La respirazione e gli scambi gassosi
I meccanismi alla base degli scambi gassosi
Gli animali scambiano O2 e CO2 attraverso superfici corporee umide
Negli animali, l’O2 (ossigeno) diffonde all’interno del corpo e il CO2 (diossido di carbonio o anidride
carbonica) viene liberato nell’ambiente circostante attraverso una superficie respiratoria.
La superficie respiratoria è costituita da cellule vive le cui membrane cellulari devono essere bagnate per poter
svolgere la loro funzione.
In alcuni animali, come per esempio il lombrico, gli scambi gassosi avvengono a livello di tutta la superficie del
corpo.
Nella maggior parte degli animali alcune parti del corpo si sono trasformate (specializzate) in superfici
respiratorie.
Le trachee degli insetti garantiscono uno scambio gassoso diretto tra l’aria e le cellule del corpo
Negli animali terrestri gli scambi gassosi avvengono attraverso l’aria che viene respirata.
Ciò comporta due grossi vantaggi:
l’aria ha una concentrazione di O2 molto elevata
è molto leggera e facile da spostare.
Gli insetti hanno un vasto sistema di tubi interni chiamati trachee con molteplici ramificazioni più strette, dette
tracheole, che trasportano l’O2 direttamente alle cellule del corpo.
Negli animali vertebrati lo scambio dei gas avviene in 4 fasi
Le 4 fasi dello scambio gassoso:
1- movimento per flusso di massa di un mezzo esterno contente ossigeno (aria o acqua) verso un sottile
epitelio umido posto vicino ai capillari dei polmoni (o branchie)
2- diffusione dell'ossigeno nel sangue attraverso l'epitelio;
3- movimento per flusso di massa del sangue contenente ossigeno verso i tessuti dove verrà utilizzato;
4- diffusione dell'ossigeno dal sangue nei liquidi interstiziali da dove diffonde nelle singole cellule.
Lo scambio di gas fornisce O2 per la respirazione cellulare e rimuove il suo principale prodotto di rifiuto, il
CO2.
Grazie all’O2, tutte le cellule del corpo possono ottenere energia dalle molecole degli alimenti che l’organismo
ha digerito e assorbito.
Le branchie sono organi specializzati per gli scambi gassosi nell’ambiente acquatico
Le branchie sono estensioni, o ripiegamenti esterni, della superficie corporea che assorbono l’O2 disciolto
nell’acqua.
L’area della superficie respiratoria delle branchie dei pesci è molto più estesa rispetto al resto della superficie
del corpo.
In un pesce lo scambio dei gas è intensificato dalla ventilazione e dallo scambio controcorrente tra sangue e
acqua che fluiscono l’uno in senso opposto all’altra.
Nei vertebrati terrestri si evolvono polmoni sempre più complessi ed efficienti
I rettili, gli uccelli, i mammiferi e molti anfibi utilizzano i polmoni per effettuare gli scambi gassosi.
I polmoni occupano una zona limitata del corpo dell’animale e sono collegati a un sistema circolatorio che
trasporta i gas al resto del corpo.
Le dimensioni e la complessità dei polmoni sono correlate alla velocità del metabolismo dell’animale (quindi al
suo fabbisogno di ossigeno).
Il sistema respiratorio umano
Il sistema respiratorio umano è costituito dalle vie respiratorie e dai polmoni
Nel sistema respiratorio umano l’aria è inalata attraverso le narici, passa attraverso la faringe e la laringe nella
trachea, nei bronchi e nei bronchioli.
I bronchioli terminano in sacche aeree, dette alveoli, riunite in grappoli.
Ogni alveolo è costituito da un sottile strato di cellule epiteliali attraverso cui avvengono gli scambi gassosi.
Come avviene la ventilazione polmonare
La respirazione polmonare è l’alternarsi di inspirazioni ed espirazioni.
Grazie alla ventilazione dei nostri polmoni, sulla superficie di scambio dei gas respiratori viene mantenuta alta
la concentrazione di O2 e bassa la concentrazione di CO2.
Respirazione a pressione negativa: la contrazione dei muscoli intercostali e del diaframma fa aumentare il
volume della cavità toracica e riduce la pressione dell’aria negli alveoli.
Il massimo volume di aria che possiamo inspirare ed espirare è chiamato capacità vitale.
I polmoni contengono più aria rispetto alla capacità vitale: nei polmoni rimane sempre un volume residuo di
aria che impedisce agli alveoli di collassare.
Nel sistema respiratorio degli uccelli l’aria scorre in una sola direzione.
Il controllo della respirazione è involontario
I centri di controllo della respirazione, situati nell’encefalo, regolano il ritmo respiratorio in base alle esigenze
dell’organismo e monitorando la concentrazione di CO2 nel sangue.
Il principale segnale che indica un aumento della concentrazione di CO2 nel sangue è rappresentato da lievi
cambiamenti nel pH del sangue e del liquido che bagna l’encefalo.
Quando nel sangue aumenta la concentrazione di CO2, il pH diminuisce e aumentano il numero e la profondità
degli atti respiratori.
Gli scambi gassosi tra sangue e tessuti seguono un gradiente di pressione
Una parte del cuore pompa sangue povero di ossigeno ai polmoni dove lega O2 e libera CO2.
Una parte del cuore pompa il sangue ricco di ossigeno alle cellule del corpo dove libera O2 e lega CO2.
Scambio e trasporto dei gas nel corpo:
Lo scambio dei gas tra i capillari e le cellule circostanti avviene per diffusione, secondo un gradiente di
pressione.
Ciascuno dei gas presenti in una miscela è responsabile di una parte, detta pressione parziale, della pressione
totale della miscela.
Un gas diffonde da una regione con pressione parziale maggiore a una con pressione parziale minore.
L’emoglobina contribuisce al trasporto di O2 e CO2 e a regolare il pH del sangue
L’emoglobina trasporta l’ossigeno (legandolo o rilasciandolo, a seconda della situazione), contribuisce al
trasporto del diossido di carbonio nel sangue e regola il pH ematico, impedendone bruschi cambiamenti.
La maggior parte del CO2 nel sangue è trasportato nel plasma come ione bicarbonato.
Il CO2 reagisce con l’acqua formando acido carbonico (H2CO3).
Le molecole di H2CO3 si dissociano in ioni idrogeno e ioni bicarbonato.
COLLEGAMENTI
Gli scambi gassosi nel feto avvengono attraverso la circolazione materna
Un feto umano scambia gas con il sangue materno attraverso la placenta.
La molecola che trasporta l’ossigeno dal sangue materno al feto prende il nome di emoglobina fetale.
Alla nascita, l’aumento di CO2 nel sangue del bambino causa una drastica caduta del pH che stimola i centri di
controllo della respirazione.
COLLEGAMENTI
Alcune patologie del sistema respiratorio
Le infezioni acute delle vie respiratorie sono patologie molto frequenti.
Si tratta di malattie virali o batteriche, ad andamento stagionale.
Le affezioni croniche del sistema respiratorio sono legate soprattutto a fattori irritanti: fumo di sigaretta,
inquinamento atmosferico.
Il fumo irrita le cellule che rivestono i bronchi, inibisce i movimenti delle ciglia e distrugge i macrofagi
(speciali globuli bianchi che inglobano particelle e microrganismi).
