Sistema respiratorio anatómicamente razonable para tritones derivados de humanos

Entonces, es muy difícil respirar agua. El mayor problema no es dónde están las branquias en tu cuerpo, sino cómo podrían existir las branquias. El límite fundamental con el que te encontrarás al diseñar algo como esto, ya sea mediante ingeniería biológica o algo así como branquias artificiales , es que el agua solo tiene una cantidad limitada de oxígeno, alrededor de 10 mg/L. Los humanos requieren MUCHO más que esto, principalmente porque no somos poliquiotérmicos y usamos nuestro calor metabólico para mantenernos calientes. Utilizamos 10 mg/L muy rápidamente, por lo que vamos a tener que mantener el agua oxigenada fluyendo sobre nuestras branquias para sobrevivir.

Esencialmente, hay tres formas de resolver este problema:

1. Hacer que los humanos sean metabolizadores realmente eficientes.

Podría reducir la dependencia humana del oxígeno de dos maneras: una, diseñando un método más eficiente de metabolismo anaeróbico, o dos, obteniendo más energía de la pequeña cantidad de oxígeno que obtiene del agua. Ambos son concebibles, pero serían muy difíciles: se puede obtener una poderosa ventaja evolutiva al obtener la máxima energía de los alimentos, por lo que la naturaleza ya se optimizó mucho en esa vía.

2. Aumentar el área respiratoria

Dar. Los. sirenas ¡Alas! En lugar de tratar de empujar grandes cantidades de agua a través del cuerpo de la sirena como lo hacen los peces, haga que las branquias sean externas. Mientras baten sus alas, el intercambio de gases ocurre increíblemente rápido a través de las delgadas membranas de sus alas y de esa manera pueden extraer oxígeno del agua. Este es un método bastante común para los organismos marinos, especialmente los hermosos nudibranquios , que literalmente reciben el nombre de sus branquias externas, nudi , desnudo, rama, pulmón . También son hermosos:

Esas plumas en su espalda son sus branquias, ¡no es necesario filtrar el agua! Para las sirenas, me imagino que sus alas son más delgadas y planas, más como las clásicas alas de "hada". No necesariamente se usarían para nadar porque serían bastante delicados, pero ciertamente es posible reforzarlos con musculatura que les permita ser útiles también para la movilidad.

Si no está seguro de darle alas a las sirenas, también puede reutilizar las membranas delgadas que ya están colocadas en la cola de la sirena. Allí, tendrían un mecanismo similar y en realidad podría funcionar mejor mientras nadan rápidamente. Sin embargo, tendrían que seguir moviendo la cola de un lado a otro incluso cuando están parados, mientras que con las alas podrían moverla suavemente de un lado a otro mientras permanecen suspendidos en la columna de agua.

3. Eliminar por completo su dependencia del oxígeno

No todo en el océano necesita oxígeno. Podrías hacer que las sirenas formen relaciones simbióticas con zooxantelas (algas), como lo hacen los corales, o hacer que ingieran cloroplastos de forma endosimbiótica; tendrían la piel verde, pero eso podría estar totalmente bien. Sin embargo, eso también los limitaría a la región de la luz solar del océano, y eso podría ser un problema mayor.

Si está preparado para hacer una ingeniería genética más intensa, podría hacerlos completamente quimiosintéticos, utilizando elementos como el azufre para obtener energía metabólica. Necesitarían comer mucho más azufre (tanto oxígeno como el que consumimos diariamente), pero para una civilización avanzada eso no sería un problema. La ecuación general para la quimiosíntesis es$H_2S + CO_2$->$C_6H_{12}O_2 + H_2O+ S_{(s)}$.

Usa los pulmones.

de http://archive.rubicon-foundation.org/xmlui/bitstream/handle/123456789/5903/SPUMS_V5N3_2.pdf?sequence=1

Toda la cámara se presurizó con aire y un perro anestesiado se introdujo en una tina de solución salina oxigenada. El animal se mantuvo fresco a aproximadamente 32°C para reducir su requerimiento de oxígeno. Mientras estaba sumergido, el perro siguió respirando y los chorros de agua que salían de la superficie mostraban claramente que estaba bombeando la solución dentro y fuera de sus pulmones. Al final de las observaciones, el perro fue sacado de la tina y sus pulmones fueron drenados de agua y vueltos a inflar con aire. Uno de estos perros fue adoptado más tarde como mascota por la tripulación del buque HMS Cerberus de la Marina Real de los Países Bajos.

Esta fue una lectura genial. Sabía que los animales (y los humanos) podían respirar líquidos perfluorados oxigenados indefinidamente. No sabía que antes de eso se investigaba con el agua. Problemas con el agua para respirar.

1: Si es osmóticamente muy diferente de la sangre, daña los tejidos pulmonares. Así que estos animales de experimentación (¡y personas!) respiraron soluciones salinas isotónicas a la sangre. ESTÁ BIEN.

2: Es difícil introducir suficiente oxígeno en la solución salina. Tuvieron que usar cámaras hiperbáricas de alta presión. Leí una estimación de 160 atm para obtener suficiente O2 en solución salina para cumplir con los requisitos de O2 para un mamífero. Eso es aproximadamente 1 milla de profundidad.

3: Sorprendentemente (para mí) fue la acumulación gradual de dióxido de carbono lo que mató a los animales de experimentación. El CO2 no es muy soluble en agua. Podemos expulsar nuestro CO2 al hiperventilar.

Obviamente, entonces, si ponemos todos estos factores juntos, encontramos que para mantener su presión arterial parcial de dióxido de carbono dentro de niveles tolerables, para evitar una sensación de asfixia o incluso pérdida de conciencia, un buzo que respira en el agua tendría que moverse sustancialmente. mayor volumen de agua por minuto dentro y fuera de sus pulmones que el aire que mueve el buzo que respira aire.

Aparentemente eso no funciona bajo el agua. A medida que un animal respira con más fuerza, alcanza los límites de lo que pueden soportar las estructuras flexibles de las vías respiratorias. Se colapsan (algo así como a los asmáticos se les colapsan las vías respiratorias cuando se esfuerzan mucho por inhalar, de ahí las sibilancias) y, por lo tanto, limitan el agua que se puede mover de un lado a otro.

Los tritones respirarán como la gente respira, moviendo el agua dentro y fuera del pulmón.

• Estos tritones pueden estar confinados a profundidades donde la presión es lo suficientemente grande como para que el O2 disuelto satisfaga sus necesidades. Algo así como los seres humanos que respiran aire están confinados a altitudes bajas, por la misma razón.
  

• Los tritones tienen sangre más salada, isotónica al agua de mar en la que se encuentran.
  

  • Los tritones tienen grandes músculos respiratorios, buenos para expandir con fuerza el pecho y contraerlo con fuerza; esta última pieza no es especialmente fuerte para los humanos que son mucho mejores para inhalar.
    

  • Los tritones tienen bronquios comparativamente rígidos que soportan las presiones más altas asociadas con una inhalación y exhalación de agua más rápidas.

¡Muchas buenas respuestas aquí! Un problema que se señaló es que los humanos, al ser de sangre caliente, requieren mucho más oxígeno que los poliquiotermos, porque mantener la temperatura corporal requiere mucho metabolismo, que a su vez quema mucho O2. Esto da como resultado todo tipo de estrategias especiales para obtener suficiente "siguen". Asi que...

¿Por qué no hacerlos poliquiotermos (de sangre fría, para nuestros propósitos), como casi todos los peces? Esto reduce muchos problemas. Primero, menos uso de oxígeno, lo que significa soluciones menos extremas para las branquias. Mira a tu amistoso tiburón de arrecife:

Sus branquias son bastante razonables en tamaño.

En segundo lugar, ser de sangre fría significa que no necesitas todo ese aislamiento. La mayoría de los mamíferos marinos tienen extensos depósitos de grasa para ayudarlos a mantenerse calientes, y esto realmente no encaja con la imagen de las sirenas. Se espera que las sirenas tengan un toque de avoirdupois, pero la tradición lo tiene distribuido de manera más atractiva y tanto... decorativo como útil.

En tercer lugar, las sirenas de sangre fría tienen menos necesidad de comida, por lo que pueden pasar menos tiempo buscando alimento y más tiempo posadas en las rocas atrayendo a los marineros hacia su perdición.

El principal problema con el que te encontrarás es que el cerebro humano necesita mucho oxígeno para funcionar, y no hay tanto oxígeno en el agua como en el aire. Entonces, si estos tritones pueden respirar bajo el agua sin salir a la superficie, necesitarán mucha más superficie en sus branquias que la que tienen los humanos en sus pulmones, o necesitarán bombear una gran cantidad de agua a través de sus branquias.

De acuerdo con la respuesta "gillung" que vinculó, el agua dulce tiene alrededor de 8 cm3/L de oxígeno disuelto, mientras que el aire tiene 210 cm3/L. Eso es un factor de 26.25 de diferencia. Entonces, si desea que los tritones con branquias internas reemplacen sus pulmones humanos, necesitarán bombear más de 26 veces más agua a través de sus pulmones que los humanos bombean aire. Eso va a ser todo tipo de poco práctico, incluso cuando no están haciendo ejercicio. Agregar hendiduras entre las costillas para expulsar el agua y mantenerla fluyendo de una manera a través de las branquias ayudará, pero aún necesitarán bombear una gran cantidad de agua para mantenerse conscientes. Y bombear agua de esa manera requerirá mucha energía, aumentando la demanda de oxígeno.

Solución: Branquias externas , y muchas. De acuerdo con esa página de Wikipedia, las branquias externas de las criaturas que las tienen (salamandra, pez pulmonado y larvas de bichir) generalmente toman la forma de 3-4 tallos ramificados parecidos a helechos que salen de cada lado del cuerpo de la criatura, detrás de la cabeza. No estoy exactamente seguro de dónde correspondería eso en un ser humano, ¿tal vez en el cuello? Probablemente podría salirse con la suya poniéndolos en la espalda de sus tritones con la misma facilidad, lo que tiene la ventaja de estar más cerca de las arterias/venas pulmonares a las que necesitarán engancharse.

Un sistema de branquias externas capaz de seguir el ritmo de un par de pulmones humanos tendrá que ser bastante grande, por lo que estos tipos no serán hidrodinámicos. También necesitarán moverse regularmente para evitar consumir todo el oxígeno en su vecindad inmediata, y dado que están diseñados genéticamente a partir de humanos, es posible que no tengan los instintos para hacerlo inconscientemente. Por lo tanto, sería mejor que vivan en los ríos, para que no tengan que preocuparse por eso. Alternativamente, podrían diseñarse para poder oler el oxígeno con sus suaves branquias similares a tentáculos, lo que sería genial por derecho propio. Eso depende de hasta dónde quieras llevar tu mano genética.

Otra alternativa podría ser eliminar el bosque de branquias externas y darles branquias similares a las de un cangrejo, flexibles a los fluidos, o branquias externas más pequeñas, y hacerlos capaces de sobrevivir con las pequeñas cantidades de oxígeno que sus branquias podrían proporcionar. Cuando están descansando o necesitan sumergirse profundamente por cualquier motivo, podrían entrar en un modo de bajo consumo, conservando oxígeno y confiando en sus branquias; pero cuando necesitan cazar, pelear o resolver problemas matemáticos, pueden salir a la superficie para respirar oxígeno.

O simplemente podría hacerlo como las ballenas, que respiran aire, pero tienen la capacidad de almacenar grandes cantidades de oxígeno internamente, para estancias prolongadas bajo el agua. Creo que se sabe que el cachalote se sumerge durante más de una hora, cuando van a grandes profundidades en busca de calamares.

Una técnica utilizada por las focas en las áreas árticas es exhalar el aire en la parte inferior de la bolsa de hielo en una gran burbuja, dejar que el agua refresque el contenido de O2 y volver a inhalarlo. Tal vez una persona sirena podría tener un colgajo de piel que podría exhalar e inhalar una burbuja de aire en, para este propósito.

Con algunos reptiles acuáticos que respiran aire, como las tortugas o los caimanes, su metabolismo más bajo significa que no necesitan tener tanto oxígeno disponible. Pero ese es un cambio biológico radical, mientras que adaptar a la persona sirena para que pueda almacenar mucho más O2 del aire que respira sería un cambio más probable... como ya sucedió cuando los mamíferos regresaron a los océanos.

¿Por qué querrías que el tritón respirara aire en lugar de branquias y agua? El aire transfiere O2 de manera mucho más eficiente, lo que le da a la criatura mayores reservas de fuerza bajo el agua. La criatura acuática más grande que no respira aire es el tiburón ballena, con alrededor de 40 pies, y es una criatura de movimiento muy lento con una gama algo estrecha de hábitats. Compare eso con la ballena azul, de aproximadamente el doble de tamaño, que puede moverse más rápido y aventurarse en una gama mucho más amplia de hábitats, como la Antártida.

Los peces sacan agua por la boca y la expulsan por las branquias para que las branquias puedan extraer el oxígeno (o algo por el estilo). Esto no funcionaría para los humanos, ya que la cantidad de agua que podrían absorber estaría limitada por el tamaño de sus bocas y posiblemente de sus narices.

Creo que las ideas de branquias externas planteadas por @WilliamKumler y Alguien Else37 serían la solución más práctica.

Si bien las alas probablemente serían estéticamente agradables a la vista (me encanta la imagen que me viene a la mente), podrían ser menos prácticas debido a que tienen un área adjunta más pequeña en comparación con su largo y ancho (pensando en alas de hada/libélula aquí. @ William Kimler, es posible que lo esté imaginando de otra manera).

Los zarcillos branquiales (como los de los magníficos nudibranquios), las plumas branquiales (como las que lucen los tritones y las salamandras) serían el camino a seguir, y teniendo en cuenta que su tritón diseñado probablemente tendría que estar en un área con cierta cantidad de corriente de agua, los zarcillos pueden balancearse pasivamente en dicha corriente, o incluso cuando el tritón se está moviendo, pero tienen un movimiento limitado en el caso de que el tritón esté parado en un área con movimiento de agua limitado (como una cueva, por ejemplo).

De manera similar, puedes cubrir a tu sirena con finos zarcillos similares a pelos, cubriendo un área más grande de la superficie de su cuerpo. O los zarcillos se pueden diseñar de alguna manera para que se deriven de nuestro cabello humano y, por lo tanto, se pueden colocar (en su mayoría) en la cabeza y vincularse al sistema de respiración existente de alguna manera.

La limitación de las branquias externas sería que tendrían que mantenerse húmedas, o tal vez ser retráctiles de alguna manera. Alternativamente, pueden irse a dormir o volverse inertes cuando el tritón se encuentra en tierra firme o exudar una especie de baba o gel para protegerse de la desecación por completo.

Finalmente, hablando de narices, orejas y otras partes y piezas que sobresalen, probablemente querrás hacerlas más pequeñas o de alguna manera acercarlas al cuerpo para mejorar la aerodinámica. Si no quieres ir con una cola de sirena, tu sirena necesitará manos más grandes y con aletas con dedos más largos y pies más planos o más grandes. Es posible que también necesiten ser más musculosos, ya que impulsarse a través del agua es más difícil de hacer que impulsarse a través del aire.

Yo iría con la electrólisis PEM

Se puede usar una estructura similar a una branquia con la capacidad del cuerpo para producir corriente eléctrica para obtener oxígeno directamente de las moléculas de agua (H2O -> H + O2). Esta estructura puede bombear el gas resultante directamente a los pulmones (incluso a los pulmones bastante humanos) y puede desviarse cuando está fuera del agua y expuesto al oxígeno libre en el aire.

Esto tiene la ventaja de no depender del nivel de oxígeno disuelto en el agua y, por lo tanto, permite la supervivencia en aguas pobres en oxígeno, como aguas muy profundas o contaminadas.

Este es un proceso relativamente ineficiente desde el punto de vista energético, pero es concebible dadas las estructuras complejas que las células vivas pueden formar, incluso imitando la respiración de la piel de los anfibios (absorbiendo oxígeno del agua a través de la piel).

Además, la existencia de dicho organismo (humanoide en este caso) puede respaldar la ecología simbiótica basada en hidrógeno con posibles micro-reclamadores (H+O2 -> H2O) en áreas con alto contenido natural de oxígeno en el agua (presumiblemente cerca de la superficie).

Las branquias en la parte posterior serían mi opción.

Crear una estructura que atraviese o incluso cambie la cavidad torácica humana no es irrazonable. Actualmente hay espacios donde existen músculos y carne entre las costillas. Simplemente decir que una membrana de intercambio de oxígeno atraviesa las costillas traseras no es descabellado. O simplemente cavidades a través de las costillas traseras que llevan agua a las branquias/pulmones.

La ventaja adicional de la simplicidad es que, debido a que está ubicado más cerca de los pulmones, se puede reutilizar gran parte de esa estructura de órganos. Incluso podrías mantener ambos métodos de respiración, después de todo, hay criaturas que pueden respirar tanto aire como agua.

En cuanto a otros rasgos. el hecho de que agregue branquias no implica la pérdida de orejas y otros orgánulos. ¿Sabías que las ballenas todavía tienen sus patas traseras?

En cuanto a hacer esto más razonable. Aumentaría el espacio entre las costillas en la espalda (por lo tanto, un cofre más grande y pronunciado) para permitir unas hendiduras branquiales más grandes. Haría crecer los pulmones para que fueran grandes y delgados, cubriendo la parte posterior de la cavidad torácica interna, para que tuviera un área de superficie respiratoria más funcional. La forma de los pulmones ya es propicia al tener 2 mitades distintas con separación en el medio que serían necesarias para conectar el sistema nervioso central con el resto de los órganos.

Si va con la noción de las costillas de la cavidad, entonces su único desafío es garantizar la circulación del agua. Afortunadamente, ya contamos con un órgano que soluciona esto llamado diafragma. Simplemente modifique el diafragma para que sea drenable/inundable para que pueda operar en el entorno elegido.