Оптимизация физических параметров – движущая сила эволюции легких
Два французских физика предположили, что эволюция меняла форму наших легких, последовательно оптимизируя такие физические показатели, как сохранение энергии и скорость доставки кислорода.
Наша дыхательная система состоит из бронхиального дерева, предназначенного для переноса воздуха по легким, и системы альвеол – для улавливания кислорода из воздуха. И только древоподобные структуры, утверждают Бернар Саповаль (Bernard Sapoval) и Марсель Филош (Marcel Filoche) из Политехнической школы в Палэзо, способны эффективно питать органы животных, размер которых превышает определенный предел (ниже его органы питаются исключительно посредством диффузии воздуха). В частности, в древоподобных структурах с фрактальной размерностью 3 минимизированы энергетические потери жидкостей (при их транспортировке). Во-вторых, такое оптимизированное древо заполняет пространство так, чтобы быть ближе всего к работающим альвеолам. В-третьих, физики показывают, что система, созданная для сокращения времени на перенос жидкостей по органу, будет обладать аналогичной фрактальной оптимизацией.
С точки зрения эволюции, размер примитивных многоклеточных был ограничен скоростью распространения питательных веществ по организму. Авторы предлагают такую гипотезу: появление крупных животных стало возможно благодаря дарвиновскому отбору древовидных «заполняющих пространство» систем распределения питательных веществ. Орган, изначально «отобранный» для одной цели, по ходу эволюции стал нужен для другой. Например, одни и те же гены, дающие высокий КПД при транспортировки вязких жидкостей (крови), затем обеспечивают высокую скорость, необходимую для циклов вдоха-выдоха. Те должны были оптимизированы таким образом, чтобы воздух извне достигал альвеол до начала выдыхания. Именно такая эволюционная «отладка», по мнению авторов, и сделала возможным возникновение дыхательной системы млекопитающих – в противоположность рыбьей, с помощью жабр.
Альвеолярное дерево легких оптимизировано в том смысле, что морфология легочного ацинуса создает «лучший из возможных» механизмов извлечения энтропической энергии обменником диффузии, который эффективно передает кислород из воздуха в кровь через мембрану с конечной проницаемостью.
Данные исследования представлены в журнале European Physical Journal E.
По материалам Phys.org.
Артём Космарский nauka21vek.ru