Estudo revela a função por trás da estrutura nasal complexa – Strong The One

Uma coleção complexa de estruturas ósseas das vias aéreas fortemente enroladas recebe o crédito, de acordo com a primeira análise detalhada das vias aéreas nasais do gato doméstico.

Os pesquisadores criaram um modelo de computador 3D do nariz do gato e simularam como uma inalação de ar contendo odores comuns de comida de gato fluiria através das estruturas enroladas. Eles descobriram que o ar se separa em dois fluxos, um que é limpo e umidificado e outro que entrega o odorante de forma rápida e eficiente ao sistema responsável pelo olfato – a região olfativa.

Em essência, sugerem os pesquisadores, o nariz do gato funciona como um cromatógrafo a gás altamente eficiente e de dupla finalidade – uma ferramenta que, em laboratório, detecta e separa produtos químicos na forma vaporizada. Na verdade, o nariz do gato é tão eficiente nisso que sua estrutura poderia inspirar melhorias nos cromatógrafos a gás em uso hoje.

Embora também tenha sido descoberto que o longo nariz do jacaré imita a cromatografia gasosa, os pesquisadores teorizam que a cabeça compacta do gato impulsionou uma mudança evolutiva que resultou na estrutura labiríntica das vias aéreas que não apenas se encaixa, mas também ajuda os gatos a se adaptarem a diversos ambientes.

“É um bom projeto se você pensar sobre isso”, disse Kai Zhao, professor associado de otorrinolaringologia na Faculdade de Medicina do estado de Ohio e autor sênior do estudo.

“Para os mamíferos, o olfato é muito importante para encontrar presas, identificar perigos, encontrar fontes de alimento e rastrear o ambiente. Na verdade, um cão pode cheirar e saber o que passou – era um amigo ou não?” ele disse. “Esse é um sistema olfativo incrível – e acho que potencialmente houve diferentes maneiras de evoluir para melhorar isso.

“Ao observar esses padrões de fluxo e analisar os detalhes desses fluxos, pensamos que poderiam ser duas zonas de fluxo diferentes que servem a dois propósitos diferentes”.

A pesquisa foi publicada hoje (29 de junho de 2023) na PLOS Biologia Computacional.

O laboratório de Zhao já havia criado modelos do nariz de rato e humano para estudar os padrões de fluxo de ar, mas o modelo de gato de alta resolução e os experimentos de simulação são os mais complicados até o momento, com base em tomografias microscópicas da cabeça de um gato e identificação em nível microscópico. tipos de tecidos em toda a cavidade nasal.

“Gastamos muito tempo desenvolvendo o modelo e análises mais sofisticadas para entender o benefício funcional que essa estrutura oferece”, disse ele. “O nariz do gato provavelmente tem um nível de complexidade semelhante ao do cachorro, e é mais complexo do que o de um roedor – e isso levanta a questão – por que o nariz evoluiu para ser tão complexo?”

Simulações de respiração por computador revelaram a resposta: durante uma inalação simulada, os pesquisadores observaram duas regiões distintas de fluxo de ar – ar respiratório que é filtrado e se espalha lentamente acima do céu da boca a caminho dos pulmões e um fluxo separado contendo odorante que move-se rapidamente através de uma passagem central diretamente para a região olfativa em direção à parte posterior da cavidade nasal. A análise levou em consideração tanto a localização do fluxo quanto a velocidade de seu movimento pelos cornetos, as estruturas ósseas dentro do nariz.

“Medimos quanto fluxo passa por dutos específicos – um duto que fornece a maioria dos produtos químicos odoríferos na região olfativa, em comparação com o restante, e analisamos os dois padrões”, disse Zhao. “Para a respiração respiratória, os cornetos se ramificam para desviar o fluxo para canais separados, como uma grade de radiador em um carro, que seria melhor para limpeza e umidificação.

“Mas você quer que a detecção de odores seja muito rápida, então há um ramal que entrega o odor em alta velocidade, potencialmente permitindo uma detecção rápida em vez de esperar que o ar seja filtrado pela zona respiratória – você pode perder a maior parte do odor se o ar tiver foram limpos e o processo é retardado.”

A simulação também mostrou que o ar transportado para a região olfativa é então recirculado em canais paralelos quando chega lá. “Isso foi realmente uma surpresa”, disse Zhao. “É como se você cheirasse, o ar está disparando lá atrás e depois está sendo processado por muito mais tempo.”

Este estudo é o primeiro a quantificar a diferença na cromatografia gasosa entre mamíferos e outras espécies – Zhao e seus colegas estimam que o nariz do gato é mais de 100 vezes mais eficiente na detecção de odores do que um nariz reto de anfíbio em um crânio de tamanho semelhante – e a apresente uma teoria de cromatografia gasosa paralela: bobinas olfativas paralelas alimentadas pelo fluxo de alta velocidade para aumentar o comprimento efetivo do caminho do fluxo enquanto diminui a velocidade do fluxo de ar local, potencialmente para um melhor processamento de odores.

“Sabemos muito sobre visão e audição, mas não tanto sobre o nariz. Este trabalho pode levar a uma maior compreensão dos caminhos evolutivos por trás das diferentes estruturas do nariz e o propósito funcional a que servem”, disse Zhao.

Zhenxing Wu, um estudioso de pós-doutorado no laboratório de Zhao, é o primeiro autor do estudo. Co-autores adicionais incluem Jianbo Jiang e Fritz Lischka do Monell Chemical Senses Center na Filadélfia; Scott McGrane do Waltham Petcare Science Institute no Reino Unido; e Yael Porat-Mesenco da Universidade da Pensilvânia.

Este trabalho foi parcialmente financiado pelos Institutos Nacionais de Saúde e Mars Petcare UK.