您刚刚参加了地球上最深刻的进化革命之一-呼吸陆地。尚不清楚大约4亿年前，第一批脊椎动物从海里爬出来后如何繁衍，但肺部却有重要的线索。
鸟类，爬行动物，哺乳动物和鸟类已进化出多种肺部结构，空气以复杂的方式通过这些结构流动。鸟类和哺乳动物处于气流谱的最末端。哺乳动物吸入富含氧气的空气，该空气汇入较小的分支，最终进入微小的囊，氧气进入其中，二氧化碳离开血液。当哺乳动物呼气时，耗尽的空气会沿着相同的路径排出体外，表现出所谓的潮汐流型。
相反，鸟的呼吸以整齐的方式经过呼吸系统的一部分，但在整个肺的大部分区域中都是单向循环的。得益于带有气动阀的独特设计，在吸气和呼气过程中，空气总是通过鸟类中许多细小的管子流向头部。科学家认为这种流动模式非常高效，并且可以进化为支持飞行，直到犹他大学生物学家科琳·法默（Colleen Farmer）的研究小组发现鳄鱼和鬣蜥也具有单向气流模式。
在最近的研究中，U生物学家发现萨凡纳监控蜥蜴的肺部结构是鸟类和哺乳动物肺部的混合体。研究人员对整个肺迷路进行了CT扫描，并使用两个不同的超级计算机以最高分辨率模拟气流模式。该软件使用的计算流体动力学与用于天气预报的流体动力学相似，每十分之一秒就计算数百万个方程。研究结果表明，脊椎动物的肺部进化非常复杂，我们尚未了解全部情况。
主要作者罗伯特·西埃里（Robert Cieri）说：“我们不知道动物为什么会有不同类型的肺气流，他是在法默实验室当研究生时就进行这项研究的。 “为什么人类有肺，而鸟类有肺？这不是一个简单的问题。通过回答，也许我们可以找到更多有关自己历史的信息。”
该论文于12月13日在《解剖记录》上发表
独特的气流模式
萨凡纳监控蜥蜴一直吸引着科学家，因为它们拥有爬行动物中最复杂的肺系统之一。在2014年，Cieri和同事分析了一部分主要为单向气流的肺部。这项新研究使用了更强大的技术来绘制更完整，更复杂的图片。稀树草原监控蜥蜴的肺部围绕一根较长的分支管构造，该分支管贯穿到肺部的后部，并通向一个大囊。许多较小的管道从主管道分支出来，将空气分配到微小的腔室中。这些腔室的壁上有孔，允许空气也从腔室到另一腔室流动。这种复杂的布局导致气流模式随呼吸周期变化。这是一种独特的模式，既是鸟类，又是哺乳动物。
当动物呼气时，几乎所有的空气都以净单向流的形式流向肺部的前端并从气管流出。吸入开始时，空气通过气管进入肺后部。随着吸气的继续，空气开始分布在整个不同的侧腔中，并开始向肺的前方循环。随着这些回路变得越来越占主导地位，吸入的后期阶段看起来类似于呼气，因为大部分空气从中央室单向流回。复杂的结构没有瓣膜或瓣膜决定气流，就像心脏泵血一样。纯空气动力学指导着复杂的物理学。
“这项研究对于证明可以对这些极为复杂的肺中的气流模式进行数值分析非常重要。这种定量能力开辟了新途径，以研究空气动力学阀如何工作的基本机制，并为我们提供了更好的工具来整合进化过程。这些流动模式及其基础结构的历史”，资深作者法默说。
超级计算机讲述了一个复杂的故事
物理学是如此复杂，以至于Cieri需要来自美国高性能计算中心和国家科学基金会Blue Waters的两台超级计算机来进行计算机流体动力学仿真。创建完CT扫描后，他修改了现有软件，以根据肺部结构预测流速和压力。他将结构分割成数百万个微小的“盒子”。每个盒子都有肺那个部分的物理参数。模拟使用方程式预测下一个框中的压力和速度，依此类推。
“有数以百万计的这些元素。每个元素在各个方向上每千分之一秒都会影响另一个元素。这就是为什么我们需要计算机功能的原因—模拟是在每个步骤上用蛮力平衡两个方程式来找出下一个元素”，Cieri说。
肺的进化是了解导致我们现在所处位置的压力的关键线索之一。 除了学习更多有关肺进化的知识外，Cieri相信我们可以从结构的物理学中学到一些东西。
他说：“我们想了解更多有关动物世界的真正酷流体动力学的惊人财富。也许我们可以将这些知识应用于工程或人类健康。”
