복잡한 비강 구조 이면의 기능 밝혀낸 연구

과학자들은 음식, 친구 및 적의 냄새를 맡는 고양이의 기교에 대한 비밀을 발견했습니다.

국내 고양이의 비강 기도에 대한 최초의 상세한 분석에 따르면, 촘촘하게 감겨진 기도 뼈 구조의 복잡한 집합체가 공로를 인정받고 있습니다.

연구원들은 고양이 코의 3D 컴퓨터 모델을 만들고 일반적인 고양이 음식 냄새가 포함된 공기 흡입이 코일 구조를 통해 어떻게 흐르는지 시뮬레이션했습니다. 그들은 공기가 두 개의 흐름 흐름으로 분리된다는 것을 발견했습니다. 하나는 정화되고 가습되고 다른 하나는 냄새를 담당하는 시스템인 후각 영역에 신속하고 효율적으로 냄새를 전달합니다.

본질적으로 연구원들은 고양이 코가 실험실에서 기화된 형태의 화학 물질을 감지하고 분리하는 도구인 매우 효율적이고 이중 목적의 가스 크로마토그래프로 기능한다고 제안합니다. 실제로 고양이 코는 매우 효율적이어서 그 구조가 오늘날 사용되는 가스 크로마토그래프의 개선에 영감을 줄 수 있습니다.

긴 악어 코가 가스 크로마토그래피를 모방하는 것으로 밝혀졌지만 연구자들은 고양이 머리가 고양이에게 적합할 뿐만 아니라 다양한 환경에 적응하는 데 도움이 되는 미로 같은 기도 구조를 초래한 진화적 변화를 주도했다고 이론화했습니다.

오하이오 주립 의과 대학 이비인후과 부교수이자 이 연구의 수석 저자인 Kai Zhao는 “생각해보면 좋은 디자인입니다.”라고 말했습니다.

“포유류에게 후각은 먹이를 찾고, 위험을 식별하고, 먹이를 찾고, 환경을 추적하는 데 매우 중요합니다. 사실, 개는 냄새를 맡아서 지나간 것을 알 수 있습니다. 친구였는지 아닌지?” 그는 말했다. “그것은 놀라운 후각 시스템입니다. 잠재적으로 그것을 향상시키기 위해 진화할 수 있는 다른 방법이 있다고 생각합니다.

“이러한 흐름 패턴을 관찰하고 이러한 흐름의 세부 사항을 분석함으로써 우리는 그들이 두 가지 다른 목적을 수행하는 두 개의 다른 흐름 영역이 될 수 있다고 생각합니다.”

이 연구는 오늘(2023년 6월 29일) PLOS 전산생물학.

Zhao의 연구실은 이전에 공기 흐름 패턴을 연구하기 위해 쥐와 인간의 코 모델을 만들었지만 고해상도 고양이 모델과 시뮬레이션 실험은 고양이 머리의 마이크로 CT 스캔과 현미경 수준 식별을 기반으로 지금까지 그의 가장 복잡한 모델입니다. 비강 전체의 조직 유형.

“우리는 이 구조가 제공하는 기능적 이점을 이해하기 위해 모델과 보다 정교한 분석을 개발하는 데 많은 시간을 보냈습니다.”라고 그는 말했습니다. “고양이 코는 아마도 개의 코와 비슷한 수준의 복잡성을 가지고 있으며 설치류보다 더 복잡합니다. 그렇다면 왜 코가 그렇게 복잡하게 진화했을까요?”

호흡에 대한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 그 답이 밝혀졌습니다. 모의 흡입 중에 연구자들은 공기 흐름의 두 영역을 관찰했습니다. 즉, 여과되어 입천장 위로 천천히 퍼져 폐로 가는 호흡 공기와 비강 뒤쪽을 향하여 후각 영역으로 직접 중앙 통로를 통해 빠르게 이동합니다. 분석은 흐름의 위치와 코 내부의 뼈 구조인 비갑개를 통한 이동 속도를 모두 고려했습니다.

Zhao는 “우리는 특정 덕트(대부분의 후각 화학 물질을 후각 영역으로 전달하는 덕트와 나머지 덕트를 통과하는 흐름의 양)를 측정하고 두 가지 패턴을 분석했습니다.”라고 말했습니다. “호흡 호흡의 경우, 비갑개 가지가 흐름을 별도의 채널로 전환합니다. 자동차의 라디에이터 그리드와 같은 종류로, 세척 및 가습에 더 좋습니다.

“하지만 냄새 감지가 매우 빠르기를 원하므로 냄새를 고속으로 전달하는 한 가지가 있어 공기가 호흡 영역을 통해 여과될 때까지 기다리지 않고 잠재적으로 빠른 감지가 가능합니다. 정화되고 프로세스가 느려집니다.”

시뮬레이션은 또한 후각 영역으로 이동한 공기가 거기에 도달했을 때 평행 채널로 재순환된다는 것을 보여주었습니다. Zhao는 “그것은 실제로 놀라운 일이었습니다.”라고 말했습니다. “냄새를 맡는 것과 같습니다. 공기가 그곳으로 돌아가고 훨씬 더 오랜 시간 동안 처리되는 것입니다.”

이 연구는 포유류와 다른 종 사이의 가스 크로마토그래피의 차이를 정량화한 최초의 연구입니다. Zhao와 동료들은 고양이의 코가 비슷한 크기의 두개골에서 양서류와 같은 곧은 코보다 냄새 감지에 100배 이상 효율적이라고 추정합니다. 병렬 가스 크로마토그래피 이론: 고속 스트림에서 공급되는 병렬 후각 코일은 흐름 경로의 유효 길이를 늘리는 동시에 로컬 공기 흐름 속도를 늦추어 냄새 처리를 개선할 수 있습니다.

“우리는 시각과 청각에 대해 많은 것을 알고 있지만 코에 대해서는 그다지 많이 알지 못합니다. 이 연구는 다양한 코 구조 뒤에 있는 진화 경로와 그들이 제공하는 기능적 목적에 대한 더 많은 이해로 이어질 수 있습니다.”라고 Zhao는 말했습니다.

Zhao 연구실의 박사후 연구원인 Zhenxing Wu가 이 연구의 첫 번째 저자입니다. 추가 공동 저자로는 필라델피아 Monell Chemical Senses Center의 Jianbo Jiang과 Fritz Lischka가 있습니다. 영국 Waltham Petcare Science Institute의 Scott McGrane; 펜실베니아 대학의 Yael Porat-Mesenco.

이 작업은 National Institutes of Health and Mars Petcare UK에서 부분적으로 자금을 지원했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/06/230629193238.htm