3D技术揭示了鸟类肺部如此高效的原因

鸟类是极其重要的动物。作为捕食者、传粉者、种子传播者、清道夫和生态系统生物工程师，世界上11,000种鸟类在食物链和动物生命的存在中发挥着关键作用。

它们还在文化、哲学、艺术、经济和科学方面塑造了人类社会的进步。鸟类在绘画、诗歌、商业和音乐史上占有重要地位。

由于它们很容易逃离不合适的栖息地，因此鸟类是重要的“哨兵”动物：物种的数量和多样性表明了环境健康。BirdLifeInternational的2022年世界鸟类状况报告称，大约一半的鸟类正在减少，其中八分之一以上的鸟类面临灭绝的危险。

对鸟类生物学及其在生态系统中的地位的了解有助于制定保护工作。生物学解释了动物的行为方式以及威胁它们生存的原因。

长期以来，科学家们对鸟类生物学感兴趣的方面之一是它们的肺。它们在结构上非常复杂且功能高效。他们的肺可以让鸟儿飞翔。飞行会消耗大量能量，一些鸟类会在很长的距离或氧气很少的高海拔地区不间断地飞行。

即使经过广泛的研究，关于鸟类呼吸系统生物工程的问题仍然存在。它们与气道和血管的形状、排列和连接方式以及空气如何在肺周围流动有关。

为了探索禽肺的这些方面，我和我的同事们使用了多种技术。三维(3D)串行截面计算机重建就是其中之一。

使用这种技术向我们展示了氧气交换的微小结构(空气和毛细血管)并不是它们长期以来所认为的形状。因为它们是如此之小，而且彼此之间如此紧密地纠缠在一起，所以在我们使用3D重建之前，我们无法清楚地看到它们的形状和连接。然后，我们能够看到是什么让鸟肺如此有效地吸收释放能量所需的氧气——这是生存的关键。

数百年来，科学家们只能研究二维的生物结构——将组织切片置于透射显微镜下。1970年代后期，南非出生的诺贝尔奖获得者SydneyBrenner是第一个应用计算来重建系列截面的人。最近，3D重建方法彻底改变了生物学的各个领域。

3D重建向我们展示了气道和血管相互跟踪并供应鸟肺的特定部分。气道系统的各个分支不相互连接，血液系统的分支也不相互连接。我们能够更清楚地了解肺部空气毛细血管和毛细血管的形状和连接。毛细血管的紧密缠绕增加了呼吸表面积，同时最大限度地减少了血气屏障的厚度。

鸟肺的设计形成了一个功能储备大的高效气体交换系统。通过非常大的气囊的协调作用，肺部不断地在一个方向(从后到前)用“新鲜”空气换气。在每个呼吸周期中，肺中的空气都会被“干净”的空气所取代。这保持了高压，将氧气驱动到通过肺部循环的血液中。它赋予鸟类飞行的力量。

我们的3D连续切片重建提供了新的细节，并强调了该技术在研究复杂生物结构方面的价值。

3D重建

3D重建需要从2D图像准备结构的空间模型。因为它需要时间、大量材料和专业技能，所以在生物学研究中并不经常使用。

我们在鸡肺上使用了这种方法，因为这是研究鸟类生物学的模型动物。

板块四。比较图像。学分：约翰·N·迈纳

我们切割了2,689个鸡肺的连续切片，厚度为8微米(每个微米为百万分之一米)。我们将它们染色并安装到载玻片上，拍摄切片并对齐图像以使用开源软件进行重建。

还有其他更快、更便宜且更易于使用的现代3D重建方法。但是3D组织学连续切片重建(从组织薄片构建图片)仍然是一项非常重要的技术。重建具有更好的对比度和信噪比(不需要的信息更少)。此外，染料和标记可用于增强结构的识别。

鸟肺毛细血管

这个过程向我们表明，鸟肺的极小的末端呼吸单位——长期被称为“空气毛细血管”——并非如此：它们是相当圆形的结构，由非常狭窄的通道相互连接。

此外，“毛细血管”不是“真正的”毛细血管，就像在大多数其他组织和器官中发现的那样，它们的长度远大于宽度。它们由明显独立的部分组成，这些部分大约与它们的宽度一样长并且在3D中相互连接。鸟肺的空气毛细血管和毛细血管以“蜂窝状”排列非常紧密地交织在一起。

了解这些单元的形状和大小可以提供有关鸟肺的气体交换效率的信息，这是一个流通系统。

更多即将到来

随着应用3D重建技术的更有效方法的开发，3D成像和动画将成为生物学家工具箱中重要的研究手段。将有可能完全概念化结构组件的形式，从而更好地理解它们是如何工作的。

对包括鸟类在内的动物生物学的重要见解将使我们能够制定更有效的措施，确保在面临全球变暖和环境污染的挑战时保护它们。