Science子刊：改变教科书范式，为人工肺提供灵感

在研究肺部时，人类会吸收所有的空气，但事实证明，科学家们还有很多东西要从蜥蜴身上学习。

普林斯顿大学的一项新研究表明，棕色变色龙是如何以极其简单的方式解决自然界最复杂的问题之一——呼吸的。人类的肺经过数月或数年的发育，形成了巴洛克的树状结构，而变色龙的肺则在几天内发育成粗糙的肺叶，上面覆盖着球状突起。这些葫芦状的结构，虽然远没有那么精致，但可以让蜥蜴像人类的肺一样用氧气交换废气。由于变色龙的肺能通过简单的机械过程快速生长，它们为设计先进生物技术的工程师提供了新的灵感。

“我们的研究小组对肺工程用途的发展非常感兴趣，”威尔克家族生物工程教授、这项研究的首席研究员塞莱斯特·纳尔逊(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母亲使用的机制来再生或改造组织。”

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发展出极大的复杂性，而棕色的anole肺则通过一个机械过程形成了相对温和的复杂性。作者将其比作一个网状应力球——这是在书桌抽屉和DIY视频中常见的玩具。研究人员称，12月22日发表在《科学进步》（Science Advances）杂志上的这项研究是首次研究爬行动物肺的发育。

变色龙的肺在几天后开始发育，形成一个中空的、细长的膜，被一层均匀的平滑肌所包围。在发育过程中，肺细胞分泌液体，在此过程中，肺内膜慢慢膨胀并变薄，就像气球一样。压力推动平滑肌，使其收紧并散开成纤维束，最终形成蜂窝状的网状结构。液体的压力继续将有弹性的肺膜向外推，通过肌肉网的缝隙膨胀，形成覆盖肺部的充满液体的球茎。这些凸起在气体交换发生的地方创造了大量的表面积。就是这样。整个过程不到两天，在孵化的第一周内完成。蜥蜴孵化后，空气从肺的顶部进入，绕着腔洞旋转，然后再流出来。

对于工程师们来说，为了人类的健康，从大自然中寻找捷径，这种速度和简单性成为了一种全新的设计范式。这项研究也为科学家更详细地研究爬行动物的发展开辟了新领域。

Nelson说，当他在2000年代末首次开始研究鸡肺时，传统观点认为“鸡肺和老鼠肺一样，也和人类肺一样。事实并非如此。”

为了打破这些假设，她带领她的团队提出了一些基本的问题，比如不同种类的脊椎动物的肺是如何形成的。“鸟类的肺结构与哺乳动物的肺结构非常不同，”Nelson说。例如，鸟类的身体中嵌入了气囊，而不是隔膜，它的作用是风箱。

Nelson认为，为了适应鸟类肺部的复杂结构，使之成为有益于人类健康的工具，科学还需要进一步深入研究。大自然用两种截然不同的系统解决了气体交换问题。它们是如何联系在一起的?难道就没有其他的系统吗?这使得她的团队回到进化时期，寻找共同的起源——

那就是爬行动物（通常总被忽视的爬行动物）。

当迈克尔·帕尔默(Michael palmer)作为研究生加入实验室时，他接受了组织这项研究的挑战——毫不含糊地说——从头开始。变色龙的脾气太坏了。绿变色龙拒绝繁殖。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变色蜥。他和他的同事在郊区公园的泥地里漫步，掀翻了树林边缘的岩石和树叶。他们用牙线制成的陷阱捕获了大约12只棕色变色龙，并将它们每只放入自己的小房间里。然后他们把这些动物从北佛罗里达赶回普林斯顿，普林斯顿大学的兽医和动物资源人员帮助这个团队建立了一个永久性的变色龙设施。

palmer就在那时开始观察这些卵，以绘制微生物肺部发育的图。与机械和航空航天工程的助理教授Andrej Košmrlj和研究生Anvitha Sudhakar合作，palmer利用他的观察建立了一个肺的计算模型，并了解了它的物理特性。

palmer说:“我们很好奇，通过研究这样一个简单的肺，我们是否能了解到任何关于肺发育的基础知识。”palmer今年早些时候获得了化学和生物工程博士学位。他已经看到了平滑肌在其他系统中扮演雕刻角色的证据，但在这项研究中，他能够直接观察到这是如何工作的。

palmer说:“蜥蜴的肺是通过一种非常物理的机制发展起来的。压力诱发的张力和压力诱发的屈曲。”在不到两天的时间里，这个器官从扁平的球囊变成完全成形的肺。这个过程非常简单，palmer可以用他的计算模型在实验室里建造一个可以工作的复制品。虽然工程系统的复杂性比不上生命系统，但已经接近了。

研究人员用一种叫做Ecoflex的硅酮材料浇铸薄膜，这种材料通常用于电影行业的化妆和特效。然后，他们用3D打印的肌肉细胞将硅胶包裹起来，在充气硅胶中制造出与palmer在活体器官中发现的一样的波纹。他们遇到了技术障碍，限制了他们的作品的逼真程度，但最终它与活体器官惊人地相似。

这些不起眼的后院蜥蜴启发了一种新型的人工肺和一个框架，工程师们可以对其进行改进，以实现不可知的未来。

Nelson说:“不同的生物有不同的器官结构，这很漂亮，我们可以从中学到很多东西。如果我们意识到有很多我们看不到的生物多样性，并试图利用它，那么我们作为工程师将有更多的工具来解决社会面临的一些主要挑战。”

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