L'apparato respiratorio

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Categoria:Biologia

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Testo

- L‘apparato respiratorio -
Fasi della respirazione
La respirazione, che permette agli animali di utilizzare le molecole di cibo fornite dall’apparato digerente, consiste di tre fasi:
La respirazione polmonare:
l’ossigeno si diffonde nelle cellule che rivestono internamente i polmoni, mentre l’anidride carbonica passa dalla cellule polmoni all’ambiente.
Il trasporto dei gas da parte dell’apparato circolatorio:
l’ossigeno si diffonde dalle cellule polmonari ai vasi sanguigni dove si lega all’emoglobina e viene trasportato dal sangue ai tessuti dell’organismo, contemporaneamente l’anidride carbonica viene trasportata dal sangue ai polmoni.
La respirazione cellulare:
le cellule ricevono l’ossigeno dal sangue e cedono anidride carbonica, il prodotto di rifiuto dovuto alla scissione delle molecole nutritive.
Apparato respiratorio negli animali
La superficie respiratoria è, di solito, rivestita da un epitelio umido monostratificato che consente all’ossigeno di diffondersi rapidamente nell’apparato circolatorio o di raggiungere direttamente i tessuti, infatti per diffondere verso l’interno o l’esterno della cellula i gas devono essere disciolti in acqua.
I vermi cilindrici utilizzano tutta la superficie del corpo per gli scambi gassosi: l’ossigeno si diffonde all’interno di una rete di sottili capillari posti sottocute. La loro intera superficie corporea deve rimanere umida, per questo i vermi cilindrici vivono in zone umide o nell’acqua. Molti di essi sono lunghi e sottili o appiattiti. Queste dimensioni conferiscono all’animale un elevato rapporto tra superficie respiratoria e volume del corpo.
Gli artropodi utilizzano un vasto sistema di tubi interni chiamati trachee, che si diramano in tutto il corpo scambiando il gas direttamente con le cellule, senza dipendere dall’apparato circolatorio.. Le trachee comprendono, inoltre, una serie di rigonfiamenti chiamati sacche aeree: quando i muscoli intorno ad esse si contraggono, l’aria viene espulsa attraverso aperture sulla superficie corporea, mentre quando i muscoli si rilassano l’aria viene risucchiata. Le trachee si ramificano in tubi sempre più piccoli detti tracheale che possono arrivare alle dimensioni di una singola cellula. Questo sistema riduce al minimo il dispendio energetico relativo agli scambi gassosi
I pesci utilizzano una serie di branchie (estensioni ramificate della superficie corporea) poste su entrambi i lati del capo. Queste sono attraversate da un gran numero di vasi sanguigni con un diametro così piccolo che i globuli rossi possono scorrere al loro interno uno per volta, in questo modo ogni globulo rosso viene a stretto contatto con l’ossigeno disciolto nell’acqua circostante. Il principale vantaggio nello scambiare gas in un ambiente acquatico è che gli animali non devono spendere energia per mantenere umida la loro superficie respiratoria. Uno svantaggio invece è che la quantità di ossigeno disponibile nell’acqua è molto inferiore a quella presente nell’aria. Su ciascun lato del corpo sono presenti quattro archi branchiali e da ognuno di essi si dipartono due file di filamenti. Ogni filamento branchiale porta molte strutture piatte, dette lamelle, che costituiscono una superficie respiratoria vera e propria. Quando l’acqua entra nel corpo del pesce attraverso la bocca, le coperture delle branchie si chiudono perfettamente sopra le stesse. Successivamente la bocca si chiude e l’acqua viene pompata attraverso le branchie ed espulsa dagli opercoli che si aprono per consentire l’uscita dell’acqua. L’acqua scorre attraverso le branchie in direzione opposta a quella in cui circola il sangue nelle lamelle branchiali. Così il sangue povero di ossigeno proveniente dal corpo arriva su un lato della lamella, mentre il sangue ricco di ossigeno si allontana dalle branchie in corrispondenza dell’altro lato. Lo scambio controcorrente incrementa ulteriormente l’efficienza delle branchie in quanto mantiene un gradiente di diffusione che facilita il trasferimento di sostanze: infatti mentre scorre attraverso la lamella acquistando sempre più ossigeno, il sangue viene a contatto con l’acqua che ha una concentrazione sempre maggiore di ossigeno. Questo meccanismo di scambio è così efficiente che le branchie dei pesci possono catturare più dell’80% dell’ossigeno sciolto nell’acqua.
Apparato respiratorio nell’uomo
Nell’uomo gli scambi gassosi avvengono a livello dei polmoni, posti nella cavità toracica delimitata nella parte inferiore da una lamina muscolare chiamata diaframma. La superficie respiratoria totale dei polmoni dell’uomo è quasi uguale a quella occupata da un campo da tennis.
L’aria entra nel nostro apparato respiratorio attraverso le narici dove viene filtrata dai peli e riscaldata e umidificata all’interno delle cavità nasali, dove avviene anche la percezione degli odori. L’aria può essere inalata anche attraverso la bocca, ma in tal caso non viene sottoposta agli importanti processi appena descritti. Le fosse nasali confluiscono nella faringe, cavità imbutiforme comune con l’apparato digerente. Dalla faringe l’aria passa nella laringe, dove sono presenti le corde vocali, pieghe della mucosa le cui vibrazioni permettono l’emissione di suoni con l’aiuto della bocca e della lingua. Nei maschi sono più lunghe e più spesse (suoni più gravi), nelle femmine sono più corte e più sottili (suoni più acuti). Quando le corde vocali sono tese vibrano velocemente producendo suoni acuti, mentre quando sono meno tese vibrano lentamente producendo suoni bassi. L’aria inspirata si dirige verso i polmoni attraverso la trachea: un tubo composto da una serie di anelli cartilaginei incompleti poiché attaccato davanti all’esofago, che necessita di spazio per dilatarsi e restringersi. La trachea si biforca poi in due bronchi ciascuno dei quali entra in un polmone, all’interno del quale i bronchi si diramano più volte in tubi sempre più sottili, detti bronchioli. L’epitelio che riveste trachea, bronchi e bronchioli è ricoperto da una sottile pellicola di muco dotata di ciglia, che ha una funzione difensiva per le particelle più grandi mentre le più piccole possono depositarsi negli alveoli o essere distrutte dai macrofagi. I bronchioli terminano in sacche aeree riunite in grappoli dette alveoli. Ciascuno dei nostri polmoni contiene milioni di queste minuscole sacche. La loro superficie interna è costituita da un sottile strato di cellule epiteliali rivestite da un velo liquido (i gas per diffondersi devono sciogliersi in un liquido). Tra le cellule degli alveoli si trovano degli pneumociti granulosi, la cui funzione è produrre materiale grasso che riduce la tensione superficiale impedendo il collassamento del polmone quando si contrae.
La respirazione polmonare
La respirazione polmonare è l’alternarsi di inspirazioni ed espirazioni: ciò comporta l’immissione di aria ricca di ossigeno nei polmoni e l’eliminazione della miscela gassosa ricca di anidride carbonica. Durante l’inspirazione le costole si muovono verso l’alto e la gabbia toracica si espande, mentre i muscoli intercostali si contraggono. Contemporaneamente il diaframma si contrae (si abbassa), permettendo un’ulteriore dilatazione della gabbia toracica. Sul lato interno della gabbia toracica sono presenti due pleure parietali: membrane sierose in due strati, separate da un velo liquido che permette il loro movimento. Sollevandosi la pleura, la massa polmonare si distende, la pressione diminuisce e l’aria può affluire velocemente nei polmoni. Durante l’espirazione i muscoli intercostali e il diaframma si rilassano, facendo diminuire il volume della gabbia toracica e spingendo fuori l’aria. In condizioni di riposo il volume d’aria presente nei polmoni è di 500 ml, ma il volume massimo di aria che possiamo inspirare ed espirare (capacità vitale) è di circa 3000 ml. Nei polmoni rimane sempre una quantità d’aria residua, circa 500 ml, chiamata volume residuo. Ciò fa sì che non si sfrutti a pieno l’ossigeno dell’aria. Negli polmoni degli uccelli invece l’aria scorre in una sola direzione: essi possiedono delle sacche aeree che hanno la funzione di ventilare la superficie dei polmoni. Durante l’inspirazione l’aria passa dalla trachea alle sacche posteriori, mentre quelle anteriori si riempiono d’aria già utilizzata proveniente dai polmoni. Durante l’espirazione entrambe le sacche si svuotano spingendo nei polmoni l’aria della sacche aere posteriori, e verso l’esterno quella delle sacche aere anteriori. Poiché l’aria scorre in una sola direzione, nei polmoni non è vi è volume di aria residua, e a parità di aria inspirata gli uccelli possono estrarre più ossigeno dall’aria rispetto all’uomo.
Centro di controllo della respirazione
L’uomo è in grado di controllare, almeno in parte, la respirazione in quanto può trattenere il fiato volontariamente oppure respirare più velocemente o più profondamente. Ma per la maggior parte del tempo i movimenti respiratori sono regolati da centri di controllo involontario, che ci assicurano il coordinamento tra l’apparato respiratori e gli altri apparati. Questi centri di controllo si trovano in due zone diverse dell’encefalo, ponte e midollo allungato. I centri di controllo del ponte regolano il ritmo della respirazione, mentre quelli del midollo allungato regolano la quantità di anidride carbonica espulsa dagli alveoli in base ai valori di pH del sangue e del liquido che bagna l’encefalo. Quando nel sangue aumenta la concentrazione di anidride carbonica il pH diminuisce, il midollo allungato percepisce questa variazione e i sui centri di controllo sanno si che aumentino il numero e la profondità degli atti respiratori, in modo da eliminare più anidride carbonica e far tornare il ph a valori normali. L’iperventilazione, cioè una respirazione molto rapida e profonda, dimostra perfettamente la funzione dei centri di controllo sulla respirazione.Con l’iperventilazione si può eliminare dal sangue un quantità di anidride carbonica tale che i centri di controllo smettono temporaneamente di inviare segnali. La respirazione si arresta fino a quando al concentrazione di anidride carbonica torna normale per riattivare i centri di controllo. I nostri centri di controllo sono quindi attivati dalla concentrazione dell’anidride carbonica ma, indirettamente, controllano anche la concentrazione di ossigeno (rispondendo all’abbassamento del pH).
Il trasporto dell’ossigeno e dell’anidride carbonica
Il sangue permette di trasportare l’ossigeno alle cellule e l’anidride carbonica i polmoni. Una parte del cuore (sinistra) pompa sangue povero di ossigeno e un’altra (destra) pompa sangue ricco di ossigeno. Il sangue povero di ossigeno proveniente dai capillari presenti nei tessuti torna al cuore che lo spinge verso gli alveoli polmonari. Dopo aver liberato l’anidride carbonica e aver acquistato ossigeno il sangue si allontana dagli alveoli per tornare al cuore dove viene pompato verso i tessuti.
Lo scambio di gas tra i capillari e le cellule avviene per diffusione, secondo un gradiente di pressione. In una miscela ciascuno dei gas presenti è responsabile di una parte, detta pressione parziale, della pressione totale della miscela. L’ossigeno non è molto solubile nell’acqua e i sangue è in grado di trasportare solo una piccola parte sotto forma di gas sciolto. La maggior parte dell’ossigeno presente nel sangue viene invece trasportata dai globuli rossi grazie all’emoglobina, una molecola costituita da quatto catene polipeptidiche di due tipi differenti. Ciascuna catena contiene un gruppo chimico detto eme (non proteico), al cui centro vi è un atomo di ferro. Ogni atomo di ferro può legare una molecola di ossigeno e quindi ogni molecola di emoglobina può trasportare fino a quattro molecole di ossigeno.
L’emoglobina
L’emoglobina è una proteina che oltre a trasportare l’ossigeno contribuisce anche al trasporto dell’anidride carbonica nel sangue. Inoltre regola il pH ematico, per prevenire bruschi cambiamenti di acidità che potrebbero danneggiare le cellule irreparabilmente. Quando l’anidride carbonica giunge nel plasma (liquido che compone il sangue) la maggior parte di essa si lega all’emoglobina, la parte restante si lega all’acqua formando acido carbonico. Le molecole di acido carbonico si dissociano in ioni idrogeno e ioni bicarbonato. L’emoglobina agisce come un tampone legando la maggior parte degli ioni H, impedendo così l’acidificazione del sangue. Gran parte degli ioni bicarbonato si diffonde invece dall’interno dei globuli rossi al plasma e viene trasportata ai polmoni. Quando il sangue passa lungo i capillari polmonari il bicarbonato si lega agli ioni H rilasciati dall’emoglobina. L’acido bicarbonico viene poi riconvertito in anidride carbonica e acqua, infine l’anidride carbonica si diffonde dal sangue agli alveoli e poi fuori dall’organismo nell’aria espirata. L’anidride carbonica, pur essendo un prodotto di rifiuto, viene sfruttata con la massima efficienza dall’organismo. Infatti se il pH del plasma si abbassa, cioè se la concentrazione di ioni H aumenta, gli ioni bicarbonato rimuovono gli ioni idrogeno combinandosi con essi e formando acido carbonico. Quando invece il pH sale, l’acido carbonico rilascia nuovamente gli ioni H nel sangue.

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