funzione respiratoria Obiettivi Gli scambi gassosi Le superfici respiratorie Verifica FISIOLOGIA DELL’APPARATO RESPIRATORIO Branchie Adattamenti della funzione respiratoria Trachee Polmoni Cute Il sistema respiratorio dell’uomo Controllo della respirazione Alveoli e scambio gassoso Malattie del sistema respiratorio

Gli scambi gassosi La respirazione cellulare consiste nella demolizione delle molecole organiche per produrre ATP. La cellula necessita di un adeguato apporto di O2 affinché le due fasi della respirazione cellulare, il ciclo di Krebs e la catena respiratoria, convertano l'energia contenuta nelle molecole organiche in energia immagazzinata sotto forma di ATP. La CO2 che viene generata dal metabolismo cellulare, deve essere rimossa dalla cellula. Deve quindi avvenire uno scambio gassoso : la CO2 deve uscire dalla cellula e l'O2 entrare. Per respirazione si intende dunque un complesso di funzioni che coinvolgono diversi organi e apparati e che infine porta allo scambio dei gas per diffusione tra le cellule utenti e il mezzo contenente i gas stessi.

Le superfici respiratorie Tutte le superfici respiratorie devono essere bagnate per svolgere la loro funzione, infatti sia l’O2 che la CO2 devono essere sciolti nell’acqua per poter diffondere. Negli organismi unicellulari lo scambio gassoso avviene direttamente attraverso la loro membrana cellulare. Anche in piccoli organismi animali lo scambio avviene direttamente tramite la superficie corporea, purché l'animale presenti una forma appiattita, oppure una cavità centrale continua con l'ambiente esterno, in cui circoli l'acqua ( spugne). In ogni caso questi animali sono di taglia piccola. Gli animali di grossa taglia non possono mantenere lo scambio gassoso per diffusione attraverso la superficie corporea. Essi hanno evoluto organi e apparati specializzati per gli scambi gassosi, dotati di una particolare conformazione che consente un imponente sviluppo superficiale.

Gli adattamenti della funzione respiratoria Le principali strutture specializzate che, come frutto dell'evoluzione, si sono sviluppate per funzionare da superfici di scambio tra l'organismo e l'ambiente sono le branchie, le trachee e i polmoni. Tuttavia, vi sono anche organismi che ricorrono alla respirazione cutanea.

Branchie Le branchie aumentano enormemente la superficie degli scambi gassosi. Esse sono presenti in numerosi gruppi animali come gli artropodi ( inclusi alcuni crostacei terrestri), gli anellidi, i pesci e gli anfibi. Le branchie sono escrescenze convolute contenenti vasi sanguigni coperti da un sottile strato di tessuto epiteliale. Esse possono essere esterne al corpo ( come in alcuni anfibi) o interne ( come nei granchi e nei pesci). Generalmente le branchie interne sono protette da opercoli. Ogni branchia è suddivisa in centinaia di filamenti, composti ognuno da sottili e flessibili lamelle. Le branchie sono molto efficienti nel sottrarre ossigeno dall'acqua ( l'ossigeno presente nell'acqua ammonta solo a 1/20 rispetto a quello contenuto nello stesso volume d'aria).

Flusso controcorrente L'acqua scorre sulle branchie in un'unica direzione mentre il sangue scorre nei capillari nella direzione opposta. Il flusso controcorrente massimizza il trasferimento di ossigeno.

Trachee Molti animali terrestri possiedono all'interno del loro corpo un sistema di condotti per il passaggio dell'aria, le trachee, collegate con l'ambiente esterno attraverso una serie di orifizi ( gli stigmi) situati lungo i fianchi dell'addome. Sono questi tubi che portano l'aria direttamente alle cellule per gli scambi gassosi.

Polmoni I polmoni sono una sorta di sacche interne collegate con l'esterno per mezzo di un sistema di condotti. La respirazione polmonare probabilmente si è evoluta 400 milioni di anni fa. I polmoni sono caratteristici dei vertebrati terrestri, anche alcune lumache terrestri posseggono strutture per gli scambi gassosi simili a quelle delle rane. Gli anfibi hanno polmoni a sacchetto con una superficie interna per gli scambi gassosi relativamente piccola. Peraltro, in questi animali, l'azione dei polmoni è affiancata da quella della pelle, umida e sottile, attraverso cui i gas possono diffondere facilmente (respirazione cutanea).

Uccelli Gli uccelli hanno un sistema di sacchi aerei interconnessi ai polmoni, che oltre ad alleggerire l'animale, rendono possibile un maggior afflusso di ossigeno ai possenti muscoli delle ali.   Per far percorrere all'aria l'intero sistema, un uccello deve effettuare due cicli respiratori di inspirazione-espirazione. Questo sistema, che comporta un flusso unidirezionale dell'aria all'interno dei polmoni, è così efficiente nel sottrarre all'aria l'ossigeno che certi uccelli possono volare a quote altissime.

Mammiferi I mammiferi non presentano il vantaggio di un flusso unidirezionale di aria o di acqua attraverso le superfici respiratorie; essi hanno invece, come gli anfibi, un movimento dell'aria di va e vieni. Ne consegue che, in questo modo l'aria penetra nei polmoni solo durante metà del ciclo respiratorio e che , inoltre, rimane sempre nei polmoni una certa quantità di aria stagnante, carica di anidride carbonica, che si mescola all'aria in arrivo dall'esterno. Tutti i mammiferi presentano fondamentalmente lo stesso insieme di strutture e di meccanismi respiratori dell'uomo.

Respirazione cutanea Gli organismi acquatici con il corpo molle e fatto di pochi strati di cellule (poriferi e celenterati) assorbono direttamente l’ossigeno disciolto nell’acqua con tutta la superficie corporea, e con essa espellono anche l’anidride carbonica. Nei protozoi gli scambi gassosi avvengono per diffusione semplice Anche i vermi acquatici assorbono ossigeno con la superficie del corpo

Il sistema respiratorio dell’uomo Il sistema respiratorio dell'uomo comprende i polmoni, le vie respiratorie che li connettono all'ambiente esterno e le strutture toraciche che convogliano l'aria dentro e fuori dai polmoni.                                   L'aria entra nel corpo attraverso il naso dove, passando attraverso le cavità nasali, viene scaldata e filtrata.    Prosegue quindi nella faringe che presenta l'epiglottide, la quale impedisce al cibo di entrare nella trachea. La parte superiore della trachea contiene la laringe. Le corde vocali sono due nastri di tessuto che si estendono attraverso l'apertura della laringe. Dopo aver passato la laringe l'aria entra nei bronchi.

La respirazione esterna      L'aria entra nel corpo attraverso il naso dove, passando attraverso le cavità nasali, viene scaldata e filtrata.    Prosegue quindi nella faringe che presenta l'epiglottide, la quale impedisce al cibo di entrare nella trachea. La parte superiore della trachea contiene la laringe. Le corde vocali sono due nastri di tessuto che si estendono attraverso l'apertura della laringe. Dopo aver passato la laringe l'aria entra nei bronchi.

Bronchi I bronchi sono rinforzati da anelli cartilaginei per impedirne il collasso e tappezzati da un epitelio cigliato contenete ghiandole mucipare. I bronchi si ramificano in condotti via via più sottili, i bronchioli formando una specie di albero capovolto.

Alveoli I bronchioli sboccano in minuscole sacche simili ad acini d'uva chiamate alveoli. Ogni alveolo è circondato da una rete di capillari sanguigni ed è rivestito all'interno da uno strato umido di cellule epiteliali. Solo circa 0,2µm separano l'aria contenuta negli alveoli dal sangue dei capillari. E' qui che avviene lo scambio gassoso tra l'aria contenuta negli alveoli e il sangue dei capillari.

Respirazione interna La figura mostra i rapporti tra le cellule dei tessuti, i capillari e i vasi sanguigni. L’arteriola a sinistra porta sangue ossigenato, questo diffonde attraverso i capillari e porta sangue ossigenato alle cellule dei tessuti. Poi si raccoglie sul lato venoso dell’arteriola e prosegue nel suo viaggio.

Ventilazione Nel corpo i polmoni sono sospesi nella cavità toracica, all'interno della cassa toracica e poggiano su un ampio muscolo laminare a forma di cupola, il diaframma, che separa la cavità toracica da quella addominale. Ciascun polmone è circondato da due sottili membrane, le pleure, di cui quella interna aderisce al polmone e quella esterna alla cavità toracica; tra le pleure vi è uno strato di liquido lubrificante, che facilita lo scorrimento durante i movimenti respiratori.                                                  La ventilazione avviene in due fasi: l'inspirazione e l'espirazione. Durante l'inspirazione i muscoli intercostali si contraggono provocando il sollevamento e un leggero distanziamento delle costole, contemporaneamente il diaframma si abbassa e la sua "cupola" si appiattisce, provocando la dilatazione della cavità toracica, diminuisce così la pressione dell'aria nei dei polmoni e di conseguenza l'aria fluisce dall'esterno nei polmoni. L'espirazione, cioè la fuoriuscita passiva dell'aria dai polmoni, è il risultato dell'inversione delle fasi appena descritte.

Gli alveoli e lo scambio gassoso La diffusione è il processo per cui una sostanza migra spontaneamente da una regione in cui la sua concentrazione è più alta ad una regione in cui la sua concentrazione è più bassa. Le differenze tra le concentrazioni di ossigeno e di anidride carbonica sono misurate in pressioni parziali. Maggiore è la differenza tra le pressioni parziali, maggiore è il tasso di diffusione.     I pigmenti respiratori aumentano la capacità del sangue di trasportare l’ossigeno. L'uomo possiede un pigmento rosso l'emoglobina. Essa aumenta la capacità del sangue di trasportare ossigeno da 65 a 70 volte. Ogni globulo rosso ha circa 250 milioni di molecole di emoglobina. La concentrazione di ossigeno nelle cellule è bassa (quando lascia i polmoni il sangue è saturo al 97% di ossigeno), così l'ossigeno, quando raggiunge i capillari, diffonde dal sangue nelle cellule.

La concentrazione di anidride carbonica nelle cellule metabolicamente attive è maggiore che nei capillari, così l'anidride carbonica diffonde dalle cellule nei capillari. L'acqua contenuta nel sangue si combina con l'anidride carbonica formando acido carbonico, il quale si dissocia in ione bicarbonato e ione ossigeno. Ciò provoca la rimozione dell'anidride carbonica dal sangue così la diffusione di anidride carbonica dalle cellule nel sangue può continuare. Complessivamente, il 7% dell’anidride carbonica resta disciolto nel plasma come CO2, il 93% diffonde nei globuli rossi e viene trasformata in H2CO3, di cui il 23% viene fissato nell’emoglobina come H+, mentre il 70% diffonde nel plasma e viene trasportato come HCO3–. Nei capillari degli alveoli il bicarbonato si combina con lo ione idrogeno formando acido carbonico, che si dissocia in anidride carbonica e acqua. L'anidride carbonica diffonde quindi negli alveoli e poi fuori dal corpo con l'espirazione.

Controllo della respirazione La respirazione viene controllata da due centri nervosi posti rispettivamente nel ponte e nel midollo allungato, alla base dell’encefalo. Il centro di controllo del ponte regola il ritmo della respirazione. Dal centro posto nel midollo allungato partono i nervi che inviano al diaframma e ai muscoli intercostali i segnali che ne inducono la contrazione provocando l’inspirazione, tra un’inspirazione e l’altra i muscoli si rilassano e avviene l’espirazione. Il centro di controllo del midollo allungato risponde all’abbassamento del pH del sangue dovuto all’aumentare della concentrazione di CO2, provocando l’aumento del numero e della profondità degli atti respiratori. I chemio-recettori in grado di percepire le variazioni del pH del sangue sono localizzati nelle carotidi (seno carotideo)

Malattie del sistema respiratorio Le condizioni delle vie aeree e la differenza di pressione tra i polmoni e l'atmosfera sono fattori importanti nel flusso d'aria dentro e fuori dai polmoni. Molte malattie alterano la condizione delle vie aeree. L'asma è dovuta ad una reazione allergica che provoca spasmi dei muscoli delle vie aeree o eccessiva produzione di muco che riducono o occludono il lume delle vie aeree. La bronchite è una risposta infiammatoria che riduce il flusso d'aria ai polmoni ed è causata dall'esposizione prolungata a sostanze irritanti quali il fumo, le sostanze inquinanti dell'aria, o gli allergeni. La fibrosi cistica è una malattia genetica che provoca eccessiva produzione di muco che ostacola le vie aeree.

Obiettivi Saper indicare la corrispondenza tra il processo respiratorio a livello cellulare e quello a livello organico. Saper rilevare, descrivere, spiegare le caratteristiche fondamentali degli apparati respiratori degli animali. Saper descrivere il rapporto tra la struttura dell’apparato respiratorio e la sua funzione. Saper confrontare le caratteristiche quantitative e qualitative dei processi respiratori nei vari gruppi animali. Saper individuare gli aspetti unitari del processo respiratorio negli animali. Saper spiegare i più semplici meccanismi di controllo e regolazione della respirazione. MAPPA

Verifica 1 Indica per ciascuna delle seguenti affermazioni se è vera (V) o falsa (F) La respirazione cellulare consiste nella demolizione delle molecole organiche per produrre ATP V F Il sistema respiratorio degli insetti permette uno scambio gassoso diretto tra l’aria e le cellule del corpo V F Nei pesci l’acqua entra ed esce dagli opercoli V F L’efficienza dell’apparato respiratorio degli uccelli è dovuta alla capacità di trattenere più a lungo l’aria all’interno dei polmoni V F Lo scambio ossigeno-anidride carbonica a livello degli alveoli polmonari è detto ventilazione polmonare V F L’anidride carbonica nel sangue si lega all’acqua e forma acido carbonico V F

2. Scegli il completamento esatto • le trachee  permettono uno scambio diretto tra l’aria e le cellule del corpo  rappresentano i minuti condotti aerei connessi ai sacchi aerei degli uccelli  mettono in contatto l’aria con i capillari sanguigni • nel flusso controcorrente  i liquidi coinvolti scorrono nello stesso senso  il materiale in soluzione scorre contro-corrente  i liquidi coinvolti scorrono in senso opposto • i polmoni degli uccelli  sono interessati da flussi d’aria unidirezionali  sono interessati da movimenti di va e vieni dell’aria  sono interessati da due flussi d’aria opposti • nei mammiferi la contrazione del diaframma  corrisponde al processo di espirazione  fa aumentare il volume della cassa toracica  fa comprimere gli alveoli e i polmoni

3. Rispondi alle seguenti domande: a) Perché tutte le cellule metabolicamente attive del corpo devono essere costantemente rifornite di ossigeno ? b) Perché le superfici respiratorie devono essere sempre umide ? c) Quali sono gli adattamenti che si sono sviluppati nel corso dell’evoluzione per funzionare da superfici di scambio ? d) In che modo le branchie rendono quanto più efficiente possibile l’assunzione dell’ossigeno dall’acqua ? e) Che percorso segue l’ossigeno per passare dall’ambiente esterno alle singole cellule di un insetto ? f) Che cosa rende così efficiente l’apparato respiratorio degli uccelli? 4. Elenca nel giusto ordine le seguenti strutture, che costituiscono l’apparato respiratorio umano,secondo il percorso che l’ossigeno segue dall’ambiente esterni fino al sangue: bronchioli, laringe, cavità nasali, bronchi, trachea, capillari sanguigni, alveoli polmonari. 5. Paragona i diversi tipi di apparati respiratori del regno animale utilizzando una tabella.