肋骨首先是为了运动而进化的,然后是为了呼吸而进化的

时间:2020-07-03 19:54 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

肋骨首先是为了运动而进化的,然后是为了呼吸而进化的

当早期的四足动物从水过渡到陆地时,它们呼吸空气的方式经历了一场进化革命。鱼用头部的肌肉将水泵过鳃。第一批陆地动物使用了类似的技术——现代青蛙仍然用它们的头和喉咙迫使空气进入肺部。然后,脊椎动物进化的另一个重大转变发生了,呼吸从头部转移到躯干。在爬行动物和哺乳动物中,肋骨扩张,在胸腔中形成一个空间来吸气。但是是什么导致了这种转变呢?

5月12日发表在《科学报告》(Scientific Reports)上的一项新研究提出了一个新的假设——中间步骤是由运动驱动的。

当蜥蜴行走时,它们会以不规则的步态左右弯曲。肋骨和脊椎骨对这种运动至关重要,但直到现在还不清楚它们是如何运动的。研究人员使用XROMM(结合CT扫描和x射线视频)捕捉到了蜥蜴肋骨和脊椎的三维运动。他们记录了三只大草原巨蜥和三只阿根廷黑白相间的泰加在跑步机上缓慢行走的情况。由此产生的图像显示,当脊柱弯曲时,两种动物的每根肋骨都围绕其脊椎关节大幅度旋转,身体一侧向前扭转,另一侧随着每一步交替向后扭转。这种机制与爬行动物吸气和呼气时几乎遵循相同的模式。

该研究的第一作者、阳光海岸大学的博士后罗伯特·切里说:“这真的很令人兴奋,因为我们以前没有关于呼吸系统进化的似是而非的假说。”“我们提出,这些肋骨运动首先开始促进运动,然后被用于呼吸。”

这项研究还包括布朗大学的约翰·卡帕诺和伊丽莎白·布雷纳德,以及美国大学的本科生塞缪尔·哈奇。

为什么蜥蜴要过马路?喘口气。

爬行动物、鸟类和哺乳动物都被认为是羊水动物,它们的肋骨和脊椎骨通过扩张和收缩来控制呼吸。肋骨绕着椎-肋-肋关节(肋骨和椎骨的连接处)旋转,有利于运动。很有可能早期的羊水动物祖先第一次使用这些肋骨运动来增强它的横向波动,也就是帮助推动蜥蜴前进的左右躯干运动。在运动的过程中,每个肢体都有两个阶段:第一阶段是推进,也就是脚对着地面的时候。第二种是摇摆,也就是脚在空中的时候。新的研究发现,在手臂的推进阶段,身体同侧的肋骨向头部旋转,当它处于摆动阶段时,它们向尾部旋转。这与科学家之前发现的肋骨吸气和呼气的过程相似——但这次是两边同时吸气和呼气。

早期的四足动物使用伸展的、波动的运动,但可能仍然有头部驱动的呼吸系统。作者提出,在运动过程中,肋骨运动和肋关节活动能力的增强可以增加步幅,保持胸腔的稳定,或者是肋骨运动的被动结果,以防止在动物弯曲时被挤在一起。在某种程度上,早期羊膜动物进化出了同时表达两侧肋骨运动的能力,这使得支撑吸气和呼气的躯干得以扩张和收缩。

“吸气式呼吸是让羊水生物在陆地上多样化的关键创新之一。研究报告的撰写者之一布雷纳德说:“我们从一项有关运动的研究中发现了黑猩猩如何进化的线索,这让我们既惊讶又兴奋。”

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