Gli scambi gassosi Unità

10

Obiettivi

Conoscere i meccanismi con cui gli animali scambiano i gas con l’ambiente

Apprendere le fasi degli scambi gassosi negli animali dotati di polmoni

Conoscere la struttura del sistema respiratorio umano

Riconoscere i rischi per la salute dei polmoni

Unità 10

Gli scambi gassosi

3

Prova di competenza - Sopravvivere ad alta quota

Come fanno oche e anatre a volare ad alta quota dove, per la scarsità di ossigeno, gli esseri umani rischierebbero di morire?

Lezione 1

I MECCANISMI PER GLI SCAMBI GASSOSI NEGLI ANIMALI

4

10.1 Negli animali gli scambi gassosi supportano la respirazione cellulare

Gli animali liberano l’energia contenuta nelle molecole fornite dal sistema digerente grazie alla respirazione cellulare

L’ossigeno necessario a queste reazioni e il diossido di carbonio rilasciato come prodotto di scarto vengono scambiati con l’ambiente esterno tramite il sistema respiratorio

La respirazione polmonare è l’atto respiratorio e lo scambio di gas con l’ambiente

5

10.1 Negli animali gli scambi gassosi supportano la respirazione cellulare

STEP BY STEP

Come sono legate tra loro la respirazione cellulare e la respirazione polmonare?

6

10.2 Gli animali scambiano O₂ e CO₂ attraverso superfici respiratorie umide

Le superfici respiratorie devono essere ben inumidite perché, per diffondere attraverso le membrane, i gas devono essere disciolti in acqua

Gli animali più semplici, come il lombrico, utilizzano come organo per scambiare i gas con l’esterno la superficie corporea

7

Piano di sezione

CO2

O2

Sezione

trasversale

della superficie

respiratoria

(la cuticola che

riveste il corpo)

Capillari

8

10.2 Gli animali scambiano O₂ e CO₂ attraverso superfici respiratorie umide

La maggior parte degli animali possiede strutture specializzate per la respirazione

– Branchie negli animali acquatici

– Trachee negli insetti

– Polmoni nei vertebrati terrestri

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CO2

O2

Superficie

corporea

Cellule del corpo

(non ci sono capillari)

Superficie

respiratoria

(trachee)

10

CO2

O2

Capillare

Superficie corporea

Superficie

respiratoria

(branchie)

11

CO2 O2

Superficie

corporea

Capillari

Superficie

respiratoria

(polmoni)

O2 CO2

12

10.2 Gli animali scambiano O₂ e CO₂ attraverso superfici respiratorie umide

STEP BY STEP

In che modo la struttura di una branchia o di un polmone è correlata alla sua funzione respiratoria?

13

10.3 Le trachee degli insetti consentono scambi gassosi diretti tra l’aria e le cellule

Gli animali terrestri scambiano gas con l’esterno respirando l’aria: ciò ha due grandi vantaggi

– L’aria può contenere O2 a una concentrazione superiore a quella dell’acqua

– L’aria è più leggera e facile da spostare

Lo svantaggio è la possibilità di perdere acqua per evaporazione

14

10.3 Le trachee degli insetti consentono scambi gassosi diretti tra l’aria e le cellule

Per evitare di perdere troppa acqua gli insetti effettuano gli scambi gassosi attraverso un sistema di tubi che si ramificano al loro interno

– Trachee: tubi maggiori

– Tracheole: ramificazioni più piccole

– Sacche aree: riserve d’aria posizionate vicino agli organi che hanno maggiore richiesta di O2

15

Trachee

Sacche aeree

Apertura per l’aria

Cellula del corpo

Tracheola Sacca aerea

Trachea

Parete del corpo CO2 O2

16

10.3 Le trachee degli insetti consentono scambi gassosi diretti tra l’aria e le cellule

STEP BY STEP

Che cosa differenzia lo scambio di gas negli insetti da quello che avviene nei pesci o negli esseri umani?

17

10.4 Le branchie sono specializzate per gli scambi gassosi in ambiente acquatico

Gli scambi gassosi in ambiente acquatico

– Hanno il vantaggio di non opporre difficoltà nel mantenere umide le superfici di scambio

– Hanno lo svantaggio di poter contare su una minore concentrazione di O2 disponibile

Le branchie sono molto efficienti nello scambio gassoso in acqua

– Superficie di scambio molto ampia, spesso superiore alla superficie corporea

18

10.4 Le branchie sono specializzate per gli scambi gassosi in ambiente acquatico

Nei pesci, lo scambio gassoso è facilitato

– dalla ventilazione: movimenti che aumentano il passaggio di acqua attraverso le branchie

– dallo scambio controcorrente: il sangue nei capillari delle branchie scorre in senso opposto rispetto al flusso d’acqua che le attraversa

19

Arco branchiale

Direzione

del flusso

dell’acqua

Opercolo

Arco

branchiale Vasi sanguigni

Sangue ricco

di ossigeno

Sangue povero

di ossigeno

Lamella

Filamenti branchiali

Flusso

dell’acqua

tra le lamelle Flusso

del sangue

nei capillari

della lamella

Scambio controcorrente % di O2 nel flusso di acqua

% di O2

nel sangue dei capillari

Diffusione

di O2

dall’acqua

al sangue

100 70 40 15

5 30 60 80

20

Gill arch

Direction

of water

flow

Operculum

(gill cover)

Gill arch

Blood vessels

Oxygen-rich blood

Oxygen-poor blood

Lamella

Gill filaments

Water flow between lamellae

Blood flow through capillaries in lamella

Countercurrent exchange

Blood flow in

simplified capillary,

showing % O2

Diffusion

of O2 from

water to

blood

Water flow, showing % O2

100 70 40 15

5 30 60 80

Arco branchiale

Direzione

del flusso

dell’acqua

Opercolo

Arco

branchiale Vasi sanguigni

Filamenti branchiali

21

Arco

branchiale

Vasi sanguigni

Sangue ricco

di ossigeno

Sangue povero

di ossigeno

Lamella

Filamenti branchiali

Flusso

dell’acqua

tra le lamelle Flusso

del sangue

nei capillari

della lamella

Scambio controcorrente % di O2 nel flusso di acqua

% di O2

nel sangue dei capillari

Diffusione

di O2

dall’acqua

al sangue

100 70 40 15

5 30 60 80

22

10.4 Le branchie sono specializzate per gli scambi gassosi in ambiente acquatico

STEP BY STEP

Che cosa succederebbe se nei capillari delle branchie il sangue scorresse nella stessa direzione dell’acqua, anziché controcorrente?

23

10.5 Negli animali dotati di polmoni gli scambi gassosi avvengono in tre fasi

Le tre fasi dello scambio di gas

– Respirazione

– Trasporto dei gas da parte del sistema circolatorio

– Scambio di gas tra il sangue e le cellule dei tessuti

Anche se gli scambi gassosi vengono spesso indicati con il termine generale di respirazione, è importante non confonderli con la respirazione cellulare

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Polmone

Scambio

di gas

con le

cellule

dell’organismo Cellula

Capillare

Mitocondri

Respirazione

Sistema circolatorio

Trasporto di gas

da parte del sistema

circolatorio

CO2

CO2 O2

O2 1

2

3

25

10.5 Negli animali dotati di polmoni gli scambi gassosi avvengono in tre fasi

STEP BY STEP

Perché gli esseri umani non possono sopravvivere per più di qualche minuto senza ossigeno?

26

10.6 L’evoluzione dei polmoni ha facilitato la conquista della terraferma

I tetrapodi sembrano essersi evoluti in acque poco profonde

– Sono stati trovati fossili che documentano diverse forme di transizione tra ambiente acquatico e terrestre

– I primi adattamenti sembrano essere legati alla possibilità di emergere dall’acqua e respirare aria

27

28

10.6 L’evoluzione dei polmoni ha facilitato la conquista della terraferma

I primi tetrapodi che hanno colonizzato la terraferma si sono differenziati in quattro linee evolutive

– Anfibi: usano sia polmoni sia superficie corporea per scambi gassosi

– Rettili: tasso metabolico basso polmoni semplici

– Uccelli: tasso metabolico alto polmoni complessi

– Mammiferi: tasso metabolico alto polmoni complessi

29

10.6 L’evoluzione dei polmoni ha facilitato la conquista della terraferma

STEP BY STEP

In che modo gli adattamenti respiratori dei tetrapodi possono essere correlati all’evoluzione degli arti?

30

10.7 Nel sistema respiratorio umano una rete di tubi convoglia l’aria nei polmoni

Nel nostro sistema respiratorio l’aria entra nelle cavità nasali attraverso le narici

– L’aria viene filtrata dai peli, riscaldata e umidificata

– Nella parte superiore delle cavità nasali sono presenti recettori per gli odori

– L’aria può essere aspirata anche dalla bocca, ma in questo caso non subisce lo stesso trattamento che avviene nelle cavità nasali

31

10.7 Nel sistema respiratorio umano una rete di tubi convoglia l’aria nei polmoni

Dalle cavità nasali l’aria prosegue

– Nella laringe

– Nella laringe passa attraverso le corde vocali

– Prosegue nella trachea

– Si divide nei due bronchi

– Entra nei bronchioli

– Raggiunge infine gli alveoli, sacche aeree in cui avviene lo scambio di gas

32

Sangue

ricco di

ossigeno

Bronchiolo

Alveoli

Sangue povero

di ossigeno

Capillari

sanguigni

Cavità nasale

Polmone sinistro

Faringe

Laringe

Trachea

Polmone destro

Bronco

Bronchiolo

Diaframma

(Cuore)

(Esofago)

33

Polmone sinistro

Faringe

Laringe

Trachea

Polmone destro

Bronco

Bronchiolo

Diaframma

(Cuore)

(Esofago)

Cavità nasale

34

Sangue

ricco di

ossigeno

Bronchiolo

Alveoli

Sangue

ricco

di ossigeno

Capillari sanguigni

35

36

SEM 250x

37

SEM 250 colorata

10.7 Nel sistema respiratorio umano una rete di tubi convoglia l’aria nei polmoni

La struttura degli alveoli li rende molto efficienti nello scambio di gas

– Grande superficie di contatto con i capillari

– Grande superficie di contatto con l’aria

Negli alveoli

– L’O2 diffonde nel sangue

– Il CO2 diffonde all’esterno

38

10.7 Nel sistema respiratorio umano una rete di tubi convoglia l’aria nei polmoni

STEP BY STEP

In che modo la struttura degli alveoli è correlata alla loro funzione?

39

Inquinamento e fumo di sigaretta danneggiano i polmoni

Gli alveoli sono molto delicati: fumo e inquinamento possono danneggiarli profondamente

– Enfisema: danneggiamento delle pareti degli alveoli

– Bronchite cronica: infiammazione cronica della mucosa bronchiale

– BPCP broncopenumopatia cronica ostruttiva: combinazione di enfisema e bronchite cronica

40

COLLEGAMENTO salute

Inquinamento e fumo di sigaretta danneggiano i polmoni

I danni del tabacco

Irritazione della mucosa delle vie respiratorie

– Inibizione o distruzione delle ciglia accumulo di muco tosse

Morte dei macrofagi che proteggono le vie respiratorie

Cancro al polmone

41

COLLEGAMENTO salute

Inquinamento e fumo di sigaretta danneggiano i polmoni

Il fumo non danneggia solo il sistema respiratorio

– Danni alle pareti dei capillari

– Maggior rischio di infarto e ictus

Ogni anno il fumo uccide 6 milioni di persone nel mondo

– 80 000 solo in Italia

42

COLLEGAMENTO salute

Po

lmo

ne

Cu

ore

43

10.8 La respirazione un’attività generalmente involontaria

L’atto della respirazione consiste nell’alternarsi di inspirazione ed espirazione dell’aria

Durante l’inspirazione

– La cassa toracica si espande

– Il diaframma si contrae abbassandosi

– I polmoni si espandono

– La pressione dell’aria negli alveoli diventa inferiore a quella atmosferica e l’aria penetra nelle vie aeree dall’esterno

44

10.8 La respirazione un’attività generalmente involontaria

Durante l’espirazione

– Il diaframma si rilassa sollevandosi

– La cassa toracica si contrae

– La pressione dell’aria nei polmoni diventa superiore a quella atmosferica, costringendola a uscire

45

Polmone

Il diaframma si contrae

(si abbassa)

Il diaframma si rilassa

(si alza)

Diaframma

Inspirazione Espirazione

Aria inspirata

Aria espirata

La cassa toracica

si espande quando

i muscoli

intercostali

si contraggono

La cassa toracica

si contrae quando

i muscoli

intercostali

si rilassano

46

10.8 La respirazione un’attività generalmente involontaria

Non tutta l’aria viene espulsa durante l’espirazione

– Un volume residuo rimane nei polmoni per evitare che gli alveoli collassino

– Durante l’inalazione aria fresca ricca di ossigeno viene mischiata con il volume residuo di aria povera di ossigeno

– Questo riduce la capacità di estrarre O2 dall’aria

Negli uccelli l’aria scorre in una sola direzione e perciò lo scambio gassoso è più efficiente

47

10.8 La respirazione un’attività generalmente involontaria

Il controllo della respirazione è involontario

I centri di controllo della respirazione si trovano nell’encefalo

Regolano la respirazione in base ai livelli di CO2 nel sangue

Un calo del pH del sangue fa aumentare la frequnza e la profondità delle inspirazioni

48

Liquido cerebrospinale

Ponte

Midollo allungato

Cervello

Segnali nervosi

inducono la

contrazione

dei muscoli

intercostali

Diaframma

Muscolli intercostali

1

49

Liquido cerebrospinale

Ponte

Midollo allungato

Cervello

Segnali nervosi

inducono la

contrazione

dei muscoli

intercostali

Diaframma

Muscolli intercostali

1

I centri di controllo

della respirazione

rispondono al

pH ematico

2

50

Liquido cerebrospinale

Ponte

Midollo allungato

Cervello

Segnali nervosi

inducono la

contrazione

dei muscoli

intercostali

Diaframma

Muscolli intercostali

1

I centri di controllo

della respirazione

rispondono al

pH ematico

2

Segnali nervosi

indicano i livelli

di O2 e CO2

3

Recettori per CO2

e O2 nell’aorta

51

10.8 La respirazione un’attività generalmente involontaria

STEP BY STEP

In che modo i centri di controllo della respirazione rispondono all’aumento della richiesta di O2 durante un intenso sforzo fisico?

52

Lezione 2

IL TRASPORTO DI GAS NEL CORPO UMANO

53

10.9 Lo scambio dei gas respiratori è coordinato

con il sistema circolatorio

Il cuore è diviso in due metà

– La metà di destra pompa il sangue povero di ossigeno proveniente dai tessuti nei polmoni

– La metà di sinistra pompa il sangue ricco di ossigeno proveniente dai polmoni nei tessuti

Nei polmoni, a livello degli alveoli, il sangue scarica CO2 e si arricchisce di O2

Nei tessuti il sangue scarica O2 and raccoglie CO2

54

10.9 Lo scambio dei gas respiratori è coordinato

con il sistema circolatorio

Lo scambio di gas avviene per diffusione secondo un gradiente di pressione parziale

– Un gas si muove dall’ambiente in cui è più concentrato a quello in cui lo è meno

– Nei tessuti il CO2 è più concentrato e l’O2 è meno concentrato che nel sangue

– Perciò l’O2 si sposta nei tessuti e il CO2 nel sangue

– Nei capillari degli alveoli il CO2 è più concentrato e l’O2 è meno concentrato che nell’aria

– Perciò l’O2 si sposta nei capillari degli alveoli e il CO2

nell’aria

55

Cellule

epiteliali

alveolari CO2 O2

Sangue

ricco di CO2

e povero

di O2

Sangue

ricco di O2

e povero

di CO2

Aria espirata Aria inspirata

Spazi pieni di aria

Capillari alveolari

del polmone

Capillari dei tessuti

Cellule

dei tessuti

in tutto il corpo

Liquido

interstiziale

Cuore

CO2 O2

56

10.9 Lo scambio dei gas respiratori è coordinato

con il sistema circolatorio

Lo scambio di gas avviene per diffusione secondo un gradiente di pressione parziale

– Un gas si muove dall’ambiente in cui è più concentrato a quello in cui lo è meno

– Nei tessuti il CO2 è più concentrato e l’O2 è meno concentrato che nel sangue

– Perciò l’O2 si sposta nei tessuti e il CO2 nel sangue

– Nei capillari degli alveoli il CO2 è più concentrato e l’O2 è meno concentrato che nell’aria

– Perciò l’O2 si sposta nei capillari degli alveoli e il CO2

nell’aria

57

58

10.9 Lo scambio dei gas respiratori è coordinato

con il sistema circolatorio

STEP BY STEP

Qual è il processo fisico alla base degli scambi gassosi?

59

10.10 L’emoglobina contribuisce a trasportare O₂ e CO₂ e a regolare il pH del sangue

L’O2 è poco solubile in acqua, perciò, nel sangue, viene trasportato legato all’emogolbina

– Formata da 4 catene polipeptidiche

– Ogni catena lega un gruppo eme, che ha al centro un atomo di ferro

– L’atomo di ferro lega e trasporta una molecola di O2

– L’emoglobina contribuisce anche a regolare il pH del sangue e a trasportare il CO2

60

O2 caricato

nei polmoni

O2 liberato

nei tessuti

Atomo di ferro

Catena polipeptidica

Gruppo eme

O2

O2

61

10.10 L’emoglobina contribuisce a trasportare O₂ e CO₂ e a regolare il pH del sangue

La maggior parte del CO2 viene trasportato sotto forma di ioni carbonato in soluzione nel plasma

La reazione che si verifica è

L’emoglobina lega gli ioni H+

Quando il sangue fluisce nei capillari polmonari avviene la reazione inversa

62

63

10.10 L’emoglobina contribuisce a trasportare O₂ e CO₂ e a regolare il pH del sangue

STEP BY STEP

Come vengono trasportati l’O2 e il CO2 nel sangue?

64