Unità Gli scambi gassosi 10 - marcantonio224 · La respirazione polmonare è l’atto respiratorio...
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Gli scambi gassosi Unità 10
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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
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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
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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
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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?
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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
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Piano di sezione
CO2
O2
Sezione
trasversale
della superficie
respiratoria
(la cuticola che
riveste il corpo)
Capillari
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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)
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CO2
O2
Capillare
Superficie corporea
Superficie
respiratoria
(branchie)
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CO2 O2
Superficie
corporea
Capillari
Superficie
respiratoria
(polmoni)
O2 CO2
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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?
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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
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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
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Trachee
Sacche aeree
Apertura per l’aria
Cellula del corpo
Tracheola Sacca aerea
Trachea
Parete del corpo CO2 O2
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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?
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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
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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
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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
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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
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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
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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?
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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
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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?
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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
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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
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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?
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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
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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
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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)
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Polmone sinistro
Faringe
Laringe
Trachea
Polmone destro
Bronco
Bronchiolo
Diaframma
(Cuore)
(Esofago)
Cavità nasale
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Sangue
ricco di
ossigeno
Bronchiolo
Alveoli
Sangue
ricco
di ossigeno
Capillari sanguigni
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36
SEM 250x
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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
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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?
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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
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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
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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
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COLLEGAMENTO salute
Po
lmo
ne
Cu
ore
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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?
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Lezione 2
IL TRASPORTO DI GAS NEL CORPO UMANO
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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
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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
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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
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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
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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?
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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
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O2 caricato
nei polmoni
O2 liberato
nei tessuti
Atomo di ferro
Catena polipeptidica
Gruppo eme
O2
O2
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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
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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?
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