La respirazione e gli scambi gassosi

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Gli animali scambiano O2 e CO2 attraverso superfici corporee umide

• Negli animali, l’O2 (ossigeno) diffonde all’interno del corpo e il CO2 (diossido di carbonio o anidride carbonica) viene liberato nell’ambiente 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.

0I meccanismi alla base degli scambi gassosi

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Piano della sezione

Sezione trasversale della superficie respiratoria (la pelle che ricopre il corpo)

CapillariCO2

O2

In alcuni animali, come per esempio il lombrico, gli scambi gassosi avvengono a livello di tutta la superficie del corpo.

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Superficie corporea

Superficie respiratoria (branchia)

CapillariCO2

O2

Superficie corporea

Superficie respiratoria (trachee)

Cellule del corpo (le trachee non sono a contatto cono i capillari)

O2

CO2

Superficie corporea

Superficie respiratoria (all’interno del polmone)

Capillari

CO2 O2

CO2O2

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 l’aria e le cellule del corpo

• Negli animali terrestri gli scambi gassosi avvengono attraverso l’aria che viene respirata.

• Ciò comporta due grossi vantaggi:

– l’aria ha una concentrazione di O2 molto elevata

– è molto leggera e facile da spostare.

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Sacche aeree

Trachee

Stigma

LM

25

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Cellula del corpo

Tracheola

Sacca aerea

Trachea

Rivestimento esterno del corpoCO2O2

Gli insetti hanno un vasto sistema di tubi interni chiamati trachee con molteplici ramificazioni più strette, dette tracheole, che trasportano l’O2 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

O2

CO2

Polmone

Sistema circolatorio

2 Trasporto di gas tramite il sistema circolatorio

3 Scambi gassosi tra sangue e tessuti Capillari

Cellula

CO2

O2

Mitocondri

• Lo scambio di gas fornisce O2 per la respirazione cellulare e rimuove il suo principale prodotto di rifiuto, il CO2.

• Grazie all’O2, tutte le cellule del corpo possono ottenere energia dalle molecole degli alimenti che l’organismo ha digerito e assorbito.

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Le branchie sono organi specializzati per gli scambi gassosi nell’ambiente acquatico

• Le branchie sono estensioni, o ripiegamenti esterni, della superficie corporea che assorbono l’O2 disciolto nell’acqua.

• L’area della superficie respiratoria delle branchie dei pesci è molto più estesa rispetto al resto della superficie del corpo.

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Arco branchiale

Direzione del flusso dell’acqua

Arco branchiale

Vasi sanguigni

Filamenti branchiali

Sangue ricco di ossigeno

Sangue povero di ossigeno

Lamella

15%40%

70%

100% 60%

80%

30% 5%

% di O2 nell’acqua che fluisce sopra le lamelle % di O2 nel sangue che fluisce

attraverso i capillari all’interno 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 l’uno in senso opposto all’altra.

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 dell’animale 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 dell’animale (quindi al suo fabbisogno di ossigeno).

Il sistema respiratorio umano è costituito dalle vie respiratorie e dai polmoni

Nel sistema respiratorio umano l’aria è inalata attraverso le narici, passa attraverso la faringe e la laringe nella trachea, nei bronchi e nei bronchioli.

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(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.

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Col

oniz

zato

SE

M 6

200

Sangue ricco di ossigeno

Bronchiolo

Sangue povero di ossigeno

AlveoliCapillari sanguigni

17.7 Come avviene la ventilazione polmonare

• La respirazione polmonare è l’alternarsi di inspirazioni ed espirazioni.

• Grazie alla ventilazione dei nostri polmoni, sulla superficie di scambio dei gas respiratori viene mantenuta alta la concentrazione di O2 e bassa la concentrazione di CO2.

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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 EspirazioneFigura 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 dell’aria 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.

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Aria AriaSacche aeree anteriori

Sacche aeree posteriori

Trachea

Polmoni

Tubi dove passa l’aria

1 mmEspirazione:

Sacche aeree vuote; polmoni pieni d’aria

Inspirazione:sacche aeree

piene d’aria

Nel sistema respiratorio degli uccelli l’aria scorre in una sola direzione.

Il controllo della respirazione è involontario

I centri di controllo della respirazione, situati nell’encefalo, regolano il ritmo respiratorio in base alle esigenze dell’organismo e monitorando la concentrazione di CO2 nel sangue.

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Cervello

Liquido cerebrospinale

Ponte

Midollo allungato

Segnali nervosi che inducono la contrazione dei muscoli

Centri di controllo della respirazionestimolati da:

Aumento di CO2 =diminuzione del pH nel sangue

Segnale nervoso che rileva i livelli di CO2 e O2

Sensore per CO2 e O2 nell’aorta

Diaframma Muscoli intercostaliFigura 17.8

• Il principale segnale che indica un aumento della concentrazione di CO2 nel sangue è rappresentato da lievi cambiamenti nel pH del sangue e del liquido che bagna l’encefalo.

• Quando nel sangue aumenta la concentrazione di CO2, il pH diminuisce e aumentano il numero e la profondità degli atti respiratori.

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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 O2 e libera CO2.

• Una parte del cuore pompa il sangue ricco di ossigeno alle cellule del corpo dove libera O2 e lega CO2.

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Aria espirata Aria inspirata

Spazi alveolariCellule epiteliali degli alveoli

CO2 O2

CO 2 O2

Sangue povero di CO2 e ricco di O2

Sangue ricco di O2 e povero di CO2

Cuore

Capillari tessutaliCO

2

O 2

Liquido interstizialeCO2 O2

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.

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17.10 L’emoglobina contribuisce al trasporto di O2 e CO2 e a regolare il pH del sangue

L’emoglobina trasporta l’ossigeno (legandolo o rilasciandolo, a seconda della situazione), contribuisce al trasporto del diossido di carbonio nel sangue e regola il pH ematico, impedendone bruschi cambiamenti.

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Atomo di ferro

Gruppo eme

Ossigeno prelevato nei polmoni

Ossigeno liberato nei tessuti

Catena polipeptidicaFigura 17.10

• La maggior parte del CO2 nel sangue è trasportato nel plasma come ione bicarbonato.

• Il CO2 reagisce con l’acqua formando acido carbonico (H2CO3).

• Le molecole di H2CO3 si dissociano in ioni idrogeno e ioni bicarbonato.

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CO2 + H2O H2CO3H+ + HCO3

–

diossido di carbonio

acqua acido carbonico

ione idrogeno

ione bicarbonato

COLLEGAMENTI17.11 Gli scambi gassosi nel feto avvengono

attraverso la circolazione materna

Un feto umano scambia gas con il sangue materno attraverso la placenta.

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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 l’ossigeno dal sangue materno al feto prende il nome di emoglobina fetale.

• Alla nascita, l’aumento di CO2 nel sangue del bambino causa una drastica caduta del pH che stimola i centri di controllo della respirazione.

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COLLEGAMENTI17.12 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.

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Polmone

Cuore

Figura 17.12 – 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).