Unità
10
Gli scambi gassosi
Unità
10
Gli scambi gassosi
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
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?
3
Lezione 1
I MECCANISMI PER GLI SCAMBI
GASSOSI NEGLI ANIMALI
4
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
5
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?
6
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
7
Piano di sezione
Sezione
trasversale
della superficie
respiratoria
(la cuticola che
riveste il corpo)
CO2
Capillari
O2
8
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
9
Superficie
corporea
Superficie
respiratoria
(trachee)
O2
CO2
Cellule del corpo
(non ci sono capillari)
10
Superficie corporea
Superficie
respiratoria
(branchie)
CO2
Capillare
O2
11
CO2
CO2
O2
Superficie
corporea
Superficie
respiratoria
(polmoni)
O2
Capillari
12
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?
13
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
14
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
15
Sacche
aeree
Trachee
Apertura
per l’aria
Cellula
del corpo
Sacca
aerea
Tracheola
Trachea
O2
CO2
Parete
del corpo
16
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?
17
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
18
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
19
Sangue povero
di ossigeno
Sangue ricco
di ossigeno
Arco branchiale
Direzione
del flusso
dell’acqua
Arco
branchiale
Lamella
Vasi
sanguigni
Opercolo
Flusso
dell’acqua
tra le lamelle
Flusso
del sangue
nei capillari
della lamella
Filamenti
branchiali
Scambio controcorrente
% di O2 nel flusso di acqua
100 70 40 15
Diffusione
di O2
dall’acqua
al sangue
80
60
30
5
% di O2
nel sangue dei capillari
20
Arco branchiale
Direzione
Gill
arch
del flusso
dell’acqua
Oxygen-poor
blood
Lamella
Oxygen-rich
blood
Direction
of water
flow
Gill
arch
Arco
Vasi
branchiale
Blood
sanguigni
vessels
Operculum
Opercolo
(gill cover)
Water flow
between
lamellae
Gill
filaments
Blood flow
through
capillaries
in lamella
Countercurrent exchange
Water flow, showing % O2
Filamenti
100 70 40 15
Diffusion
of O2 from
water to
blood
branchiali
80
60
30
5
Blood flow in
simplified capillary,
showing % O2
21
Sangue povero
di ossigeno
Sangue ricco
di ossigeno
Arco
branchiale
Lamella
Vasi
sanguigni
Flusso
dell’acqua
tra le lamelle
Filamenti
branchiali
Flusso
del sangue
nei capillari
della lamella
Scambio controcorrente
% di O2 nel flusso di acqua
100 70 40 15
Diffusione
di O2
80 60 30 5
dall’acqua
% di O2
al sangue nel sangue dei capillari
22
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?
23
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
24
O2
1
CO2
Respirazione
Polmone
Sistema
circolatorio
2
Trasporto di gas
da parte del sistema
circolatorio
Mitocondri
3
O2
Scambio
CO2
di gas
Capillare
con le
cellule
dell’organismo Cellula
25
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?
26
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
27
28
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
29
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?
30
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
31
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
32
Sangue
ricco di
ossigeno
Cavità
nasale
Sangue povero
di ossigeno
Bronchiolo
Faringe
(Esofago)
Polmone
sinistro
Laringe
Alveoli
Trachea
Polmone
destro
Capillari
sanguigni
Bronco
Bronchiolo
Diaframma
(Cuore)
33
Cavità
nasale
Faringe
(Esofago)
Laringe
Trachea
Polmone
sinistro
Polmone
destro
Bronco
Bronchiolo
Diaframma
(Cuore)
34
Sangue
ricco di
ossigeno
Sangue
ricco
di ossigeno
Bronchiolo
Alveoli
Capillari
sanguigni
35
SEM 250x
36
SEM 250 colorata
37
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
38
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?
39
Inquinamento e fumo di sigaretta
danneggiano i polmoni
COLLEGAMENTO
salute
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
40
Inquinamento e fumo di sigaretta
danneggiano i polmoni
COLLEGAMENTO
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
41
salute
Inquinamento e fumo di sigaretta
danneggiano i polmoni
COLLEGAMENTO
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
42
salute
43
Cuore Polmone
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
44
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
45
La cassa toracica
si espande quando
i muscoli
intercostali
si contraggono
Aria
inspirata
La cassa toracica
si contrae quando
i muscoli
intercostali
si rilassano
Aria
espirata
Polmone
Diaframma
Il diaframma si contrae
(si abbassa)
Inspirazione
Il diaframma si rilassa
(si alza)
Espirazione
46
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
47
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
48
Liquido
cerebrospinale
Cervello
Ponte
1 Segnali nervosi
inducono la
contrazione
dei muscoli
intercostali
Midollo
allungato
Diaframma
Muscolli intercostali
49
Liquido
cerebrospinale
Cervello
Ponte
2 I centri di controllo
1 Segnali nervosi
inducono la
contrazione
dei muscoli
intercostali
della respirazione
Midollo rispondono al
allungato pH ematico
Diaframma
Muscolli intercostali
50
Liquido
cerebrospinale
Cervello
Ponte
2 I centri di controllo
1 Segnali nervosi
inducono la
contrazione
dei muscoli
intercostali
della respirazione
Midollo rispondono al
allungato pH ematico
3 Segnali nervosi
indicano i livelli
di O2 e CO2
Recettori per CO2
e O2 nell’aorta
Diaframma
Muscolli intercostali
51
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?
52
Lezione 2
IL TRASPORTO DI GAS NEL
CORPO UMANO
53
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
54
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
55
Aria inspirata
Aria espirata
Spazi pieni
di aria
Cellule
epiteliali
alveolari
CO2
O2
Capillari alveolari
del polmone
Sangue
ricco di O2
e povero
di CO2
Sangue
ricco di CO2
e povero
di O2
Cuore
Capillari
dei tessuti
CO2
O2
Liquido
interstiziale
Cellule
dei tessuti
in tutto il corpo
56
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
57
58
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?
59
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
60
Atomo di ferro
O2 caricato
nei polmoni
O2 liberato
nei tessuti
Gruppo eme
Catena polipeptidica
O2
O2
61
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
62
63
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?
64
