Meccanismi e strutture della respirazione negli animali e nell'uomo

Il ruolo della respirazione

Negli animali la respirazione contribuisce all’omeostasi assicurando all’organismo il rifornimento di ossigeno dall’esterno e l’eliminazione dell’anidride carbonica.

Scambi gassosi negli animali

L’ossigeno e l’anidride passano attraverso le membrane plasmatiche per diffusione semplice, secondo gradiente. L’ossigeno intracellulare è infatti sempre meno concentrato che all’esterno, in quanto è consumato dalla respirazione (e trasformato in acqua) e tende quindi ad entrate, mentre l’anidride è sempre più concentrata in quanto prodotta come rifiuto dalla respirazione e tende ad uscire.

Organi respiratori specializzati

Questi scambi per diffusione sono lenti e se per animali di piccola taglia (lombrico) risultano sufficienti, negli animali di maggiori dimensioni, in quanto il rapporto superficie volume è insufficiente, l’epidermide è troppo spessa, sono presente organi respiratori specializzati:

1) Le branche per gli animali acquatici: strutture formate da estroflessioni dell’epidermide (esterne negli anfibi o interne nei pesci), molto vascolarizzate offrono un’ampia superficie di scambio per l’ossigeno contenuto nell’acqua.

2) Le trachee, tipiche degli insetti e degli artropodi, in cui l’aria entra tramite pori specializzati (stigmi p spiracoli) che si ramificano in tubuli che penetrano in profondità portandovi direttamente l’ossigeno che entra nei tessuti per diffusione.

3) I polmoni, organi dei vertebrati. Sono interni al corpo e sono costituiti da estroflessioni sacciformi della faringe. Tutti gli animali che li possiedono, hanno vie aeree per il trasporto dell’aria dall’esterno agli organi respiratori e vasi associati ad essi.

Caratteristiche delle superfici di scambio

Le superfici di scambio devono essere:

1) Ampie: in quanto la diffusione è un processo lento. Spesso questi organi hanno superficie ampia in un volume ristretto. Maggiore è la superficie di scambio, maggiore è il volume di gas scambiato.

2) Umide: i gas possono diffondere attraverso le membrane se sono disciolti in acqua. Per questo le superfici devono essere umide. Per gli animali acquatici non è un problema mantenere umide le branchie. Gli animali terrestri hanno bisogno di alcuni adattamenti: le superfici di scambio sono contenute all’interno del corpo e collegate all’esterno attraverso canali; all’interno di questi l’aria è mantenuta umida in modo che una sottile pellicola d’acqua ricopra sempre la superficie. Quest’acqua è però persa a ogni espirazione.

Ventilazione e sistema circolatorio

3) Ventilate: la diffusione è più veloce quando il gradiente di concentrazione tra i due lati della superficie è molto differente, ovvero quando l’ossigeno e l’anidride hanno un gradiente molto concentrato. Per questo ha luogo un costante ricambio d’aria e d’acqua che innalza il livello d’ossigeno, aumentandone la diffusione verso l’interno, e diminuisce l’anidride, facilitandone l’uscita. Questo movimento d’acqua e aria è detto ventilazione, senza la quale ossigeno e anidride si distribuirebbero equamente sui due lati arrestando la diffusione. Gli animali effettuano questa ventilazione muovendosi attraverso l’aria o l’acqua circostante, lontano da dove hanno prelevato ossigeno e scaricato anidride (pochi animali) oppure facendo scorrere l’acqua o l’aria circostanti sule loro superfici di scambio.

4) Collegate a un sistema circolatorio: (eccetto trachee degli insetti) in quanto la diffusione è usata solo per il movimento su brevi distanze (apparato circolatorio che trasporti i gas in tutti i distretti. Alcuni vasi sono vicini alla superficie di scambio: in questi viene diffuso l’ossigeno (dall’acqua o dall’aria) e da questi è prelevata l’anidride (che termina nell’acqua o nell’aria): il sangue ricco di ossigeno e povero di anidride è trasportato a tutte le cellule, dove l’ossigeno si diffonde nelle cellule e l’anidride si diffonde dalle cellule al sangue.

Struttura dell'apparato respiratorio umano

L’apparato respiratorio umano è costituito da un gruppo di organi che operano coordinati per portare ossigeno nel corpo e eliminare anidride; è formato da: naso, faringe, laringe, trachea, bronchi, bronchioli, polmoni, membrane pleuriche, diaframma e gabbia toracica. Faringe, laringe, trachea e bronchi formano le vie aeree: il tessuto epiteliale che le forma modifica la composizione dell’aria introdotta rendendola più adatta agli scambi. Alcune cellule di queste secernono muco che intrappola le particelle estranee, spinte dalle ciglia che ricoprono altre cellule verso la faringe, dove sono inghiottite.

Funzionamento delle vie aeree

L’aria entra ed esce tramite il naso o la bocca. A riposo i mammiferi respirano col naso che modifica anche l’aria introdotta. Nel naso l’aria è pulita, umidificata e riscaldata. Le narici a tal scopo sono rivestite di peli che filtrano l’aria; le cavità interne del naso sono ricoperte da muco e ciglia per ripulire l’aria in entrata. L’aria è umidificata tramite l’evaporazione dell’acqua dal muco e riscaldata grazie al suo passaggio vicino al sangue contenuto nei vasi del naso. La faringe o gola è comune all’apparato digerente e collega il naso alla laringe e all’esofago. Durante la deglutizione il cibo non entra nella laringe grazie a un membro di cartilagine, l’epiglottide chiude l’apertura della laringe impedendo che il bolo passi. Mentre si deglutisce il cibo non entra nel naso grazie al palato molle che chiude le vie nasali. La laringe collega la faringe alla trachea. Essa contiene l’organo della fonazione formato da due pieghe della sua parete, dette corde vocali. Esse possono contrarsi dando origine ai suoni. La trachea raccoglie l’aria riscaldata, umidificata e ripulita. Essa è un tubo rigido formato da tessuto epiteliale del rivestimento interno e da tessuto muscolare liscio, che permette cambiamenti di diametro, e anelli di cartilagine, che ne consentono l’apertura. Anche le pareti della trachea sono coperte da ciglia e muco che trasportano i materiali estranei verso la faringe: la tosse rimuove il muco in eccesso; durante la tosse l’epiglottide si chiude sopra la laringe e si ha un’espirazione rapida e forzata, innescata da contrazioni dei muscolo addominali. L’epiglottide si pare improvvisamente e un getto d’aria passa dai polmoni alla trachea.

Struttura e funzione dei polmoni

La trachea si divide in due bronchi le cui pareti sono formate da tessuto epiteliale (ciglia e muco), tessuto muscolare liscio e cartilagine (meno rispetto alla trachea). Ogni bronco entra in un polmone dove si ramifica in diramazioni sempre più piccole, i bronchioli. I polmoni sono organi a forma conica di aspetto spugnoso alloggiati nella cavità toracica e circondati dalla gabbia toracica. Il destro è diviso in tre sezioni, dette lobi polmonari, mentre il sinistro ne ha solo due per lasciare spazio al cuore. Le estremità dei bronchioli formano dei rigonfiamenti, gli alveoli polmonari che rappresentano le superfici minuscole dove avviene lo scambio gassoso. Questi sono formati da tessuto epiteliale, le cui cellule sono sostenute da fibre elastiche proteiche in grado di allungarsi e accorciarsi permettendo ai polmoni di modificare le loro dimensioni e inspirare o espirare l’aria. I polmoni contengono 300 milioni di alveoli, ricoperti da una fitta rete di capillari in cui scorre sangue pompato dal ventricolo destro del cuore. Il sangue, dopo essersi caricato di ossigeno e dopo aver scaricato l’anidride, ritorna al cuore tramite le vene polmonari. Le pareti dei capillari e quelle degli alveoli sono tanto sottili da permette lo scambio di gas per diffusione, facilitato anche dall’immensa area superficiale dei polmoni e dall’estesa rete capillare. Gli alveoli sono umidificati da una sottile pellicola di liquido contenente un surfacente, una sostanza tensioattiva che impedisce alle superfici umide di incollarsi fra loro. I polmoni sono molto delicati: la loro localizzazione li protegge.

Meccanismo della respirazione

I polmoni sono ventilati tramite la respirazione che permette uscita e entrata di aria: l’inspirazione si ha 10-14 volte al minuto, dopo di essa si ha l’espirazione. Quando la cavità toracica si allarga i polmoni si riempiono e si espandono, in quando aderiscono alla parete toracica grazie a due membrane di tessuto connettivo , le pleure, una aderente al polmone e l’altra alla cavità toracica. Tra le due membrane c’è uno strato liquido che riduce l’attrito e facilita il loro scorrimento reciproco durante i movimenti. Nell’inspirazione sono coinvolti il diaframma che si abbassa (lamina muscolare a forma di cupola che separa la cavità toracica dalla cavità addominale) e i muscoli intercostali che sollevano le costole durante l’inspirazione, provocando una depressione intratoracica che garantisce il flusso d’aria ai polmoni. L’espirazione è passiva, dove si rilassano diaframma e muscoli intercostali: solo negli sforzi fisici anche nell’espirazione sono coinvolti i muscoli addominali e intercostali. La respirazione normale è involontaria; tuttavia è possibile in certi limiti controllare il ritmo volontariamente: senza questo controllo non parleremmo o nuoteremmo.

Controllo del ritmo respiratorio

Il ritmo respiratorio è controllato dai neuroni che costituiscono il centro della respirazione situato nel midollo allungato, nell’encefalo. Il centro determina automaticamente il ritmo di base inviando comandi ai muscoli del diaframma e della gabbia. L’attività del centro è depressa dai barbiturici e dalla morfina, contro i quali non c’è antidoto. Il centro della respirazione abbassa la frequenza respiratoria durante il sonno e la innalza nell’esercizio fisico, durante la febbre o in caso di fattori emotivi. Il centro tiene sotto controllo le variazioni della concentrazione dell’anidride carbonica nel sangue, rilevate da recettori situati nelle carotidi, ai lati del collo o nell’aorta. Quando la concentrazione di CO2 aumenta il centro fa aumentare la respirazione. I neuroni del centro sono sensibili anche a messaggi inviati tramite il nervo vago da recettori di tensione (barocettori) situati nei polmoni. Questi rivelano le variazioni di stiramento dei polmoni e comunicano l’informazione al centro che reagisce mandando impulsi ai muscoli responsabili delle variazioni di volume della cavità toracica.