Apparato Respiratorio: Ventilazione, Diffusione e Perfusione

Apparato Respiratorio

la maggior parte delle risorse energetiche che permettono a un organismo di svolgere i processi metabolici essenziali deriva dall'ossidazione cellulare dei nutrienti: è fondamentale ASSIMILARE OSSIGENO ed ELIMINARE ANIDRIDE CARBONICA lo scambio di gas tra ambiente esterno e interno necessita di:

1. VENTILAZIONE: processo attivo che regola il mezzo in cui si trova l'ossigeno quindi acqua, per i vertebrati acquatici, o aria per quelli terrestri; vi è un coinvolgimento del sistema scheletrico
2. DIFFUSIONE: avviene a livello delle membrane respiratorie affinché il l'ossigeno lenterei nel circolo sanguigno le membrane hanno per questo una struttura funzionale a far passare i gas in maniera facilitata
3. PERFUSIONE: permette la perfusione dell'ossigeno a tutte le cellule dell'individuo, a carico del sistema circolatorio

per un efficiente scambio respiratorio le membrane respiratorie devono essere:

• SOTTILI e PERMEABILI AI GAS
• AVERE UN'AMPIA SUPERFICIE: maggiore è l'aria a contatto con l'ossigeno, maggiore è la capacità di accogliere ossigeno per diffusione passiva
• deve avere un' appropriata DIFFERENZA DI PRESSIONE PARZIALE DEI GAS AI SUOI DUE LATI, perché questi diffondano nella corretta direzione i gas si spostano in maniera spontanea secondo gradiente di concentrazione: la differenza di pressione dai lati della membrana da attraversare per diffusione semplice da quello più concentrato a meno concentrata

Aumento dell'Area di Scambio

affinché l'aria di scambio aumenti 2 possibilità:

O 1. AUMENTANO LE DIMENSIONI TOTALI Ext. .. Int. Ext. º Int. 0 00 0 O O 0 0 0 O 02. AUMENTA la SUPERFICIE DEL TESSUTO o APPARATO MANTENENDO IL VOLUME COSTANTE: protrusioni o anfratti della superficie del tessuto o organo

Legge di Fick e Diffusione dei Gas

la diffusione di ossigeno e anidride carbonica tra alveoli e capillare sanguigno palmare è regolata dalla LEGGE DI FICK:

A Alveolo U = APAK O2 Flusso di sangue Capillare polmonare CO2 la velocità di diffusione del gas è la sua efficienza dipendono:

Sangue venoso Sangue arterioso 100- V= diffusione del gas Po, (mmHg) 80- Legge di Fick y= APAK d AP= differenza tra i due lati della membrana della pressione parziale del gas 0 50 Pco, (mmHg) 45 40- d = spessore della membrana: più è spessa e più è minore la diffusione del gas 0- 0 0,25 0,50 0,75 Tempo (s) K = coefficiente di diffusione AP, A ek-> facilitamo la diffusione dei gas

gas disciolti in un mezzo liquido possono essere scambiati efficientemente attraverso una membrana che abbia una superficie ampia e sottile

Evoluzione delle Strutture Respiratorie

la necessità di recuperare ossigeno da acqua e aria ha portato all'evoluzione di 2 strutture anatomiche differenti: BRANCHIE E POLMONI

Branchie Polmoni

Tipi di Ventilazione nei Vertebrati

la ventilazione nei vertebrati può essere di 2 tipi:

1. UNIDIREZIONALE: il flusso di aria o acqua segue un'unica direzione, ossia passa attraverso l'apparato respiratorio una sola volta associata a una circolazione semplice

Gill curtain MAAR Unidirectional Bidirectional or tidal 60- 40- A = superficie di scambio: più è elevata più aumentaMISSINE

Branchie dei Condroitti

presentano dalle 5 alle 13 branchie con associati archi branchiali e il VELUM e muscoli

Sacchi branchiali Velo Poro branchiale usso di acqua poro unico Bocca l'acqua entra dall'apertura nasofaringea e raggiunge la camera del velum che contraendosi ritmicamente pompa l'acqua nella faringe dalla faringe l'acqua raggiunge i sacchi branchiali e fuoriesce attraverso dotti branchiali oppure confluisce in un'unica apertura comune detta PORO BRANCHIALE il velum è una struttura ANALOGA AL DIAFRAMMA: alla base della cavità buccale si contrae aumentando il volume della cavità e quindi anche l'ingresso di acqua

Anatomia delle Branchie nei Condroitti

CONDROITTI

Placode nasale Narice Arco mandibolare 1° arco aortico Valvola spiracolare e pseudobranchia Cavità orale Spiracolo 1ª tasca faringea (endoderma) Arco ioideo Rastrello branchiale Emibranchia 1º arco branchiale = 3º arco viscerale Faringe 1ª fessura branchiale esterna Raggio branchiale Setto interbranchiale Solco ectodermico Fessura branchiale interna 5ª arteria branchiale afferente 6° arco aortico Olobranchia Lamelle branchiali Cinto pettorale Camera parabranchiale Esofago Celoma presentano da 5 a 7 paia di fessure branchiali in serie la 1° fessura è lo SPIRACOLO: branchia degenerata che serve per calcolare la quantità di ossigeno in acqua e regolare alcuni processi metabolici ogni branchia è sorretta da un arco branchiale cartilagineo che sostiene le LAMELLE PRIMARIE ciascuna delle quali ha numerose LAMELLE SECONDARIE le tasche appaiono come dei lunghi tagli ai lati del collo perchè i SETTI INTERBRANCHIALI si accrescono fino all'esterno verso la superficie corporea: BRANCHIE SETTATE il setto di tegumento che ricoperte parzialmente la fessura branchiale viene detto VALVOLA alla base dei setti interbranchiali, dal lato della faringe, vi sono le BRANCHIOSPINE che trattengono le particelle di cibo

Camera branchialele branchie si formano ai lati della faringe, nel punto di contatto con l'ectoderma si formano le FESSURE BRANCHIALI separate da lamine carnose ossia i SETTI INTERBRANCHIALI sostenuti dagli archi branchiali cartilaginei dello splancnocranio

Arteria branchiale afferente Arco branchiale Setto interbranchiale Camera parabranchiale Faringe Lamelle branchiali primarie Corrente d'acqua Canali del setto Lamelle secondarie Arteria afferente Arteria efferente Flusso dell'acqua Lamella primaria sulle pareti dei setti si organizzano le branchie interne costituite da estroflessioni filamentose, LAMELLE PRIMARIE, sulle quali in modo trasversale poggiano filamenti estremamente sottili le LAMELLE SECONDARIE le lamelle secondarie sono irrorate di capillari derivanti dalle arterie branchiali le lamelle primarie hanno solo una funzione di aumentare la superficie a livello della quale avviene lo scambio gassoso, le lamelle secondarie sono responsabili degli scambi gassosi veri e propri la fessura branchiale presenta due EMIBRANCHIE: l'insieme delle lamelle e del setto costituisce l'OLOBRANCHIA l'ultima fessura branchiale presenta 1 sola emibranchia

Meccanismi di Ventilazione nei Condroitti

MECCANISMI DI VENTILAZIONE CONDORITTI hanno un meccanismo a pompa con una ventilazione a 2 tempi grazie alla cinesi cranica:

1. POMPA ASPIRANTE: bocca e spiracolo si aprono, le valvole branchiali si chiudono e si abbassano gli elementi nella bocca del condroitta che fa aumentare il volume della bocca e crea una sorta di risucchio

L'acqua viene risucchiata nello spiracolo Ritorno elastico e dilatazione attiva 0 1 Retto della cervice L'acqua viene risucchiata nella bocca Cinto pettorale loide Coracomandibolare 'ompa a suzione Tasche branchiali Faringe Camera parabranchiale Lembi valvolari chiusi B. Inspirazione Arterie pre- e post-trematicheValvola spiracolare chiusa Preorbitale Costrittore ) + + Cinto pettorale Interioideo + intermandibolare loide L'acqua è formata fuori dalle camere parabranchiali Emibranchia Lembi valvolari aperti 2. POMPA PREMENTE: bocca e spiracolo si chiudono le valvole branchiali si aprono, gli elementi della cavità cranica risalgono e diminuiscono il volume della cavità buccale

Tasche branchiali Valvole Acqua povera di ossigeno Acqua Faringe Emibranchia b Camera parabranchiale Inspirazione Lamelle branchiali chiuse Branchie settate Acqua ricca di ossigeno Aorta ventrale C Espirazione Lamelle branchiali aperte

Scambio Contro Corrente

l'efficienza dello scambio respiratorio è notevole mente aiutata dal meccanismo di SCAMBIO CONTRO CORRENTE perché il sangue è l'acqua fluiscono nelle lamelle secondarie in senso opposto

Aria/Acqua 100 70 56 52 0 30 44 48 Sangue 100 75 Po2 50 25 0 a Distanza lungo la superficie di scambio Aria/Acqua 100 75 50 25 75 50 25 0 Sangue 100 75 Por 50 25 0 Distanza lungo la superficie di scambio Selaci Chimera (opercolo carnoso) Acipenser Storione (actinopterigio primitivo) 5 S S S a 2 a 3 5 a p.P> in questo modo si mantiene una differenza di pressione parziale costante che consente la diffusione dell'ossigeno dall'acqua al sangue lungo tutta la lamella secondaria se i flussi andassero nella stessa direzione si arriverebbe a un equilibrio e ciò non permetterebbe più lo scambio

Branchie degli Osteitti

OSTEITTI le branchie sono PETTINATE: il setto degenera sempre più fino ad essere estremamente ridotto si trova solo alla base delle branchie non per tutta la loro estensione

D. Espirazione . Pompa premente Adduttore della mandibola questi per pressione spingono l'acqua nella parte posteriore della faringe, le valvole si aprono e l'acqua viene spinta lungo le fessure branchiali

ValvolaArco branchiale Rastrello branchiale Cavità opercolare Lamella branchiale primaria Cinto pettorale loide Coracoioideo le lamelle sono strutturate in cerchi concentrici che presentano il RASTRELLO BRANCHIALE: pettine prima delle lamelle che ha la funzione di protezione se nell'acqua sono presenti corpuscoli solidi questi possono danneggiare le branchie essendo molto delicate

Flusso dell' acqua Faringe Sangue deossigenato che entra nelle branchie Rastrello branchiale Arco branchiale Sangue ossigenato che lascia le branchie Flusso dell'acqua Flusso nell'acqua Lamella secondaria Lamella primaria Camera opercolare sulle lamelle primarie, sottili filamenti, sono posizionate in modo ordinato le lamelle secondarie che sono TRASVERSALI a forma di semiluna a livello delle lamelle secondarie avvengono gli scambi gassosi sempre contro corrente

Morfologia delle Lamelle Secondarie

Lamella primaria Cellula a pilastro Canale vascolare Superficie dell'epitelio su ciascun lato della lamella secondaria si trova un epitelio monostratificato estremamente sottile all'interno di tale struttura vi sono delle CELLULE A PILASTRO che lasciano tanto spazio libero per far passare i canali vascolari cellule che fanno da ponte tra epitelio e gli spazi vuoti facendo passare i capillari affinché avvengano gli scambi gassosi: morfologia efficiente per gli scambi gassosi

Meccanismo di Ventilazione negli Osteitti

MECCANISMO VENTILAZIONE con l'opercolo vi è un ciclo respiratorio a FLUSSO CONTINUO UNIDIREZIONALE DI ACQUA A POMPA DOPPIA sono collocate in CAVITÀ OPERCOLARI protette dal ripiegamento cutaneo sostenuto da elementi scheletrici ossia l'opercolo ogni branchia è sostenuta da un arco osseo branchiale che porta 4 olobranchie