在研究肺部时，人类占据了所有的空气，但事实证明，科学家们可以从蜥蜴身上学到很多东西。普林斯顿大学的一项新研究展示了棕色蜥蜴如何以极其简单的方式解决自然界最复杂的问题之一——呼吸。人类的肺经过数月甚至数年才发育成巴洛克式的树状结构，而 Anole 肺则在短短几天内发育成覆盖着球状突起的粗糙肺叶。这些类似葫芦的结构虽然没有那么精致，但允许蜥蜴像人肺一样用氧气交换废气。并且因为它们通过利用简单的机械过程快速生长，anole 肺为设计先进生物技术的工程师提供了新的灵感。
“我们的小组对出于工程目的了解肺发育非常感兴趣，”威尔克家族生物工程教授兼该研究的首席研究员 Celeste Nelson 说。“如果我们了解肺是如何自我构建的，那么也许我们可以利用大自然用来再生或改造组织的机制。”
虽然鸟类和哺乳动物的肺通过无休止的分支和复杂的生化信号变得非常复杂，但棕色 Anole 肺通过机械过程形成其相对适度的复杂性，作者将其比作网状压力球——办公桌抽屉和 DIY 视频中常见的玩具。研究人员称，这项研究于 12 月 22 日发表在《科学进展》杂志上，是有史以来第一个研究爬行动物肺发育的研究。
anole 肺在发育几天后开始发育为中空的细长膜，周围有一层均匀的平滑肌。在发育过程中，肺细胞会分泌液体，同时内膜会像气球一样缓慢膨胀和变薄。压力推动平滑肌，使其收紧并散开成纤维束，最终形成蜂窝状网格。流体压力继续向外推动有弹性的膜，从坚韧的网状物中的缝隙中膨胀并形成覆盖肺部的充满液体的球囊。这些凸起会在发生气体交换的地方产生大量表面积。就是这样。整个过程需要不到两天的时间，并在孵化的第一周内完成。蜥蜴孵化后，空气从肺的顶部进入，在空腔周围旋转，
对于寻求代表人类健康的自然捷径的工程师来说，这种速度和简单性是一种全新的设计范式。该研究还为科学家更详细地研究爬行动物的发育开辟了新天地。
当纳尔逊在 2000 年代末开始研究鸡肺时，传统观点认为“鸡肺与小鼠肺相同，与人肺相同，”纳尔逊说。“这不是真的。”
急于打破这些假设，她引导她的团队询问有关不同类别脊椎动物的肺如何自我构建的基本问题。“鸟肺的结构与哺乳动物肺的结构非常不同，”纳尔逊说。例如，鸟类没有隔膜，而是在整个身体中嵌入了气囊，充当风箱。
尼尔森认为，为了使鸟类肺的精致复杂性成为有益于人类健康的工具，科学需要更深入地研究。大自然用两个完全不同的系统解决了气体交换问题。他们是如何联系起来的?难道也没有其他系统吗?这让她的团队回到了进化时代，寻找共同的起源。爬行动物就坐在那里，做爬行动物擅长的事情：躲在显眼的地方。
当迈克尔·帕默 (Michael Palmer) 作为研究生加入实验室时，他接受了从头开始组织这项研究的挑战。事实证明，鳄鱼太凶了。绿色 anoles 拒绝繁殖。经过多年的前期工作，Palmer 于 2019 年底前往佛罗里达州捕捉野生棕色 Anole。 他和他的同事在郊区公园的泥泞中跋涉，沿着树林边缘翻动岩石和树叶。他们使用由牙线制成的陷阱捕获了大约 12 个人，并将他们每个人都放在自己的微型动物饲养箱中。然后他们将这些动物从佛罗里达州北部赶回普林斯顿，大学的兽医和动物资源人员在那里帮助团队建立了一个永久性的 Anole 设施。
那时帕尔默开始观察卵以绘制生物体的肺发育图。与机械和航空航天工程助理教授 Andrej Košmrlj 以及研究生 Anvitha Sudhakar 合作，Palmer 利用他的观察建立了肺的计算模型并了解其物理特性。
“我们很好奇我们是否可以通过研究这样一个简单的肺来了解肺发育的基础知识，”获得博士学位的帕尔默说。今年早些时候在化学和生物工程。他已经看到证据表明平滑肌在其他系统中起到了雕刻作用，但在这项研究中，他能够直接观察它是如何起作用的。
“蜥蜴肺的发育使用一种非常物理的机制，”帕尔默说。“一连串压力引起的张力和压力引起的屈曲。” 在不到两天的时间里，器官从扁平的气球变成了完全形成的肺。而且这个过程非常简单，帕尔默可以使用他的计算模型在实验室中构建一个工作复制品。虽然工程系统与生命系统的全部复杂性不匹配，但它已经接近了。
研究人员使用称为 Ecoflex 的有机硅材料浇铸薄膜，该材料通常用于电影行业的化妆和特殊效果。然后，他们用 3D 打印的肌肉细胞包裹硅胶，在膨胀的硅胶中制造出与帕尔默在活体器官中发现的相同种类的波纹。他们遇到了技术障碍，限制了他们创作的逼真度，但最终它与活体器官惊人地相似。
那些不起眼的后院蜥蜴激发了一种新型人工肺和一种框架，工程师可以对其进行改进以实现不可知的未来目标。
“不同的生物有不同的器官结构，这很美妙，我们可以从中学到很多东西，”纳尔逊说。“如果我们意识到有很多我们看不到的生物多样性，并尝试利用它，那么作为工程师的我们将拥有更多工具来应对社会面临的一些主要挑战。”
这篇论文的标题是“压力球形态发生：蜥蜴如何构建它的肺”。