Appunti di Biologia animale

Fisiologia: omeostasi e termoregolazione

Tutte le cellule animali devono ottenere i nutrienti e l’ossigeno dall’ambiente esterno e hanno bisogno di eliminare il diossido di carbonio e gli scarti metabolici. Le cellule degli animali pluricellulari sono immerse in un ambiente interno di liquido extracellulare. Di questo liquido (14 litri) circa il 20% è costituito dal plasma nel sistema circolatorio, il restante 80% costituisce il liquido interstiziale, che bagna tutte le cellule del corpo. In questo liquido le cellule immettono gli scarti e ottengono i nutrienti. È grazie all’ambiente interno stabile che le cellule possono svolgere le loro funzioni e sopravvivere anche in condizioni che all’esterno le farebbero morire.

Omeostasi

Gli organismi devono mantenere il loro ambiente interno in uno stato di omeostasi (stretto ambito di condizioni fisiche e biochimiche che quando viene compromesso danneggia le cellule). Le attività fisiologiche sono controllate dal sistema nervoso o dall’endocrino grazie a delle informazioni feedback prima ricevute dai sensori. Sono detti effettori i componenti dei sistemi fisiologici che effettuano un cambiamento, sono controllati da sistemi regolatori.

Si dice feedback negativo l’informazione usata per contrastare un errore. Si dice feedback positivo quando viene amplificata una risposta, quindi viene favorito un allontanamento dal valore di riferimento. È anche possibile cambiare il valore di riferimento prima che effettivamente cambino le condizioni, grazie a una informazione anticipatoria.

Tessuti e sistemi

Ogni sistema è formato da organi, a loro volta formati da tessuti, formati da cellule di vario tipo ma con funzioni convergenti.

Il tessuto epiteliale è formato da lamine cellulari e segna il confine tra ambiente esterno e interno o tra compartimenti diversi del corpo. Possono trasportare attivamente e selettivamente ioni e molecole da un versante all’altro. Le cellule epiteliali possono svolgere attività specifiche come secernere latte, muco, sudore, enzimi, o captare la presenza di specifiche sostanze chimiche.

I tessuti muscolari sono composti da cellule che possono ospitare lunghi filamenti di actina e miosina che inducono la contrazione muscolare. Ne esistono di 3 tipi:

• Il muscolo scheletrico è responsabile della locomozione e dei movimenti corporei
• Il muscolo cardiaco forma il cuore
• Il muscolo liscio forma la parete di molti organi interni

I tessuti connettivi sono formati solitamente da cellule che sono immerse in una matrice extracellulare secreta dalle cellule stesse. Di solito questa matrice è composta da fibre proteiche, come il collagene. Sono tessuti connettivi:

• Cartilagine e osso che conferiscono supporto strutturale
• Sangue in cui il plasma è la matrice
• Cellule adipose che formano un tessuto poco compatto che immagazzina i lipidi, come energia, come ammortizzatore, e come barriera contro le perdite di calore

Il tessuto nervoso è formato da neuroni e cellule gliali che supportano i neuroni che devono trasmettere informazioni sotto forma di impulsi elettrici.

Controllo della temperatura

Le cellule possono vivere a una temperatura compresa tra 0°C e 45°C; per questo gli animali hanno adattamenti termoregolatori che garantiscono una certa tolleranza termica. I processi fisiologici sono sensibili alla temperatura e questa sensibilità è indicata con Q₁₀. Se la reazione è insensibile alla temperatura sarà =1. La temperatura corporea di alcuni animali è però legata alla temperatura esterna, cioè i processi sono acclimatati, questo è possibile grazie alla presenza di isoenzimi per una stessa reazione.

Gli animali si dividono in ectotermi se la temperatura è fortemente influenzata dall’ambiente. Endotermi sono quelli che producono calore metabolico. È possibile determinare il tasso metabolico di un animale misurando la quantità di ossigeno consumata o di anidride carbonica prodotta. In un certo range di temperature, detta zona termoneutra, i tassi metabolici sono indipendenti dalla temperatura e, anche a riposo, il tasso viene detto tasso metabolico basale (TMB). Con l’aumentare delle dimensioni il TMB non aumenta proporzionalmente, perché diminuisce il rapporto superficie-volume e quindi la dispersione di calore.

Termoregolazione nei mammiferi

Nei mammiferi il principale centro termoregolatore è nell’ipotalamo. Ed è la stessa temperatura dell’ipotalamo a funzionare da feedback. Alcuni animali possono andare in ibernazione o letargo, cioè ipotermia regolata protratta.

Sistema nervoso

Il sistema nervoso codifica, elabora, immagazzina un’ampia varietà di informazioni, e le utilizza per controllare e regolare i processi fisiologici dell’organismo. Possiede 2 tipi di cellule esclusive:

• Neuroni, o cellule nervose
• Glia, o cellule gliali

I neuroni sono composti da un corpo cellulare che ospita nucleo e gran parte degli organuli. Da questo possono emergere proiezioni cespugliose dette dendriti, che conducono l’info da altre cellule nervose o da cellule sensoriali. Una proiezione può essere più lunga delle altre e viene detta assone, che conduce i potenziali d’azione dalla cellula che li ha generati (cellula presinaptica) alla cellula ricevente (cellula postsinaptica). All’estremità l’assone si ramifica, e dà luogo a terminazioni sinaptiche.

I potenziali d’azione si propagano a una velocità di 100 m/s da una cellula all’altra grazie alle sinapsi chimiche o elettriche: il potenziale si trasmette grazie alla liberazione di neurotrasmettitori che diffondono attraverso la fessura sinaptica e vengono riconosciuti dalla membrana plasmatica della cellula successiva.

Le cellule gliali sono prevalentemente silenti anche se più numerose dei neuroni. Quelle nell’encefalo e nel midollo spinale sono dette oligodendrociti e avvolgono gli assoni di membrane concentriche isolanti. Se all’esterno dell’encefalo sono dette cellule di Schwann, si avvolgono attorno agli assoni. Questi rivestimenti costituiscono la mielina, che fornisce anche un aspetto biancastro e lucido. Cellule dette astrociti contribuiscono alla formazione della barriera emato-encefalica che protegge l’encefalo dall’attacco di sostanze tossiche presenti nel sangue (è permeabile a sostanze liposolubili). Ci sono altre cellule dette microglia, che si trovano all’interno dell’encefalo e del midollo e svolgono la funzione di macrofagi e mediatori delle risposte immunitarie (impedite agli altri dalla barriera emato-encefalica).

Attraverso la membrana plasmatica esiste una differenza di carica elettrica che rende l’interno della cellula più negativo dell’esterno. Questo è possibile grazie a dei canali permeabili agli ioni K⁺, canali di dispersione. Si ha quindi un potenziale di membrana (potenziale di riposo -70 mV).

Uno dei trasportatori di ioni è la pompa sodio-potassio che espelle attivamente ioni Na⁺ dalla cellula scambiandoli con ioni K⁺. Mantiene così la concentrazione di ioni K⁺ maggiore internamente. Quando l’interno di un neurone diventa più positivo, si dice che la sua membrana è depolarizzata, se invece diventa più negativo si dice iperpolarizzata.

I segnali vengono trasmessi lungo gli assoni senza perdita di segnale più velocemente in quelli più spessi. Ancora più veloce è la trasmissione con assoni mielinici. In questi assoni ci sono delle zone dette nodi di Ranvier in corrispondenza dei quali non c’è mielina e quindi ci sono canali. Gli ioni così non possono rientrare al canale subito dopo e continuare la catena ma sono obbligati a saltare a uno del successivo nodo di Ranvier, accelerando così il potenziale d’azione.

Le comunicazioni tra neuroni avvengono a livello delle sinapsi: in quelle elettriche il segnale viene trasmesso direttamente da una cellula all’altra; in quelle chimiche vengono liberati neurotrasmettitori. Ogni bottone sinaptico termina con una struttura a forma di bottone, che ospita vescicole contenenti neurotrasmettitori, che vengono liberati quando la vescicola si fonde con la membrana plasmatica. La membrana postsinaptica appare con depressioni nella quale si inseriscono i ricettori e i canali. Poco dopo la liberazione del neurotrasmettitore questo va rimosso dalla fessura sinaptica per evitare che vada a iperpolarizzare la membrana, può essere quindi distrutto o riassorbito per trasporto attivo.

I neuroni sono organizzati in reti neuronali e possono essere di 3 tipi:

• Afferenti, se conducono da cellule sensoriali al sistema nervoso
• Efferenti, se trasmettono comandi dal sistema centrale a effettori
• Interneuroni, se integrano e immagazzinano

Riflesso patellare e organizzazione del sistema nervoso

I gangli sono neuroni organizzati in gruppi, e possono essere distribuiti in varie parti del corpo come nel caso del lombrico e del calamaro. Spesso negli animali bilateri sono in coppia e negli animali più sviluppati possono essere più grandi e concentrati nell’estremità anteriore a formare un encefalo.

Riflesso patellare

Nel midollo spinale umano possiamo riconoscere un’area grigia centrale (corpi cellulari dei neuroni) e un’area bianca (assoni mielinizzati). La conversione da informazione afferente a efferente che ha luogo a livello del midollo senza la partecipazione dell’encefalo è detta riflesso spinale. Il riflesso pattinare ne è un esempio: il martelletto stira il tendine, che allunga le fibre muscolari della coscia, queste generano un potenziale d’azione che viene mandato al midollo spinale. Qui c’è una sinapsi con un motoneurone, il cui assone si trova nel muscolo stirato, inducendo così la contrazione.

Organizzazione del sistema nervoso dei mammiferi

L’encefalo e il midollo spinale costituiscono il sistema nervoso centrale (SNC) mentre i nervi che collegano il SNC con i tessuti e i ricettori del corpo corrispondono al sistema nervoso periferico (SNP). La porzione afferente del SNP conduce l’informazione dalle cellule recettoriali al SNC. La porzione efferente del SNP trasmette l’informazione dal SNC ai muscoli e alle ghiandole.

Durante le prime fasi di sviluppo embrionale si forma un cordone di tessuto neurale, che in corrispondenza della sua estremità anteriore forma 3 rigonfiamenti che si trasformeranno in rombencefalo, mesencefalo (nervi cranici) e prosencefalo. Il resto del tubo neurale formerà il midollo spinale (nervi spinali).

Dal mesencefalo dell’embrione derivano le strutture che integrano le informazioni e coordinano le risposte motorie. Dal rombencefalo si formeranno midollo allungato, ponte e cervelletto. L’insieme di ponte, midollo allungato e mesencefalo è di solito noto come tronco cerebrale. Il prosencefalo formerà il diencefalo e il telencefalo. Il telencefalo è diviso in due emisferi cerebrali, con lo strato più esterno che prende il nome di corteccia cerebrale.

Il tronco cerebrale emana 12 paia di nervi cranici per svolgere le numerose funzioni autonome. Inoltre, al suo interno si distinguono numerosi gruppi discreti di neuroni, con una caratteristica comune come lo stesso neurotrasmettitore prodotto: nuclei, che inviano assoni a varie regioni encefaliche.

Nella porzione profonda del prosencefalo troviamo ad esempio l’amigdala, che controlla la paura e la memoria della paura. Anche l’ippocampo è importante, e trasferisce determinate memorie a breve termine in memoria a lungo termine.

La corteccia cerebrale è divisa in 4 lobi:

• Lobo temporale che riceve ed elabora le informazioni uditive. È inoltre coinvolta nel riconoscimento e denominazione di oggetti.
• Lobo frontale e parietale sono divisi dal solco centrale, la porzione di corteccia del lobo frontale corrisponde alla corteccia motoria primaria, che controlla i muscoli di particolari regioni corporee.
• Lobo parietale, la fascia di corteccia dietro il solco è detta corteccia somatoestetica primaria e riceve informazioni tattili e pressorie dal corpo. Questo lobo interpreta stimoli complessi.
• Lobo occipitale riceve ed elabora l’informazione visiva. Necessario per interpretare e tradurre l’esperienza visiva in linguaggio.

Sistema nervoso autonomo (SNA)

Il SNA comprende le vie in uscita dal SNC che controllano le funzioni involontarie. Comprende due divisioni, il SNA simpatico e il SNA parasimpatico, che svolgono un lavoro da antagonisti, con l’aumento o la riduzione di una particolare attività.