Tracce esame Biologia svolte

SISTEMA RESPIRATORIO

Il sistema respiratorio è l’insieme degli organi e delle strutture che permettono lo scambio gassoso

tra l’ambiente circostante e l’organismo umano e nei vertebrati terrestri si articola in vari passaggi:

la ventilazione suddivisa in inspirazione, ossia l’entrata di aria nei polmoni, e espirazione con

conseguente uscita d’aria; scambi esterni di gas fra l’aria ed il sangue nei polmoni e scambi interni

fra il sangue e il fluido tissutale.

La respirazione cellulare consente la rottura di molecole organiche finalizzate alla produzione di

ATP: per questo motivo occorre una quantità sufficiente di ossigeno affinché funzioni la

respirazione aerobica a livello dei mitocondri, necessaria per convertire l’energia immagazzinata

nelle molecole organiche in energia intrappolata in ATP. L’anidride carbonica, una molecola di

scarto rilasciata dalle cellule, è un prodotto collaterale della respirazione cellulare e deve essere

rimossa dalla cellula.

Negli animali invertebrati la respirazione varia a seconda dell’ambiente in cui vivono e del livello

evolutivo dell’organismo.

I poriferi, come le spugne, e gli cnidari come le meduse, mancano di un sistema respiratorio e gli

scambi gassosi avvengono per diffusione: essi hanno cavità comunicanti con l’esterno, attraverso

cui le singole cellule dell’organismo scambiano i gas con l’acqua. Tra i platelminti le planarie,

vermi acquatici di piccole dimensioni, respirano attraverso la pelle.

Lo stesso accade per gli anellidi come i lombrichi: sono animali terrestri, ma la loro pelle è

mantenuta umida da un velo d’acqua, in cui l’ossigeno e l’anidride carbonica si sciolgono

facilmente. Dunque all’interno di essi gli scambi gassosi avvengono a livello della superficie del

corpo, ricca di capillari sanguigni.

Per quanto riguarda gli insetti, mentre l’uomo ha una trachea, questi ne hanno molte: esse sono

piccoli tubi aerei supportati da anelli si chitina che si ramificano in tutte le parti del corpo. Il sistema

tracheale inizia con gli spiracoli e termina in tuboli molto sottili riempiti di fluido. La ventilazione è

aiutata dalla presenza di sacchi aerei che consentono all’aria di circolare nel corpo.

I vertebrati terrestri hanno organi respiratori simili all’uomo: i polmoni si comprimono e si

espandono per azione del diaframma e dei muscoli intercostali, come nel caso dei molluschi

terrestri, degli anfibi con i loro polmoni a sacchetto o ai ragni che presentano i cosiddetti polmoni a

libretto. Negli uccelli l’apparato respiratorio ha una struttura particolare ed è più efficiente che nei

mammiferi: mentre in questi ultimi l’aria entra e esce seguendo lo stesso percorso, negli uccelli si

può osservare un meccanismo ventilatorio a senso unico.

I crostacei e i pesci utilizzano le branchie per gli scambi gassosi: esse sono formate da una serie di

estroflessioni riccamente vascolarizzate sulle quali scorre continuamente l’acqua. In alcuni animali,

le branchie sono poste esternamente al corpo e quindi facilmente danneggiabili. In altri organismi,

sono chiuse in una cavità delimitata da membrana (opercolo). L’acqua entra dalla cavità boccale e

arriva alle branchie, poi fuoriesce attraverso l’opercolo. Le lamelle branchiali sono percorse da 2

capillari. Uno porta il sangue poco ossigenato, l’altro allontana il sangue ossigenato dalla branchia.

Lo scambio di gas avviene attraverso un meccanismo chiamato flusso in controcorrente.

Nell’uomo il sistema respiratorio include tutte le strutture che conducono l’aria verso i polmoni:

man mano che l’aria si sposta lungo il tratto respiratorio, essa viene filtrata e riscaldata per arrivare

alla giusta temperatura nei polmoni. In particolare, nel tratto respiratorio si distinguere porzione

superiore e una inferiore. Nella prima sono presenti le cavità nasali, della faringe e della laringe. Il

naso è la sola porzione esterna del sistema respiratorio in cui sono presenti sia peli e ciglia,

indispensabili per filtrare particelle di polvere e altre impurità presenti nell’aria prima che possano

raggiungere le vie respiratorie inferiori, sia le cavità nasali, ossia canali separati tra loro da un setto

composto da osso e cartilagine. Le cavità nasali comunicano con i seni nasali, cioè spazi d’aria che

riducono il peso del cranio e agiscono da cassa di risonanza per la voce, e sono separate dalla bocca

grazie al palato che a sua volta si divide in duro, nella parte anteriore, e molle in quella posteriore.

La faringe è un passaggio a forma di imbuto che connette le cavità nasali e la bocca alla laringe: il

suo attraversamento è reso possibile mediante la glottide, alle cui estremità sono presenti le corde

vocali. La laringe è sempre aperta perché è formata da una serie di cartilagini tra le quali c'è anche

quella nota come pomo di Adamo.

Il tratto respiratorio inferiore contiene trachea, bronchi e bronchioli. La trachea è un tubo che

connette la laringe ai bronchi e si divide in due bronchi primari che entrano nei polmoni destro e

sinistro. La bronchite è un’infezione dei bronchi e si manifesta quando una tosse leggera si

trasforma in forte e persistente, producendo muco e a volte pus. Nei fumatori la tosse persistente è

indice di bronchite e tratto respiratorio irritato. I bronchi sono rivestiti da un epitelio ciliato ricco di

cellule specializzate che secernono anche muco e a loro volta si ramificano fino a formare una serie

di condotti più piccoli, detti bronchioli. Ciascun bronchiolo termina in uno spazio allungato

racchiuso da un gran numero di piccole tasche, chiamate alveoli, i quali formano i polmoni.

Nell’uomo, il diaframma è una membrana muscolare che divide la cavità toracica da quella

addominale. Quando si respira, il volume della cavità toracica e dei polmoni aumenta grazie a

contrazioni muscolari, le quali abbassano il diaframma e sollevano le coste. Anche i rettili respirano

in questo modo, anche se mancano del diaframma. Questi movimenti creano una pressione nella

cavità toracica dei polmoni permettendo all’aria di fluire nei polmoni, attraverso un processo detto

inspirazione. Quando invece i muscoli delle coste e del diaframma si rilassano, i polmoni si

restringono e l’aria esce come effetto dell’aumentata pressione nei polmoni, mediante un processo

detto espirazione. Nei mammiferi e nella maggior parte dei rettili, l’aria entra ed esce mediante lo

stesso percorso, mentre invece gli uccelli usano un meccanismo ventilatorio a senso unico.

I polmoni dell’uomo sono contenuti nella gabbia toracica e poggiano sul diaframma. Sono rivestiti

da una membrana sierosa, detta pleura, costituita da due foglietti separati dal liquido pleurico che ne

facilita lo scorrimento mediante la respirazione. I polmoni sono spugnosi, in quanto costituti da da

milioni di piccole sacche piene d’aria disposte a grappolo, detti alveoli, al cui interno avvengono gli

scambi gassosi. Il sangue dei capillari è separato dall’aria degli alveoli solo dalla parete del capillare

e dalle cellule epiteliali mono stratificate. L’ossigeno si diffonde dagli alveoli al sangue e l’anidride

carbonica segue il percorso inverso.

L'anidride carbonica entra nel sangue durante lo scambio interno perché il fluido tissutale ha sempre

una concentrazione più elevata di anidride carbonica. Essa è legata dai globuli rossi o si scioglie in

acqua e forma acido carbonico che si divide in H+ e ioni bicarbonato. Nei polmoni gli ioni H+ si

uniscono agli ioni bicarbonato per formare acido carbonico e poi si scinde in acqua e anidride

carbonica. L’emoglobina umana è costituita da quattro catene amminoacidiche, ciascuna capace di

legare una molecola di ossigeno. Ogni globulo rosso contiene circa 250 milioni di molecole di

emoglobina e può dunque trasportare un miliardo di molecole di ossigeno.

Il centro respiratorio del cervello regola la frequenza del respiro controllando le contrazioni dei

muscoli della gabbia toracica e del diaframma. Quando la concentrazione di CO2 aumenta, aumenta

anche la frequenza del respiro per abbassare la concentrazione di CO2 (sotto forma di ioni

bicarbonato) nel sangue. Lo stesso avviene quando scende la concentrazione di O2.

ATTIVITA’ UOMO:

Il docente può proporre a una classe quarta della scuola primaria un’attività mirata a comprendere il

funzionamento dei polmoni, ossia i due principali organi del sistema respiratorio che da un lato

forniscono ossigeno all’organismo, dall’altro eliminano l’anidride carbonica dal sangue.

Prima di passare all’attività vera e propria, è bene che gli studenti siano preparati ad affrontare

l’argomento con le giuste basi teoriche: il docente può introdurre il sistema respiratorio dell’uomo

partendo da un’analogia che permetta di comprendere più da vicino il funzionamento dei polmoni.

Così come, quando soffiamo in un palloncino, questo si gonfia perché l’aria ne aumenta il suo

volume, allo stesso modo anche i polmoni si dilatano durante la fase di inspirazione, a seguito

dell’ingresso di aria al loro interno. Al contrario, se il palloncino viene lasciato aperto, tenderà a

sgonfiarsi, proprio come i polmoni si svuotano durante la fase di espirazione.

Tutto questo avviene grazie al diaframma, ossia il muscolo più importante della respirazione

polmonare che durante l’inspirazione si contrae e si abbassa, permettendo ai polmoni di riempirsi

d’aria e alla pancia di sgonfiarsi; al contrario nell’espirazione, esso risale in superficie, dando modo

ai polmoni di svuotarsi.

Tale parallelismo consente di visualizzare in modo intuitivo l’importanza dei polmoni all’interno

del sistema respiratorio, partendo proprio da un esempio concreto. Il palloncino infatti non si gonfia

da solo, ma necessita di una persona che soffia al suo interno, proprio come i polmoni richiedono

l’azione del diaframma, che regola la pressione della gabbia toracica e consente il passaggio

dell’aria al loro interno.

Per mostrare concretamente questo meccanismo, la maestra può effettuare in classe un piccolo

esperimento, con dei materiali che si possono portare da casa. Occorrerà una bottiglia di plastica

che rappresenterà la gabbia toracica, un guanto di plastica che fungerà da diaframma e un

palloncino che simulerà i polmoni.

La maestra, dopo aver coperto l’estremità della bottiglia di plastica con il guanto, andrà a inserire il

palloncino chiudendo la sua imboccatura. A questo punto se si prova a tirare il guanto verso il

basso, il palloncino si gonfierà, proprio come avviene nella gabbia toracica quando il diaframma,

contraendosi, si abbassa; allo stesso tempo il volume della gabbia toracica aumenta, la pressione

diminuisce e i polmoni, elastici come il palloncino, si dilatano, permettendo l'inspirazione dell’aria.

Se al contrario, si solleva il guanto verso l’alto, il palloncino si sgonfierà e l’aria uscirà, così come

avviene durante l’espirazione.

Tuttavia, l’aria per giungere nei polmoni compie un lungo tragitto, in quanto parte dal naso, ossia la

sola porzione esterna del sistema respiratorio che grazie alla presenza di peli e ciglia filtra le

particelle di polvere e altre impurità presenti nell’aria; prosegue lungo la faringe e laringe per poi

giungere nella trachea, la quale si divide in due bronchi principali, ramificati nei bronchioli. A

questo punto l’aria giunge negli alveoli polmonari, ossia minuscole sacche dove avviene lo scambio

di ossigeno e anidride carbonica con il sangue.

Per comprendere più da vicino questo percorso, la maestra può realizzare su un cartone la sagoma

dell’uomo dalla testa fino ai polmoni, all’interno della quale inserire delle targhette colorate che

aiuteranno a visionare meglio le parti che compongono il sistema respiratorio. Aiutandosi con la

sagoma realizzata, la maestra andrà ad indicare tutte le tappe che l’aria compie prima di giungere

nei polmoni. A turno ogni bambino potrà con il proprio dito seguire il percorso e comprendere più

da vicino il funzionamento del sistema respiratorio.

Al termine dell’attività il docente può far realizzare un cartellone alla classe nel quale riprodurre

nuovamente il percorso compiuto dall’aria e il modo in cui funzionano i polmoni. Questo potrà poi

essere appeso nelle pareti dell’aula per essere continuamente visionato, in modo tale da riportare

alla mente l’attività eseguita.

In questo modo, tenendo conto di quanto presente nelle Indicazioni Nazionali, costruendo un

modello in grado di riprodurre il modo in cui un organo lavora, si può osservare e prestare

attenzione al funzionamento del proprio corpo, per riconoscerlo come organismo complesso.

Tra i traguardi più importanti si può citare quello legato al riconoscimento nel proprio organismo di

strutture e funzionamenti, che permette di diventare consapevoli delle proprie potenzialità e limiti.

L’osservazione dei fatti e lo spirito di ricerca permettono sia di rendere efficace l’insegnamento sia

di coinvolgere direttamente gli alunni che devono essere incoraggiati a porre domande su quanto si

sta sperimentando affinché un concetto possa essere pienamente compreso.

ATTIVITA’ ANIMALE:

Il docente può proporre a una classe quarta della scuola primaria un’attività mirata a comprendere il

funzionamento del sistema respiratorio nei vari organismi viventi, il quale si diversifica in base al

proprio livello evolutivo e habitat.

Prima di passare all’attività vera e propria, è bene che gli studenti siano preparati ad affrontare

l’argomento con le giuste basi teoriche: è compito del docente introdurre teoricamente il modo in

cui l’aria circola nelle strutture corporee dei diversi esseri viventi, individuando sei macro categorie.

Per primi si andranno a citare quegli organismi il cui sistema risulta essere piuttosto semplice, come

nel caso delle spugne e delle meduse (poriferi e cnidari), i quali non hanno un vero e proprio

sistema respiratorio: in questo caso l’ossigeno, assorbito attraverso la superficie del corpo, si

diffonde al suo interno per arrivare a tutte le cellule. Si passa poi alle cavallette (artropodi) che

respirano con delle trachee, ossia dei piccoli canali diffusi in tutto il corpo che portano l’aria a

contatto con le cellule. Nei lombrichi (anellidi) invece manca un vero e proprio apparato

respiratorio specializzato, in quanto gli scambi di ossigeno avvengono attraverso la pelle che è

mantenuta umida da un velo d’acqua.

Un caso simile riguarda gli anfibi che a seguito del processo di metamorfosi, presentano sia una

respirazione polmonare, grazie alla formazione di veri e propri polmoni, sia una respirazione

tegumentale, che avviene direttamente attraverso la pelle. Si prosegue con i pesci, dotati di

branchie, localizzate ai lati della faringe ed infine gli uccelli nei quali l’aria fluisce in un ciclo

unidirezionale a differenza dell’uomo, dove l'aria entra e esce dai polmoni.

Affinché questi concetti teorici possano essere compresi con più facilità dagli studenti, il docente

può proporre un'alternativa del gioco “memory” che consiste in una serie di carte illustrate da

posizionare a testa in giù su un tavolo. In totale si avranno a disposizione 12 carte: sei illustreranno

l’animale (spugne, cavallette, lombrichi, pesci, rane e uccelli) mentre le altre il rispettivo sistema

respiratorio. Il gioco prevede che, ad esempio, alla carta raffigurante una cavalletta il bambino

dovrà associare quella dove sono disegnate delle trachee, ai pesci quella rappresentante delle

branchie, ai lombrichi quella indicante la pelle e così via per tutti gli altri esseri viventi che sono

stati approfonditi in classe. Dunque, l’obiettivo è far corrispondere a ciascun organismo il rispettivo

sistema respiratorio.

I bambini, divisi in due gruppi così da poter formare due distinte squadre, a turno andranno a

scoprire due carte alla volta, cercando di memorizzarle e di abbinarle alla propria coppia. Se

l’abbinamento è corretto, le due carte potranno essere rimosse, altrimenti le si rigireranno e si

lascerà spazio all’altra squadra che cercherà di trovare la coppia corretta. Vince quindi la squadra

che riuscirà a terminare per prima tutti gli abbinamenti.

Al termine dell’attività, la maestra farà realizzare agli studenti un cartellone in cui inserire le sei

macro categorie di organismi viventi e il modo in cui il proprio sistema respiratorio si articola,

riassumendo le differenze di ciascuno per averle bene impresse.

Successivamente il cartellone potrà essere appeso nelle pareti dell’aula, in modo tale che i bambini

possano continuamente visionarlo.

Così facendo, grazie a questa attività, gli studenti hanno stimolato la memoria di lavoro, ossia la

capacità di mantenere attiva l’informazione nella propria mente per un breve periodo di tempo,

fondamentale per la risoluzione di problemi, l’apprendimento e la comunicazione. Al tempo stesso

hanno anche migliorato la capacità di socializzazione e collaborazione, in quanto giocando a

squadre è essenziale mettere assieme le proprie informazioni, confrontandosi sulle carte visionate.

In questo modo, divertendosi e utilizzando del materiale semplice da reperire, sono stati compresi

concetti teorici di una certa complessità e, tenendo conto di quanto presente nelle Indicazioni

Nazionali, si può sottolineare che gli studenti abbiano acquisito la capacità di riconoscere e

classificare organismi viventi con bisogni e funzionalità analoghe rispetto alle proprie.

Tra i traguardi più importanti si può citare quello legato alla comprensione della complessità del

sistema dei viventi, che porta gli studenti a diventare più consapevoli delle loro d