La respirazione cellulare ed esterna negli organismi viventi

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LA RESPIRAZIONE

Le sostanze nutritive organiche consumate dagli organismi vengono utilizzate come substrati dalle cellule per ricavare l'energia necessaria allo svolgimento delle comuni funzioni fisiologiche.

Le molecole organiche introdotte con l'alimentazione e l'energia che da esse si ricava, si rendono necessarie per far avvenire le reazioni cellulari.

Molte reazioni che avvengono a questo scopo sono comuni a tutte le cellule, altre sono limitate a cellule specializzate nello svolgimento di attività specifiche.

Nel loro insieme, le reazioni chimiche che avvengono all'interno di un organismo costituiscono il suo metabolismo; in particolare, le reazioni che prevedono la sintesi di composti a partire da sostanze semplici, prendono il nome di reazioni anaboliche, al contrario, i processi che prevedono la degradazione di sostanze complesse in substrati più semplici prendono il nome di reazioni cataboliche.

Per tutte le cellule le principali reazioni cataboliche sono quelle coinvolte nella liberazione di energia da parte dei composti organici.

L'insieme di tali reazioni prevede, nella maggior parte delle cellule, l'utilizzo di ossigeno in quanto costituisce uno dei reagenti, mentre l'anidride carbonica è un prodotto di demolizione dei substrati nutritivi.

Pertanto, alle cellule deve essere fornito ossigeno; nel contempo, deve essere eliminata anidride carbonica.

Questo processo richiede uno scambio gassoso con l'ambiente esterno.

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La respirazione cellulare rappresenta il processo ossidativo che si realizza all'interno delle cellule mentre la respirazione esterna prevede lo scambio di ossigeno ed anidride carbonica con l'esterno.

Gli organismi unicellulari, i protozoi, le spugne, gli cnidari e molti vermi sono in grado di assumere, per diffusione, direttamente attraverso la propria superficie cutanea, l'ossigeno di cui necessitano e, con le stesse modalità, si liberano dell'anidride carbonica.

In seguito all'evolversi di animali di maggiori dimensioni e con un'attività metabolica più elevata, sorge la necessità dello sviluppo di strutture specializzate destinate agli scambi gassosi.

Problemi legati alla respirazione degli animali acquatici e terrestri

La quantità di ossigeno disponibile varia notevolmente negli ambienti acquatici rispetto a quelli terrestri, inoltre, anche gli animali differiscono nei loro fabbisogni metabolici di ossigeno.

Molti fattori influenzano il tipo e la localizzazione delle superfici corporee nelle quali avvengono gli scambi gassosi e le modalità di assunzione dall'ambiente esterno, sia esso presente nell'aria oppure nell'acqua. Inoltre, l'ambiente acquatico e quello terrestre differiscono notevolmente dal punto di vista delle caratteristiche fisiche.

Una differenza eclatante, che influisce sulla respirazione animale, è il maggior contenuto di ossigeno dell'aria rispetto all'acqua (in rapporto di circa 20:1).

Per tale motivo, gli organismi acquatici devono investire più del 20% della propria energia metabolica a scopi respiratori (mentre un quantitativo inferiore al 2% è sufficiente nei Mammiferi).

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L'ossigeno, prima di poter essere utilizzato da un organismo, o dalle sue cellule, dev'essere in soluzione. Gli organismi acquatici respirano l'ossigeno disciolto nell'acqua, negli animali terrestri, l'ossigeno dapprima si scioglie sulle superfici umide del corpo o degli organi respiratori, poi entra nel sangue o nei liquidi corporei.

Per ottenere ossigeno ed eliminare anidride carbonica, un animale deve possedere una membrana respiratoria cioè una superficie umida, sottile e permeabile, esposta all'ambiente, attraverso la quale possono diffondere i gas.

Ciò non costituisce un problema per gli animali acquatici, costantemente immersi nell'acqua ma può diventarlo per gli organismi esposti all'aria.

La membrana respiratoria può semplicemente identificarsi con la superficie corporea o essere rappresentata da un organo respiratorio, la cui superficie è aumentata da numerose evaginazioni (come le branchie, più efficienti per l'ambiente acquatico) o invaginazioni (quali i polmoni, più adatte all'ambiente terrestre) al fine di incrementare l'efficienza degli scambi gassosi.

Il passaggio di gas attraverso la superficie della membrana respiratoria e attraverso le membrane cellulari, in entrambe le direzioni, avviene sempre per diffusione. Se i gas non sono più disciolti in acqua, essi андranno in soluzione sulla superficie umida della membrana respiratoria e l'attraverseranno secondo gradienti di concentrazione.

Poiché l'ossigeno viene utilizzato dalle cellule, la sua quantità all'interno del corpo sarà sempre inferiore a quella del medium, sia esso acqua o aria, in cui vive l'animale.

Viceversa, poiché le cellule producono anidride carbonica, la sua concentrazione sarà sempre superiore all'interno del corpo rispetto all'ambiente circostante.

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ORGANI RESPIRATORI

Il trasporto dei gas all'interno del corpo può avvenire per diffusione, se l'animale è sufficientemente piccolo.

In generale, affinché la diffusione si realizzi, le cellule non devono distare più di 0,5-1 mm da una fonte di ossigeno; negli animali attivi di grossa taglia la diffusione è un meccanismo inadeguato. Essi necessitano pertanto di un sistema di convezione, per cui i gas vengono trasportati passivamente da un medium che è mantenuto in movimento da differenze di pressione e che circola sulla membrana respiratoria, per trasportare i gas nel corpo.

Animali quindi dell'ordine massimo di qualche mm possono introdurre ossigeno ed eliminare anidride carbonica tramite la respirazione cutanea, altri animali, quali pesci ed anfibi, possono associare tale respirazione a quella branchiale o polmonare, altri ancora hanno perso completamente la capacità di scambio gassoso attraverso il tegumento.

Scambi gassosi negli animali acquatici

La maggior parte degli organismi acquatici di piccole dimensioni non possiede speciali organi respiratori. La loro superficie corporea è la sola membrana respiratoria di cui si servono poiché il loro rapporto superficie/volume è favorevole.

Per tale motivo è anche importante la forma del corpo. Animali con un corpo appiattito offrono una maggior superficie di scambio, pertanto sono in grado di 4 C 2007 - 2016 Università degli Studi eCampus - Via Isimbardi 10 - 22060 Novedrate (Co)- C.F. 9002752130 - Tel: 031.79421 - Fax: 031.7942501 - Mail: info@uniecampus.ite CAMPUS

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sopravvivere, anche se raggiungono qualche cm di lunghezza, in assenza di strutture respiratorie specializzate, mentre organismi tondeggianti non possono superare qualche mm.

Le branchie

Gli animali acquatici più grandi e più attivi possiedono organi respiratori rappresentati generalmente dalle branchie, con i loro vari gradi di sviluppo.

Esse possono essere costituite da semplici estroflessioni superficiali, come accade nelle papule dermali delle stelle marine, possono essere strutture esterne, come negli anfibi e nei vermi marini, oppure interne come nei pesci e negli artropodi.

Le branchie sono strutture interne costituite da sottili lamelle o filamenti che si originano, di solito, da una modificazione del tegumento, altamente irrorate dai vasi sanguigni.

La loro disposizione è tale da permettere un'altissima efficienza respiratoria; più del 90% dell'ossigeno disciolto nell'acqua può essere utilizzato dalle branchie contro un 25% dei polmoni dei Mammiferi.

Scambi gassosi negli animali terrestri

La presenza delle branchie è possibile solo in ambiente acquatico, dato che la densità dell'acqua fornisce un sostegno adeguato. Nell'aria le branchie tenderebbero ad asciugarsi completamente, a collassare, le sue lamelle tenderebbero ad aggregarsi insieme riducendo drasticamente la superficie respiratoria.

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Un vantaggio, per gli animali terrestri, è il poter disporre di una quantità di ossigeno elevata, rispetto all'ambiente acquatico. La vita terrestre tuttavia pone anche certi problemi: l'acqua corporea può essere persa facilmente.

La maggior parte degli animali terrestri si è adattata a tali condizioni sviluppando organi respiratori, trachee o polmoni, nei quali le membrane respiratorie sono disposte in profondità all'interno del corpo, in spazi la cui umidità relativa è prossima al 100%.

L'aria è di gran lunga meno densa dell'acqua e può essere mossa con poca spesa di energia. Inoltre, l'ossigeno diffonde 300 000 volte più velocemente nell'aria che non nell'acqua, per cui, alcuni animali dipendono ampiamente dalla diffusione, piuttosto che dalla convezione, per gli scambi superficiali di gas.

I sistemi tracheali

I sistemi tracheali costituiscono i più comuni organi di scambio gassoso degli Artropodi terrestri, quali insetti, centopiedi, millepiedi ed alcuni ragni.

La maggior parte di essi possiede un paio di aperture laterali, gli spiracoli, che, attraverso valvole, conducono l'aria ad un sistema di tubuli tracheali.

Tali tubuli terminano in tubuli sottili, le tracheole, che generalmente hanno un diametro inferiore al micron.

Esse contengono la membrana respiratoria e penetrano in tutti i tessuti del corpo. Alle estremità delle tracheole è presente una piccola quantità di liquido nel quale si sciolgono i gas.

Il sistema tracheale è semplice perché il sangue non deve trasportare i gas respiratori ed ogni cellula entra in contatto con l'esterno.

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