La respirazione e gli scambi gassosi 0

Gli animali scambiano O 2 e CO 2 attraverso superfici corporee umide Negli animali, lO 2 (ossigeno) diffonde allinterno del corpo e il CO 2 (diossido di carbonio o anidride carbonica) viene liberato nellambiente circostante attraverso una superficie respiratoria. La superficie respiratoria è costituita da cellule vive le cui membrane cellulari devono essere bagnate per poter svolgere la loro funzione. 0 I meccanismi alla base degli scambi gassosi

0 Piano della sezione Sezione trasversale della superficie respiratoria (la pelle che ricopre il corpo) Capillari CO 2 O2O2 In alcuni animali, come per esempio il lombrico, gli scambi gassosi avvengono a livello di tutta la superficie del corpo.

0 Superficie corporea Superficie respiratoria (branchia) Capillari CO 2 O2O2 Superficie corporea Superficie respiratoria (trachee) Cellule del corpo (le trachee non sono a contatto cono i capillari) O2O2 CO 2 Superficie corporea Superficie respiratoria (allinterno del polmone) Capillari CO 2 O2O2 O2O2 Figura 17.1B Figura 17.1C Figura 17.1D Nella maggior parte degli animali alcune parti del corpo si sono trasformate (specializzate) in superfici respiratorie.

Le trachee degli insetti garantiscono uno scambio gassoso diretto tra laria e le cellule del corpo Negli animali terrestri gli scambi gassosi avvengono attraverso laria che viene respirata. Ciò comporta due grossi vantaggi: – laria ha una concentrazione di O 2 molto elevata – è molto leggera e facile da spostare. 0

0 Sacche aeree Trachee Stigma LM 250 Cellula del corpo Tracheola Sacca aerea Trachea Rivestimento esterno del corpo CO 2 O2O2 Gli insetti hanno un vasto sistema di tubi interni chiamati trachee con molteplici ramificazioni più strette, dette tracheole, che trasportano lO 2 direttamente alle cellule del corpo.

17.3 Negli animali vertebrati lo scambio dei gas avviene in tre fasi Le tre fasi dello scambio gassoso: 1 Respirazione O2O2 CO 2 Polmone Sistema circolatorio 2 Trasporto di gas tramite il sistema circolatorio 3 Scambi gassosi tra sangue e tessuti Capillari Cellula CO 2 O2O2 Mitocondri

Lo scambio di gas fornisce O 2 per la respirazione cellulare e rimuove il suo principale prodotto di rifiuto, il CO 2. Grazie allO 2, tutte le cellule del corpo possono ottenere energia dalle molecole degli alimenti che lorganismo ha digerito e assorbito. 0

Le branchie sono organi specializzati per gli scambi gassosi nellambiente acquatico Le branchie sono estensioni, o ripiegamenti esterni, della superficie corporea che assorbono lO 2 disciolto nellacqua. Larea della superficie respiratoria delle branchie dei pesci è molto più estesa rispetto al resto della superficie del corpo. 0

0 Arco branchiale Direzione del flusso dellacqua Arco branchiale Vasi sanguigni Filamenti branchiali Sangue ricco di ossigeno Sangue povero di ossigeno Lamella 15% 40% 70% 100% 60% 80% 30% 5% % di O 2 nellacqua che fluisce sopra le lamelle % di O 2 nel sangue che fluisce attraverso i capillari allinterno delle lamelle Scambio controcorrente In un pesce lo scambio dei gas è intensificato dalla ventilazione e dallo scambio controcorrente tra sangue e acqua che fluiscono luno in senso opposto allaltra.

Nei vertebrati terrestri si evolvono polmoni sempre più complessi ed efficienti I rettili, gli uccelli, i mammiferi e molti anfibi utilizzano i polmoni per effettuare gli scambi gassosi. I polmoni occupano una zona limitata del corpo dellanimale e sono collegati a un sistema circolatorio che trasporta i gas al resto del corpo. Le dimensioni e la complessità dei polmoni sono correlate alla velocità del metabolismo dellanimale (quindi al suo fabbisogno di ossigeno).

Il sistema respiratorio umano è costituito dalle vie respiratorie e dai polmoni Nel sistema respiratorio umano laria è inalata attraverso le narici, passa attraverso la faringe e la laringe nella trachea, nei bronchi e nei bronchioli. 0 (Cuore) Diaframma Bronchiolo Bronco Polmone destro Trachea Laringe (Esofago) Faringe Cavità nasale Polmone sinistro Figura 17.6A Il sistema respiratorio umano

I bronchioli terminano in sacche aeree, dette alveoli, riunite in grappoli. Ogni alveolo è costituito da un sottile strato di cellule epiteliali attraverso cui avvengono gli scambi gassosi. 0 Colonizzato SEM 6200 Sangue ricco di ossigeno Bronchiolo Sangue povero di ossigeno Alveoli Capillari sanguigni

17.7 Come avviene la ventilazione polmonare La respirazione polmonare è lalternarsi di inspirazioni ed espirazioni. Grazie alla ventilazione dei nostri polmoni, sulla superficie di scambio dei gas respiratori viene mantenuta alta la concentrazione di O 2 e bassa la concentrazione di CO 2. 0

0 La cassa toracica si espande quando i muscoli intercostali si contraggono Aria inspirata La cassa toracica si contrae quando i muscoli intercostali si rilassano Aria espirata Polmone Diaframma Il diaframma si rilassa (si alza)Il diaframma si contrae (si abbassa) Inspirazione Espirazione Figura 17.7A Respirazione a pressione negativa: la contrazione dei muscoli intercostali e del diaframma fa aumentare il volume della cavità toracica e riduce la pressione dellaria negli alveoli.

Il massimo volume di aria che possiamo inspirare ed espirare è chiamato capacità vitale. I polmoni contengono più aria rispetto alla capacità vitale: nei polmoni rimane sempre un volume residuo di aria che impedisce agli alveoli di collassare. 0

0 Aria Sacche aeree anteriori Sacche aeree posteriori Trachea Polmoni Tubi dove passa laria 1 mm Espirazione: Sacche aeree vuote; polmoni pieni daria Inspirazione: sacche aeree piene daria Nel sistema respiratorio degli uccelli laria scorre in una sola direzione.

Il controllo della respirazione è involontario I centri di controllo della respirazione, situati nellencefalo, regolano il ritmo respiratorio in base alle esigenze dellorganismo e monitorando la concentrazione di CO 2 nel sangue. 0 Cervello Liquido cerebrospinale Ponte Midollo allungato Segnali nervosi che inducono la contrazione dei muscoli Centri di controllo della respirazione stimolati da: Aumento di CO 2 = diminuzione del pH nel sangue Segnale nervoso che rileva i livelli di CO 2 e O 2 Sensore per CO 2 e O 2 nellaorta Diaframma Muscoli intercostali Figura 17.8

Il principale segnale che indica un aumento della concentrazione di CO 2 nel sangue è rappresentato da lievi cambiamenti nel pH del sangue e del liquido che bagna lencefalo. Quando nel sangue aumenta la concentrazione di CO 2, il pH diminuisce e aumentano il numero e la profondità degli atti respiratori. 0

Gli scambi gassosi tra sangue e tessuti seguono un gradiente di pressione Una parte del cuore pompa sangue povero di ossigeno ai polmoni dove lega O 2 e libera CO 2. Una parte del cuore pompa il sangue ricco di ossigeno alle cellule del corpo dove libera O 2 e lega CO 2. 0

0 Aria espirataAria inspirata Spazi alveolari Cellule epiteliali degli alveoli CO 2 O2O2 O2O2 Sangue povero di CO 2 e ricco di O 2 Sangue ricco di O 2 e povero di CO 2 Cuore Capillari tessutali CO 2 O2O2 Liquido interstiziale CO 2 O2O2 Cellule tessutali di tutto il corpo Capillari alveolari del polmone Figura 17.9 Scambio e trasporto dei gas nel corpo:

Lo scambio dei gas tra i capillari e le cellule circostanti avviene per diffusione, secondo un gradiente di pressione. Ciascuno dei gas presenti in una miscela è responsabile di una parte, detta pressione parziale, della pressione totale della miscela. Un gas diffonde da una regione con pressione parziale maggiore a una con pressione parziale minore. 0

17.10 Lemoglobina contribuisce al trasporto di O 2 e CO 2 e a regolare il pH del sangue Lemoglobina trasporta lossigeno (legandolo o rilasciandolo, a seconda della situazione), contribuisce al trasporto del diossido di carbonio nel sangue e regola il pH ematico, impedendone bruschi cambiamenti. 0 Atomo di ferro Gruppo eme Ossigeno prelevato nei polmoni Ossigeno liberato nei tessuti Catena polipeptidica Figura 17.10

La maggior parte del CO 2 nel sangue è trasportato nel plasma come ione bicarbonato. Il CO 2 reagisce con lacqua formando acido carbonico (H 2 CO 3 ). Le molecole di H 2 CO 3 si dissociano in ioni idrogeno e ioni bicarbonato. 0 CO 2 + H2OH2OH 2 CO 3 H+H+ + HCO 3 – diossido di carbonio acquaacido carbonico ione idrogeno ione bicarbonato

COLLEGAMENTI Gli scambi gassosi nel feto avvengono attraverso la circolazione materna Un feto umano scambia gas con il sangue materno attraverso la placenta. 0 Placenta, contenente vasi sanguigni materni e capillari del feto Cordone ombelicale, contenente vasi sanguigni del feto Liquido amniotico Utero Figura 17.11

La molecola che trasporta lossigeno dal sangue materno al feto prende il nome di emoglobina fetale. Alla nascita, laumento di CO 2 nel sangue del bambino causa una drastica caduta del pH che stimola i centri di controllo della respirazione. 0

COLLEGAMENTI Alcune patologie del sistema respiratorio Le infezioni acute delle vie respiratorie sono patologie molto frequenti. Si tratta di malattie virali o batteriche, ad andamento stagionale. Le affezioni croniche del sistema respiratorio sono legate soprattutto a fattori irritanti: fumo di sigaretta, inquinamento atmosferico. 0

0 Polmone Cuore Figura – Polmoni sani (sinistra) e polmoni colpiti da cancro (destra). Il fumo irrita le cellule che rivestono i bronchi, inibisce i movimenti delle ciglia e distrugge i macrofagi (speciali globuli bianchi che inglobano particelle e microrganismi).