Fisiologia della deglutizione e della respirazione

Fisiologia della deglutizione e respirazione

Prof. Fabio Carraro

Fonazione

Non siamo nati per parlare, perché la fonazione non è una capacità che abbiamo sviluppato durante l'evoluzione ma abbiamo adattato degli organi per parlare. Abbiamo usato strutture preesistenti, nate per l'apparato respiratorio e digerente, e le abbiamo adattate per permettere la fonazione. Queste sono: le cavità nasali, faringe, la cavità orale, laringe, trachea, tutte strutture appartenenti all'apparato respiratorio o digerente, mutuate per avere la fonazione. La fonazione è quindi una funzione secondaria installata su una serie di organi designati per la respirazione e l'alimentazione.

La fonazione durante l'evoluzione è stata scelta come metodo elettivo per la comunicazione dagli umani, perché ha una sua efficacia maggiore.

L'apparato di fonazione è costituito da:

• La gabbia toracica
• La laringe
• La cavità faringale
• La cavità nasale
• La cavità orale: la lingua, il palato duro, gli alveoli, i denti, le labbra, le cavità nasali

Tutte queste strutture contribuiscono alla fonazione in vari modi, per modificare i suoni.

Ci sono organi fissi:

• Faringe
• Palato duro
• Alveoli
• Denti

Sono modulati su un certo tipo di struttura.

Organi mobili:

• Pliche vocali
• Velo palatinale
• Lingua
• Labbra

Sono gli organi che modificano il suono.

Nelle persone adulte è difficile riuscire ad apprendere una nuova lingua, e riuscire a mascherare l'accento della lingua madre, perché gli organi fissi sono modellati sulla lingua di appartenenza. Proprio per questo nei bambini invece è più facile, semplice e veloce apprendere una lingua nuova con la pronuncia corretta.

Il vantaggio della comunicazione verbale è che è simultanea, può essere eseguita e ricevuta anche in condizioni ambientali difficili, è modulabile, può essere ricevuta da più riceventi contemporaneamente, può essere prodotta in modo continuo, è portatile, è rapida.

Meccanismo: durante la fonazione un flusso di aria proveniente dai polmoni viene spinto attraverso laringe, faringe, cavità orale o nasali, e durante questo percorso l'incontro del flusso d'aria con degli ostacoli fa sì che si generino dei suoni che possono essere interpretati come fonazione.

Fisiologia della respirazione

I processi ossidativi richiedono ossigeno, per questo dobbiamo respirare. La respirazione può essere esterna o interna. La respirazione esterna è quella che ci permette di muovere l'aria dall'esterno all'interno del nostro organismo, e viceversa, mentre la respirazione interna è quella che fa respirare le nostre cellule. Per poter avere degli scambi e per poter avere degli assorbimenti dobbiamo avere delle superfici assorbenti bagnate.

Vediamo qualche esempio del mondo animale: i pesci spendono il 25% della loro energia per respirare, perché nell'acqua è più difficile estrarre l'ossigeno. Un altro sistema di respirazione interessante è quello del lombrico, che respira per diffusione dalla cute, per questo sono sempre umidi. Anche noi, se asciugassimo i nostri alveoli, non riusciremmo a scambiare l'ossigeno e l'anidride carbonica.

L'apparato respiratorio serve:

• Per gli scambi di ossigeno e anidride carbonica
• Per la regolazione del pH ematico, che è fondamentale e deve rimanere costante, 7,38 pH
• Deve rimanere sempre costante ed è mantenuto dai tamponi fisiologici, che si esaurirebbero se non fossero continuamente riorganizzati attraverso l'eliminazione dell'anidride carbonica, il pH deve rimanere costante perché serve per eliminare i metaboliti
• Per bloccare l'ingresso dei patogeni: abbiamo una serie di strutture che servono a proteggerci dall'inalazione di patogeni, come i peli del naso, o le tonsille che permettono il riconoscimento e la risposta agli agenti patogeni

I peli del naso sono il primo meccanismo di difesa contro le particelle più grandi. Quando parliamo di respirazione, dovremmo dare per scontato l'inspirazione attraverso il naso, perché la cavità orale non fa parte dell'apparato respiratorio ma fa parte dell'apparato digerente, è mutuata dall'apparato respiratorio. Possiamo respirare dalla bocca, ma l'aria non ha la stessa qualità di quella respirata dal naso.

Anche il muco, prodotto dall'epitelio che riveste l'apparato respiratorio, ha la funzione di umidificare l'aria e di intrappolare i batteri, che poi vengono espulsi o digeriti. Quando è in atto un processo infiammatorio abbiamo una ipervascolarizzazione e una ipersecrezione di muco, il muco intrappola i batteri che poi viene eliminato o digerito.

La laringe può essere divisa in regioni:

• Sovraglottica
• Glottica
• Sottoglottica

Sul piano glottico troviamo le corde vocali, o pliche vocali, che sono delle strutture che vanno a interagire con l'aria e, ostacolando l'aria, permettono di generare i suoni per la fonazione.

Effetto Bernoulli: l'aria che entra dentro un tubo diventa più o meno grande, e quindi la velocità dell'aria varia a seconda delle dimensioni del tubo.

Composizione dell'aria

L'aria che respiriamo è composta per la maggior parte da azoto, che rappresenta il 78,08%. L'azoto è un gas inerte perché non scambia con noi, e per il 20,93% è composta da ossigeno. Poi, in minima parte, troviamo anche un residuo di anidride carbonica, che rappresenta lo 0,03%. Il restante 1% è rappresentato da gas rari come argon, neon, metano, elio, ecc.

L'aria ha una certa pressione, quindi i rapporti tra i vari gas sono in funzione della pressione. In fisiologia, quando parliamo di aria, diamo per scontato che questa abbia una pressione di 760 mmHg, che è la pressione media a livello del mare. Tuttavia, la pressione può variare sia in funzione dell'altitudine che del tempo (brutto tempo bassa pressione, bel tempo alta pressione).

Se parliamo della pressione parziale dell'ossigeno, che misuriamo in millimetri di mercurio, e il 20% è la quantità di ossigeno nell'aria, possiamo dire che respiriamo circa 159 mmHg. Questi numeri sono importanti per capire come funzionano gli scambi a livello alveolare, quindi la pressione parziale dell'ossigeno nell'aria è di 159 mmHg. Se proviamo a calcolare la pressione parziale dell'anidride carbonica vediamo che otteniamo un numero incredibilmente piccolo, poiché normalmente non c'è anidride carbonica nell'aria. Questo può variare se siamo in un ambiente chiuso, motivo per cui è così facile eliminare anidride carbonica anche con un Δ molto piccolo.

Quando è nato il nostro pianeta l'ossigeno non c'era, è venuto dopo, e quando è arrivato le forme animali anaerobi hanno cominciato a morire, perché l'ossigeno è tossico. Poi ci siamo adattati a vivere con queste concentrazioni di ossigeno. Sembra che l'ossigeno sia proprio uno degli agenti responsabili dell'invecchiamento; se vivessimo con meno ossigeno probabilmente invecchieremmo meno.

A livello del mare la pressione è 760 mmHg, se saliamo a 3000 m di altezza la pressione barometrica scende. Che cosa succede? Ho sempre la stessa identica quantità di ossigeno, in percentuale è sempre 20%, il problema è che mi è cambiata la pressione. Devo ricalcolare la pressione parziale dell'ossigeno a questa nuova condizione: ho una pressione parziale di ossigeno di 110 mmHg, a 6000 m di altezza è 74 mmHg, a 9000 m di altezza è 48 mmHg. La pressione parziale di ossigeno nel sangue è circa 100 mmHg, quindi a 9000 m di altezza non respiro, perché la pressione parziale di ossigeno nel sangue è più alta di quella esterna. Scambio ossigeno, ma lo scambio avviene al contrario: è il mio organismo che cede ossigeno all'ambiante. A 9000 m respiro con la bombola di ossigeno.

L'incidenza di aborti nella popolazione Himalayana è molto più alta dell'incidenza di aborti nella popolazione normale, perché l'adulto si è adattato ma il feto non ce la fa e ha maggiori problemi.

I ciclisti si allenano a 4000 m, che è un'altezza perfetta perché ho una pressione parziale di ossigeno che è circa uguale a quella del sangue, quindi il mio organismo soffre ma non troppo e riesce ad adattarsi, aumentando la produzione di eritropoietina. L'eritropoietina è un ormone prodotto dal rene (che ha un sistema di sensori per l'ossigeno). Questo ormone stimola la cellula staminale pluripotente del sangue a diventare un globulo rosso, quindi i soggetti che si adattano a stare a 4000 m di altitudine hanno un maggiore numero di globuli rossi, conseguentemente aumenta anche l'emoglobina, e aumenterà di conseguenza il trasporto di ossigeno. Quando poi tornano a condizioni normali, sul livello del mare, questo fa sì che abbiano molti più globuli rossi degli altri soggetti, quindi per 2-4 giorni sono decisamente avvantaggiati. Dopo di che l'organismo distrugge i globuli rossi e li riporta a valori normali.

Il problema grosso è quando si fanno le olimpiadi a Città del Messico, che è a 2000 m di altitudine, e per i soggetti che normalmente si allenano a livello del mare, questo è un grosso svantaggio, a meno che non si faccia una preparazione atletica sul luogo, con un anticipo tale da permettere un adattamento dell'organismo. Comunque vada, le prestazioni in alta quota sono decisamente inferiori per gli sport aerobici, mentre per gli sport anaerobici non c'è nessuna differenza.

Io posso tranquillamente respirare fino a circa 4000/5000 m, poi dipende anche dalle condizioni del giorno, ma sopra di questo ho dei problemi, per via della pressione.

Lo stesso problema si pone per i piccoli aeroplani, gli aeroplani di linea invece volano a 9000 m di altezza, ma si respira perché sono pressurizzati a un valore che, per legge, è intorno ai 700 mmHg. Tuttavia, le compagnie aeree tengono questi valori alla partenza poi, di solito, la pressione durante il volo è intorno ai 500 mmHg, per questo durante il volo può venire un po' di mal di testa. I soggetti cardiopatici possono invece avere dei problemi seri, per questo sono obbligati a notificarlo alla compagnia prima di imbarcarsi. I piccoli aerei invece hanno i finestrini e quindi volano a determinate altezze, più basse; se invece si superano determinate altezze ci vuole la maschera dell'ossigeno. I caccia non sono pressurizzati e quindi il pilota ha sempre la maschera e respira una miscela particolare di gas che facilita l'assorbimento di ossigeno e permette di respirare meno.

Quindi fino a 6000-7000 m di altitudine io riesco a respirare aumentando anche la ventilazione, ma poi ho bisogno della maschera di ossigeno.

Nell'aria atmosferica dobbiamo inserire una nuova variabile: l'acqua. Infatti, l'acqua che noi respiriamo non è secca, ma contiene una piccola percentuale di acqua. Quando noi iniziamo le prime fasi della respirazione, la prima modifica che facciamo all'aria inspirata è l'umidificazione. Infatti, le strutture delle cavità nasali, come primo effetto sull'aria, è proprio quello dell'idratazione, quindi si passa da 0,5 % a 6,2%. Essendo in percentuale il rapporto dei gas, questo aumento di acqua mi cambia anche tutte le altre percentuali, aumentando l'acqua mi diminuiscono proporzionalmente tutti gli altri valori.

Quando arrivo nell'area alveolare, c'è già una certa quantità di anidride carbonica presente. Questa è lì per via degli spazi morti, infatti trachea e polmoni non sono come l'esofago che è chiuso, ma sono sempre aperti. Questa quantità di anidride carbonica è piuttosto importante e mi dà una pressione parziale di 40,00 mmHg. Questa anidride carbonica che rimane intrappolata negli spazi alveolari, come accade per l'acqua, mi sposta tutte le altre percentuali, che si abbassano proporzionalmente. Quella che a noi interessa di più è quella dell'ossigeno, che passa a 104,00 mmHg. L'anidride carbonica che è nell'aria atmosferica ha un valore trascurabile mentre nell'aria polmonare ha un valore molto significativo. Fortunatamente l'anidride carbonica diffonde benissimo, per cui anche se il Δ tra la pressione parziale di anidride carbonica nell'alveolo e quella nel sangue è piccolo, riusciamo lo stesso a eliminarla. Noi di fatto non scambiamo con i valori dell'aria atmosferica ma con i valori dell'aria alveolare.

Il nostro sangue dovrà equilibrarsi con questo valore di ossigeno e con questo valore di anidride carbonica. Una volta che l'aria è arrivata negli alveoli, l'aria dovrà essere espirata. E nell'aria espirata, sempre a 760 mmHg, troviamo l'acqua, che non si è modificata, mentre l'anidride carbonica è la metà, questo perché parte dell'anidride carbonica rimane negli spazi morti delle vie aeree. L'ossigeno è più alto di quello alveolare, perché mentre viene espirata l'aria l'ossigeno scambia con l'aria esterna, sempre presente nelle nostre vie aeree, per cui l'aria che noi eliminiamo ha una maggior quantità di aria relativa perché incontra dell'aria fresca nelle vie aeree che sono sempre rimaste aperte. Per cui noi eliminiamo un'aria che ha una pressione parziale di ossigeno pari a 120 mmHg.

L'azoto diventa rilevante per un subacqueo, se io aumento la pressione aumenta anche la diffusione dei gas nel sangue. Se vado a -10 m e respiro per un'ora, quando poi risalgo devo fare le tappe di decompressione, nonostante sia un gas inerte. Infatti, l'azoto, se c'è una risalita rapida, forma delle bollicine (succede esattamente quello che accade quando apro una lattina di una qualsiasi bevanda gassata, solo che in questa caso le bollicine non sono di anidride carbonica ma di azoto) e queste mi bloccano il flusso del sangue. Il problema non è l'azoto in sé, ma diventa un problema di emodinamica. La maggior parte dell'azoto mi va a bloccare i capillari polmonari; lì i danni sono ridotti, ma la formazione di queste bollicine è casuale, e quelle che si formano negli arti inferiori o nelle coronarie possono provocare dei danni importanti. Un subacqueo quindi se è costretto a una rapida risalita lo metto nella camera iperbarica per non generare emboli.

L'unità funzionale dell'apparato respiratorio sono gli alveoli, e lì avvengono gli scambi gassosi. Il sangue venoso arriva al polmone attraverso le arterie polmonari, questo perché le arterie sono vasi di resistenza mentre le vene sono vasi di capacità. Infatti, il sangue venoso entra nell'arteria polmonare dal ventricolo destro ed è quindi sottoposto alla pressione generata dalla contrazione del cuore. Le vene polmonari portano il sangue ossigenato all'atrio sinistro, che riceve il sangue e grazie alla contrazione del ventricolo sinistro lo distribuisce a tutto il corpo.

L'importante è quella che viene definita la membrana alveolo-capillare, è la distanza che intercorre tra il nostro sangue e l'aria che è presente negli alveoli. Questo spazio deve essere il minore possibile, perché come enunciato dalla legge di Fick, gli scambi sono in funzione del Δ di concentrazione, della resistenza della membrana e della dimensione della superficie. La superficie dei nostri alveoli è 70 m² per polmone. Avendo una superficie così grande è più facile avere gli scambi. In condizioni di normalità non scambiamo con tutti gli alveoli, ma respiriamo solo con una piccola parte. Infatti, io posso sopravvivere anche con un polmone solo, comunque la nostra superficie complessiva a disposizione per gli scambi è di 140 m².

L'albero respiratorio è importante perché lo possiamo dividere in due aree: quella dove avvengono gli scambi e quella di conduzione. Quando si parlava di spazi morti ci si riferiva proprio alla zona di conduzione che ha una struttura anatomica tale da rimanere sempre aperta. Questi tubi sono semplici tubi di condizione, gli scambi cominciano a livello dei bronchioli respiratori ma la stragrande maggioranza degli scambi avviene negli alveoli. I due polmoni destro e sinistro non sono uguali, ma dal punto di vista funzionale sono identici. Dal punto di vista anatomico abbiamo: 1 trachea, 2 bronchi primari, 500.000 bronchioli respiratori, 8.000.000 di alveoli, che corrispondono a una superficie di 70 m². Se io avessi un unico alveolo la superficie sarebbe incredibilmente ridotta.

Il problema dei nostri alveoli è che c'è una variazione di pressione, perché a seconda del livello nel polmone del mio alveolo la pressione potrebbe essere diversa. E quindi, se un alveolo avesse una pressione diversa da un altro, l'uno tenderebbe a collassare nell'altro, secondo il principio della legge di Laplace. Quindi io devo far in modo che tutti gli alveoli abbiano la stessa pressione al loro interno, e questo è possibile grazie alla presenza del surfactante e a un meccanismo anatomico, per cui tra un alveolo e l'altro ci sono dei piccoli pori che equilibrano la pressione. Come detto sopra, è necessario che tra i vari alveoli ci sia la stessa pressione perché altrimenti, durante la fase di distensione dei polmoni, gli alveoli andrebbero a collassare. Se un alveolo piccolo collassasse in un alveolo grande, si formerebbe un unico grande alveolo diminuendo la superficie di scambio. Se per assurdo tutti gli alveoli collassassero in un unico grande alveo...