С помощью трехмерной компьютерной модели и моделирования было обнаружено, что вдыхаемый воздух разделяется на два отдельных потока внутри носа кошки, помогая как дыхательной, так и обонятельной функциям. Примечательно, что кошачий нос работает подобно высокоэффективному газовому хроматографу. Результаты исследования опубликованы в научном журнале PLOS Computational Biology.
Практическая значимость работы
Результаты исследования могут привести к усовершенствованию конструкции газовых хроматографов, используемых сегодня в лабораториях.
Новизна исследования
Ученые раскрыли секрет кошачьего умения вынюхивать еду, друзей и врагов. Согласно первому подробному анализу носовых дыхательных путей домашней кошки, эта заслуга принадлежит сложному набору плотно закрученных костных структур дыхательных путей.
Исследователи создали трехмерную компьютерную модель кошачьего носа и смоделировали, как вдыхаемый воздух, содержащий обычные запахи кошачьей пищи, будет проходить через спиральные структуры. Ученые обнаружили, что воздух разделяется на два потока: один очищается и увлажняется, а другой быстро и эффективно доставляет одорант в систему, отвечающую за обоняние — обонятельную область.
По сути, ученые считают, что кошачий нос функционирует как высокоэффективный газовый хроматограф двойного назначения — инструмент, который в лаборатории обнаруживает и разделяет химические вещества в испаренной форме. Фактически, кошачий нос настолько эффективен в этом, что его структура может вдохновить на усовершенствование используемых сегодня газовых хроматографов.
Хотя было обнаружено, что длинный нос аллигатора имитирует газовую хроматографию, исследователи предполагают, что компактная голова кошки эволюционировала и изменила лабиринтные структуры дыхательных путей, которая не помогает кошкам адаптироваться к различным условиям.
«Если подумать, это хороший дизайн», — комментирует Кай Чжао (Kai Zhao), сотрудник отоларингологии Медицинского колледжа штата Огайо (Ohio State’s College of Medicine) и автор исследования. «Для млекопитающих обоняние очень важно для поиска добычи, определения опасности, поиска источников пищи и отслеживания окружающей среды. На самом деле, собака может понюхать и узнать, через что она прошла — друг это или нет?».
«Это удивительная обонятельная система, и я думаю, что потенциально существовали разные способы ее развития. Наблюдая за этими моделями потоков и анализируя детали этих потоков, мы думаем, что это могут быть две разные зоны потока, которые служат двум разным целям, добавляет исследователь.
Лаборатория Чжао ранее создавала модели носа крысы и человека для изучения закономерностей воздушного потока, но модель кошки с высоким разрешением и эксперименты по моделированию являются его самыми сложными на сегодняшний день, основанными на микро-КТ-сканировании головы кошки и идентификации на микроскопическом уровне типов тканей по всей полости носа.
«Мы потратили много времени на разработку модели и более сложный анализ, чтобы понять функциональную выгоду, которую дает эта структура», — комментирует он. «Кошачий нос, вероятно, имеет тот же уровень сложности, что и собачий, и он сложнее, чем у грызунов — и возникает вопрос — почему нос в ходе эволюции стал таким сложным?»
Компьютерное моделирование дыхания дало ответ: во время имитации вдоха исследователи наблюдали две отдельные области воздушного потока: вдыхаемый воздух, который фильтруется и медленно распространяется над нёбом на пути к легким, и отдельный поток, содержащий одорант, который быстро перемещается через центральный проход прямо в обонятельную область по направлению к задней части носовой полости.
При анализе учитывалось как расположение потока, так и скорость его движения по носовым раковинам, костным структурам внутри носа.
«Мы измерили, сколько потока проходит через определенные протоки — один проток, который доставляет больше всего пахучих химических веществ в обонятельную область, по сравнению с остальными, и проанализировали две модели», — объясняет Чжао. «Для респираторного дыхания разветвляются носовые раковины, чтобы отвести поток в отдельные каналы, что-то вроде радиаторной решетки в автомобиле, которая лучше очищает и увлажняет.
«Но вы хотите, чтобы обнаружение запаха было очень быстрым, поэтому есть одна ветвь, которая доставляет запах с высокой скоростью, потенциально позволяя быстрое обнаружение, а не ожидание фильтрации воздуха через респираторную зону — вы можете потерять большую часть запаха, если воздух очищается, и процесс замедляется».
Моделирование также показало, что воздух, направляемый в обонятельную область, затем рециркулирует по параллельным каналам, когда попадает туда.
«На самом деле это было неожиданностью», — добавляет Чжао. «Вы как будто нюхаете, воздух выстреливает туда, а потом обрабатывается гораздо дольше».
Это исследование является первым, в котором количественно оценивается разница в газовой хроматографии между млекопитающими и другими видами — Чжао с соавторами считают, что кошачий нос более чем в 100 раз более эффективен в обнаружении запаха, чем прямой нос, как у земноводных, в черепе аналогичного размера.
«Мы так много знаем о зрении и слухе, но не так много о носе. Эта работа может привести к лучшему пониманию эволюционных путей, лежащих в основе различных структур носа, и функциональной цели, которой они служат», — заключает Чжао.
Авторы другого исследования выяснили, почему теряется обоняние при болезни Паркинсона
Ведущий специалист отдела организации клинических исследований, терапевт, врач ультразвуковой диагностики АО «СЗЦДМ» (г. Санкт-Петербург), главный редактор, учредитель сетевого издания Medical Insider, а также автор статей
E-mail для связи – [email protected];
