Naukowcy odkryli sekret finezji kotów w obwąchiwaniu jedzenia, przyjaciół i wrogów.
Złożona kolekcja ciasno zwiniętych kościstych struktur dróg oddechowych zyskuje uznanie, zgodnie z pierwszą szczegółową analizą nosowych dróg oddechowych kota domowego.
Naukowcy stworzyli komputerowy model 3D kociego nosa i przeprowadzili symulację, w jaki sposób wdychane powietrze zawierające typowe zapachy karmy dla kotów przepływa przez zwinięte struktury. Odkryli, że powietrze rozdziela się na dwa strumienie, z których jeden jest oczyszczany i nawilżany, a drugi szybko i skutecznie dostarcza substancję zapachową do układu odpowiedzialnego za węch – obszaru węchowego.
Zasadniczo naukowcy sugerują, że koci nos działa jako wysoce wydajny i dwufunkcyjny chromatograf gazowy – narzędzie, które w laboratorium wykrywa i oddziela chemikalia w postaci odparowanej. W rzeczywistości koci nos jest w tym tak wydajny, że jego struktura mogłaby zainspirować ulepszenia obecnie używanych chromatografów gazowych.
Podczas gdy stwierdzono, że długi nos aligatora naśladuje chromatografię gazową, naukowcy teoretyzują, że zwarta głowa kota spowodowała ewolucyjną zmianę, która doprowadziła do labiryntowej struktury dróg oddechowych, która nie tylko pasuje, ale pomaga kotom przystosować się do różnych środowisk.
“To dobry projekt, jeśli się nad tym zastanowić” – powiedział Kai Zhao, profesor nadzwyczajny otolaryngologii w Ohio State’s College of Medicine i główny autor badania.
„Dla ssaków węch jest bardzo ważny w znajdowaniu zdobyczy, identyfikowaniu niebezpieczeństw, znajdowaniu źródeł pożywienia i śledzeniu środowiska. W rzeczywistości pies może powąchać i wiedzieć, co przeszło – czy to przyjaciel, czy nie?” powiedział. „To niesamowity system węchowy – i myślę, że potencjalnie istniały różne sposoby ewolucji, aby go ulepszyć.
„Obserwując te wzorce przepływu i analizując szczegóły tych przepływów, uważamy, że mogą to być dwie różne strefy przepływu, które służą dwóm różnym celom”.
Wyniki badań opublikowano dzisiaj (29 czerwca 2023 r.) w PLOS Computational Biology.
Laboratorium Zhao stworzyło wcześniej modele szczurzego i ludzkiego nosa w celu zbadania wzorców przepływu powietrza, ale model kota o wysokiej rozdzielczości i eksperymenty symulacyjne są jak dotąd najbardziej skomplikowane, oparte na skanach mikro-CT głowy kota i identyfikacji na poziomie mikroskopowym rodzajów tkanek w całej jamie nosowej.
„Spędziliśmy dużo czasu, opracowując model i bardziej wyrafinowaną analizę, aby zrozumieć korzyści funkcjonalne, jakie zapewnia ta struktura” – powiedział. „Nos kota prawdopodobnie ma podobny poziom złożoności jak nos psa i jest bardziej złożony niż nos gryzonia – i nasuwa się pytanie – dlaczego nos ewoluował tak bardzo złożony?”
Symulacje komputerowe oddychania ujawniły odpowiedź: podczas symulowanego wdechu naukowcy zaobserwowali dwa odrębne obszary przepływu powietrza – powietrze oddechowe, które jest filtrowane i powoli rozprzestrzenia się nad podniebieniem ust w drodze do płuc, oraz oddzielny strumień zawierający środek zapachowy, który porusza się szybko przez centralny kanał bezpośrednio do obszaru węchowego w kierunku tylnej części jamy nosowej. W analizie uwzględniono zarówno lokalizację przepływu, jak i prędkość jego przemieszczania się przez małżowiny nosowe, struktury kostne wewnątrz nosa.
„Zmierzyliśmy, ile przepływa przez określone kanały – jeden kanał, który dostarcza najwięcej substancji zapachowych do obszaru węchowego, w porównaniu z resztą, i przeanalizowaliśmy dwa wzorce” – powiedział Zhao. „W przypadku oddychania respiratorem małżowiny rozgałęziają się, kierując przepływ do oddzielnych kanałów, coś w rodzaju kratki chłodnicy w samochodzie, która byłaby lepsza do oczyszczania i nawilżania.
„Ale chcesz, aby wykrywanie zapachów było bardzo szybkie, więc jest jedna gałąź, która dostarcza zapach z dużą prędkością, potencjalnie umożliwiając szybkie wykrycie zamiast czekania, aż powietrze przefiltruje strefę oddechową – możesz stracić większość zapachu, jeśli powietrze ma zostało oczyszczone, a proces jest spowolniony”.
Symulacja wykazała również, że powietrze przenoszone do obszaru węchowego jest następnie recyrkulowane w równoległych kanałach, gdy się tam dostanie. „To właściwie była niespodzianka” — powiedział Zhao. „To tak, jakbyś powąchał, powietrze strzela tam z powrotem, a następnie jest przetwarzane przez znacznie dłuższy czas”.
To badanie jest pierwszym, które określa ilościowo różnicę w chromatografii gazowej między ssakami a innymi gatunkami – Zhao i współpracownicy szacują, że nos kota jest ponad 100 razy skuteczniejszy w wykrywaniu zapachów niż prosty nos przypominający płaza w czaszce o podobnej wielkości – i do wymyślili teorię równoległej chromatografii gazowej: równoległe cewki węchowe zasilają strumień o dużej prędkości, aby zwiększyć efektywną długość ścieżki przepływu, jednocześnie spowalniając prędkość lokalnego przepływu powietrza, potencjalnie w celu lepszego przetwarzania zapachów.
„Wiemy tak dużo o wzroku i słuchu, ale niewiele o nosie. Ta praca może prowadzić do lepszego zrozumienia ścieżek ewolucyjnych kryjących się za różnymi strukturami nosa i ich funkcjonalnego celu”, powiedział Zhao.
Zhenxing Wu, doktor habilitowany w laboratorium Zhao, jest pierwszym autorem badania. Dodatkowi współautorzy to Jianbo Jiang i Fritz Lischka z Monell Chemical Senses Center w Filadelfii; Scott McGrane z Waltham Petcare Science Institute w Wielkiej Brytanii; i Yael Porat-Mesenco z University of Pennsylvania.
Ta praca została częściowo sfinansowana przez National Institutes of Health i Mars Petcare UK.