional flow in birds results from aerodynamic valves, rather than from sphincters or other physical mechanisms, and similar aerodynamic valves seem to be present in crocodilians. The anatomical and developmental similarities in the primary and secondary bronchi of birds and crocodilians suggest that these structures and airflow patterns may be homologous. The origin of this pattern is at least as old as the split between crocodilians and birds, which occurred in the Triassic period. Alternatively, this pattern of flow may be even older; this hypothesis can be tested by investigating patterns of airflow in members of the outgroup to birds and crocodilians, the Lepidosauromorpha (tuatara, lizards and snakes). Here we demonstrate region-specific unidirectional airflow in the lungs of the savannah monitor lizard (Varanus exanthematicus). The presence of unidirectional flow in the lungs of V. exanthematicus thus gives rise to two possible evolutionary scenarios: either unidirectional airflow evolved independently in archosaurs and monitor lizards, or these flow patterns are homologous in archosaurs and V. exanthematicus, having evolved only once in ancestral diapsids (the clade encompassing snakes, lizards, crocodilians and birds). If unidirectional airflow is plesiomorphic for Diapsida, this respiratory character can be reconstructed for extinct diapsids, and evolved in a small ectothermic tetrapod during the Palaeozoic era at least a hundred million years before the origin of birds.
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