Sistema respiratorio e circolatorio

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SISTEMI RESPIRATORIO E CIRCOLATORIO

LA RESPIRAZIONE

In biologia il termine respirazione ha due significati. A livello cellulare si riferisce alle reazioni chimiche che richiedono ossigeno, hanno luogo nei mitocondri e sono la fonte principale di energia per la cellula eucariote. Invece a livello di organismo nel suo complesso questo termine indica il processo di assunzione di ossigeno dall’ ambiente esterno e di eliminazione di biossido di carbonio.
Il consumo di ossigeno и direttamente proporzionale al dispendio energetico che, in condizioni di riposo, и detto metabolismo basale. I tassi metabolici aumentano nettamente con l’esercizio fisico; una persona che svolge un esercizio fisico consuma una quantitа di ossigeno che и 15 – 20 volte superiore a quella consumata dalla stessa persona in condizioni di riposo, e il consumo di ossigeno aumenta in proporzione al dispendio energetico.

DIFFUSIONE E PRESSIONE ATMOSFERICA

In ogni organismo, lo scambio gassoso di ossigeno e biossido di carbonio tra le cellule e l’ambiente circostante avviene per diffusione.
La diffusione, и il movimento netto di particelle da una regione a contrazione maggiore verso una a concentrazione minore. Nel descrivere i gas si fa riferimento alla pressione gassosa piuttosto che alla concentrazione. La pressione di ogni gas и proporzionale alla sua concentrazione: l’ossigeno costituisce circa il 21% in volume dell’aria secca e perciт il 21% della pressione totale atmosferica deriva dalla pressione dell’ossigeno nell’aria. Questa pressione viene chiamata pressione parziale dell’ossigeno. Nella diffusione i gas si spostano da una regione con pressione parziale maggiore a una regione con pressione parziale minore.
Siamo cosм abituati alla pressione dell’aria circostante che non ci rendiamo conto della sua presenza o degli effetti che esercita su di noi. Se ci troviamo in una localitа a elevata altitudine sul livello del mare e quindi con una pressione atmosferica piщ bassa si potrа soffrire di capogiri e ci si stancherа piщ facilmente; sono necessari numerosi adattamenti fisiologici per vivere ad altitudini elevate per riuscire a salire di quota in montagna.
Le conseguenze della situazione opposta, ossia di pressioni gassose maggiori, si osservano in coloro che si immergono sott’acqua a grandi profonditа. Fin dall’inizio delle esplorazioni marine era stato osservato che quando i sommozzatori tornavano troppo rapidamente in superficie soffrivano di emboli che causavano disturbi gravi, a volte anche mortali. Gli emboli si formano in seguito alla respirazione di aria compressa: se la pressione и particolarmente elevata, una maggiore quantitа di azoto si diffonde dall’aria verso i polmoni ed entra in soluzione nel sangue e nei tessuti. Se il corpo viene decompresso rapidamente, il gas non si trova piщ in soluzione e nel sangue si formano bolle di azoto simili alle bolle di biossido di carbonio che compaiono in una bottiglia di acqua minerale quando viene decompressa togliendo il tappo; le bolle di azoto ostruiscono i capillari, bloccando il flusso sanguigno, oppure possono invadere i tessuti nervosi o altri tessuti.

EVOLUZIONE DEGLI APPARATI RESPIRATORI

L’ossigeno entra nelle cellule e si muove per diffusione; all’interno della cellula partecipa all’ossidazione di composti organici che sono fonte di energia cellulare. In questo processo si forma biossido di carbonio, che poi diffonde fuori dalla cellula secondo un gradiente di concentrazione.
Il processo di diffusione avviene solo per tratti molto brevi; tale limitazione non rappresenta un problema per animali molto piccoli, in cui ogni cellula и abbastanza vicina alla superficie esterna. La diffusione non puт in alcun modo sopperire alle necessitа di organismi di una certa mole in cui le cellule interne possono essere distanti molti centimetri dall’aria o dall’acqua che sono le loro fonti di ossigeno. A mano a mano che nel corso dell’evoluzione gli animali hanno raggiunto dimensioni maggiori, hanno parallelamente sviluppato apparati respiratori e circolatori in grado di trasportare molecole gassose per flusso di massa.
Uno stadio primitivo dell’evoluzione dei sistemi per il trasporto dei gas и rappresentato da quello dei lombrichi, che possiedono una rete di capillari posta sotto la superficie del corpo; l’ossigeno e il biossido di carbonio diffondono direttamente attraverso la superficie entrando e uscendo dal sangue che scorre nei capillari. Negli insetti l’aria passa direttamente nei tessuti attraverso una rete di tubuli rivestiti da chitina, le trachee. Questo sistema и efficiente per organismi di piccole dimensioni, ma и un grosso limite alle dimensioni che possono raggiungere gli insetti e gli altri organismi che respirano mediante un sistema di trachee.

L’EVOLUZIONE DELLE BRANCHIE

Le branchie e i polmoni sono strutture atte ad aumentare la superficie respiratoria; le branchie sono estroflessioni, mentre i polmoni sono introflessioni o cavitа.
La superficie respiratoria delle branchie и costituita da un unico strato di cellule che и a contatto con l’ambiente esterno da un lato e con i vasi sanguigni dall’altro.
Si ritiene che le branchie dei vertebrati fossero originariamente organi con funzione nutritiva; i vertebrati primitivi introducevano acqua nella bocca e la emettevano attraverso quelle che ora chiamiamo fessure branchiali, trattenendo in questo modo le particelle di sostanze organiche presenti nell’acqua. I vertebrati primitivi respiravano prevalentemente attraverso la pelle. Con il procedere dell’evoluzione numerose pressioni selettive cominciarono a operare determinando, tra l’altro, una tendenza verso lo sviluppo di un tegumento sempre piщ robusto, spesso provvisto di scaglie, non piщ in grado di svolgere una funzione respiratoria. Contemporaneamente, forze dello stesso tipo contribuirono all’evoluzione di animali piщ grossi e piщ veloci, che perт avevano un fabbisogno energetico piщ elevato e, di conseguenza, un maggiore fabbisogno di ossigeno. La superficie respiratoria e il rifornimento di sangue dell’epitelio branchiale sono andati gradualmente aumentando nel corso dei millenni.
In molti pesci l’acqua viene pompata nella bocca mediante movimenti dell’opercolo osseo e fuoriesce attraverso le branchie dopo aver ceduto parte dell’ossigeno ai vasi sanguigni in esse contenuti. I pesci possono regolare la velocitа del flusso e, a volte, facilitarlo, aprendo e chiudendo la bocca.

L’EVOLUZIONE DEI POLMONI.

I polmoni sono cavitа interne nelle quali penetra aria ricca di ossigeno; rispetto alle branchie hanno uno svantaggio poichй, dal punto di vista della diffusione, un flusso continuo lungo la superficie respiratoria costituisce un sistema piщ efficiente.
Il grande vantaggio dei polmoni, tuttavia, и che le superfici respiratorie possono rimanere umide senza una grande perdita di acqua per evaporazione. I polmoni sono soprattutto una invenzione dei vertebrati, ma si trovano anche in alcuni invertebrati ( lumache terrestri ).
Gli anfibi e i rettili hanno polmoni relativamente semplici, con una superficie interna poco sviluppata. Nei vertebrati si osserva l’evoluzione di un condotto, la trachea, sulla quale agisce un meccanismo di controllo ( epiglottide ) e delle narici, che rendono possibile la respirazione a bocca chiusa. Gli anfibi utilizzano ancora abbondantemente la cute per lo scambio di gas, ma i rettili respirano quasi esclusivamente attraverso i polmoni.
Un’importante caratteristica di polmoni di tutti i vertebrati и che lo scambio di aria con l’atmosfera ha luogo per flusso di massa come risultato dei cambiamenti di volume dei polmoni; questo processo и detto ventilazione polmonare.
LA RESPIRAZIONE IN ANIMALI DI GRANDI DIMENSIONI

Negli animali di grandi dimensioni le molecole di ossigeno si muovono sia per diffusione sia per flusso di massa tra l’ambiente esterno e i tessuti.
Questo movimento si svolge in quattro tappe:

movimento per flusso di massa di un mezzo esterno contenente ossigeno ( aria o acqua ) verso un sottile epitelio umido posto vicino ai sottili vasi sanguigni dei polmoni e delle branchie;
diffusione dell’ossigeno nel sangue attraverso l’epitelio;
movimento per flusso di massa del sangue contenete ossigeno in soluzione verso i tessuti dove sarа utilizzato;
diffusione dell’ossigeno dal sangue nei liquidi interstiziali da dove diffonde nelle singole cellule.

Il biossido di carbonio, prodotto dalle cellule quando viene eliminato dal corpo segue il cammino inverso.

L’APPARATO RESPIRATORIO UMANO

Nell’apparato respiratorio umano, l’aria entra attraverso le cavitа nasali, che la riscaldano e la puliscono, e successivamente passa attraverso la faringe nella trachea. Le pareti della trachea sono rinforzate da anelli cartilaginei che le impediscono di collassare durante l’inspirazione. La trachea termina nei bronchi, che si suddividono in ramificazioni sempre piщ piccole, i bronchioli. Bronchi e bronchioli sono circondati da un sottile strato di tessuto muscolare liscio.
I veri scambi gassosi avvengono in piccoli sacchi d’aria, gli alveoli, raggruppati come grappoli d’uva intorno alle estremitа dei bronchioli piщ piccoli. Ogni alveolo ha un diametro di circa 0,1 – 0,2 millimetri ed и circondato da capillari. Le pareti dei capillari e degli alveoli sono costituite da un unico strato di cellule epiteliali appiattite, separate le une dalle altre da una sottile membrana basale; perciт la barriera che separa l’aria contenuta in un alveolo dal sangue presente nei suoi capillari и spessa solo 0,5 micrometri.
L a trachea, i bronchi e i bronchioli, che sono adibiti principalmente al trasporto di aria, da e verso gli alveoli, sono rivestiti interamente da cellule epiteliali; questo tessuto comprende sia cellule secernenti muco sia cellule ciliate. Il muco ricopre l’epitelio dell’apparato respiratorio e trattiene le particelle estranee che entrano con l’aria, mentre le ciglia battono in continuazione, spingendo il muco e le particelle estranee contenute in esso verso la faringe, da dove vengono solitamente inghiottite. Ci rendiamo conto di questa produzione di muco quando aumenta a causa di un’irritazione o un’infezione.

LA MECCANICA RESPIRATORIA

L’aria entra ed esce dai polmoni quando la pressione dell’aria negli alveoli differisce dalla pressione dell’aria esterna ( pressione atmosferica ). Quando la pressione alveolare и maggiore della pressione atmosferica, l’aria esce dai polmoni e si ha l’espirazione; quando la pressione alveolare и inferiore rispetto a quella atmosferica l’aria entra nei polmoni и si ha l’inspirazione.
La pressione nei polmoni varia in relazione ai cambiamenti di volume della cavitа toracica. Questi cambiamenti sono dovuti alla contrazione e al rilassamento del diaframma muscolare e dei muscoli intercostali. Nell’inspirazione il diaframma si contrae e si abbassa ampliando la cavitа toracica, contemporaneamente si contraggono anche i muscoli intercostali che spingono la gabbia toracica verso l’alto e verso l’esterno. Questi movimenti fanno allargare la cavitа toracica; come conseguenza di ciт, la pressione all’interno di essa diminuisce e l’aria passa nei polmoni. Quando invece i muscoli si rilassano l’aria viene spinta fuori dai polmoni.

IL TRASPORTO E SCAMBIO DIGAS

L’ossigeno и relativamente insolubile nel plasma sanguigno. La capacitа del sangue di trasportare ossigeno dai polmoni ai tessuti corporei aumenta enormemente in presenza di particolari molecole proteiche trasportatrici di ossigeno note come pigmenti respiratori.
Nei vertebrati e in molti invertebrati il pigmento respiratorio и l’emoglobina. L’emoglobina, grazie alla presenza al suo interno di gruppi eme contenenti atomi di ferro, permette alla nostra corrente sanguigna di trasportare circa 65 volte la quantitа di ossigeno che potrebbe essere trasportata da un’uguale volume di solo plasma.
In molti invertebrati l’emoglobina o gli altri pigmenti respiratori circolano liberamente nel sangue. Nei vertebrati l’emoglobina и trasportata all’ interno dei globuli rossi; un globulo rosso umano maturo trasporta circa 265 milioni di molecole di emoglobina.
L’emoglobina и un pigmento rosso che diventa di colore piщ brillante in seguito all’ossigenazione. Il fatto che l’ossigeno si leghi con l’emoglobina o si separi da essa dipende dalla pressione parziale dell’ossigeno del plasma circostante. Nei capillari alveolari, dove la pressione parziale и bassa l’ossigeno si stacca dalle molecole di emoglobina e si diffonde.
Il biossido di carbonio и piщ solubile dell’ossigeno e una piccola parte di esso и semplicemente disciolto nel plasma.
La reazione del biossido di carbonio con l’acqua и catalizzata dall’enzima anidrasi carbonica che и presente nei globuli rossi insieme con l’emoglobina. Perciт il trasporto del biossido di carbonio nel sangue и aiutato anche dai globuli rossi.

CONTROLLO DELLA RESPIRAZIONE

La velocitа e la profonditа del respiro sono controllate da neuroni respiratori situati nel tronco cerebrale. Questi neuroni sono responsabili della respirazione normale, che и ritmica e autonoma come il battito del cuore; perт, a differenza del battito cardiaco, la respirazione puт essere, entro certi limiti, controllata.
I neuroni respiratori del cervello attivano i neuroni motori del midollo spinale, facendo contrarre il diaframma e i muscoli intercostali e permettendo cosм l’inspirazione.
Per regolare la loro attivitа, i neuroni respiratori ricevono segnali dai recettori sensibili al biossido di carbonio, all’ossigeno e agli ioni idrogeno, e anche dai recettori sensibili al grado di tensione dei polmoni e della cassa toracica. Le cellule chemiocettrici, situate nelle arterie carotidi che riforniscono il cervello di ossigeno, segnalano ai neuroni respiratori la diminuizione della concentrazione di ossigeno nel sangue. Contemporaneamente viene rilevata dai centri del cervello, e anche dai chemiocettori presenti nelle carotidi, la concentrazione del biossido di carbonio disciolto e degli ioni idrogeno. L’informazione, quindi, viene fornita da un certo numero di differenti sensori che sono indifferenti l’uno dall’altro.
Se la concentrazione di biossido di carbonio aumenta solo leggermente, la respirazione si fa subito piщ profonda e piщ veloce, permettendo a piщ biossido di carbonio di abbandonare il sangue fino a che la sua concentrazione di ioni H+ non sia tornata normale.

CIRCOLAZIONE SANGUIGNA

IL SANGUE

Un individuo che pesa 75 kilogrammi possiede circa 6 litri di sangue. Quasi il 55% del sangue и formato da un liquido paglierino, il plasma, costituito essenzialmente da acqua, mentre il restante 45% и composto da globuli rossi, globuli bianchi e piastrine.
Ad eccezione dell’ossigeno, che viene trasportato dall’emoglobina contenuta nei globuli rossi, la maggior parte delle molecole necessarie alle singole cellule del corpo, come anche i materiali di rifiuto prodotti dalle cellule, si trova in soluzione nel plasma e viene trasportata nell’intenso traffico della corrente circolatoria. Il plasma contiene inoltre molecole proteiche, note appunto come proteine plasmatiche, che non sono sostanze nutritive o prodotti di rifiuto, ma svolgono la loro funzione all’interno della corrente sanguigna stessa.

GLOBULI ROSSI

I globuli rossi, o eritrociti, sono cellule specializzate nel trasporto dell’ossigeno a tutti i tessuti del corpo. Nel corso della sua maturazione, il globulo rosso dei mammiferi espelle il proprio nucleo e i mitocondri, mentre alle strutture cellulari si disintegravano. Un globulo rosso maturo contiene quasi esclusivamente il pigmento respiratorio emoglobina.
Essendo privi di nucleo, i globuli rossi non possono riparare eventuali danni e quindi hanno una vita relativamente breve ( 120 – 130 ) giorni.

GLOBULI BIANCHI

Per ogni 1000 globuli rossi presenti nel sangue umano risono 1 0 2 globuli bianchi, o leucociti, per un totale di circa 6 – 9 mila unitа per millimetro cubo di sangue.
Vi и un certo numero di differenti tipi di globuli bianchi, tutti praticamente incolori, che non contengono emoglobina e hanno un nucleo. La maggior parte di essi и piщ grande dei globuli rossi.
La funzione principale dei globuli bianchi и quella di difendere il corpo da invasori come virus, batteri e altre particelle estranee. A differenza dei globuli rossi, i globuli bianchi non sono confinati dentro i vasi sanguigni, ma possono migrare nei liquidi interstiziali.
Nella corrente sanguigna appaiono sferici, ma nei tessuti diventano appiattiti e si muovono mediante pseudopodi, molti sono fagociti.
I globuli bianchi sono spesso distrutti nel corso di un’infezione: il pus и costituito in gran parte da queste cellule morte. Nuovi globuli bianchi si formano costantemente nella milza, nel midollo osseo e in certi altri tessuti, e sostituiscono quelli distrutti.

PIASTRINE E COAGULAZIONE DEL SANGUE

Le piastrine sono dischi a forma di ovale, irregolari, incolori e di dimensioni inferiori alla metа di un globulo rosso; esse sono frammenti citoplasmatici, circondato da membrane, di cellule insolitamente grandi presenti nel midollo osseo e possono, in effetti, essere considerate dei sacchetti di sostanze chimiche che svolgono un ruolo essenziale nel promuovere la coagulazione del sangue e nel tamponare la rottura dei vasi sanguigni.
La sequenza delle reazioni di questo processo comincia quando il plasma viene a contatto con una superficie ruvida o con una molecola proteica nota come fattore tissutale.
Questo fattore si trova sulla superficie esterna di molti tipi diversi di cellule, ma non sulle cellule del rivestimento interno dei vasi sanguigni.
Quando il fattore tissutale reagisce con una specifica proteina plasmatici circolante, come puт avvenire nel caso in cui il vaso и leso, si avvia una serie di reazioni chimiche a cascata.
Alla fine una proteina plasmatica solubile viene convertita in una proteina insolubile detta fibrina. Le molecole di fibrina si agglutinano, formando una rete insolubile che intrappola globuli rossi e piastrine dando origine a un coagulo. Il coagulo si contrae tirando l’uno verso l’altro ai margini della ferita.

Esempio



  



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