Apparato Respiratorio nei vertebrati: fasi e organi coinvolti

Apparato Respiratorio

Il sistema respiratorio riguarda tutti i meccanismi che permettono ad un organismo di scambiare gas (acquistare ossigeno dall'ambiente esterno e rilasciare anidride carbonica dall'ambiente interno). Il sistema respiratorio lavora in stretta relazione con il sistema circolatorio, che è predisposto al trasporto dei gas nei vari tessuti -> porta l'ossigeno ai vari tessuti e carica da essi l'anidride carbonica per riportarla ai polmoni e rilasciarla nell'ambiente esterno.

Distinguiamo una respirazione esterna, una interna e una cellulare:

• Per respirazione esterna si intende assunzione di ossigeno e eliminazione di anidride carbonica. Essa può essere:

  • Acquatica quando l'ossigeno è disciolto in acqua (tipica di organismi acquatici e altri organismi nello stadio larvale, i quali hanno le branchie e tramite queste immettono l'ossigeno nel sistema circolatorio);
  • Aerea quando l'ossigeno è disciolto nell'aria (tipica dei tetrapodi). Anche quando si hanno polmoni, l'ossigeno viene prima dissolto in un biofilm liquido a livello respiratorio e poi viene introdotto nei capillari del sistema circolatorio;

• Respirazione interna quando avviene lo scambio di ossigeno e anidride carbonica tra i capillari sanguigni (all'interno dell'organismo) che irrorano sia le branchie che i polmoni. Nel caso dei mammiferi irrorano gli alveoli polmonari, così che l'ossigeno viene inserito nel sistema circolatorio e allo stesso momento l'anidride carbonica viene rilasciata nell'ambiente esterno, e questo ciclo continuo permette poi la respirazione cellulare.

• Respirazione cellulare: ossidazione dei vari nutrienti per estrarre energia. Per l'ossidazione c'è bisogno di ossigeno.

Quando acquisiamo cibo, questo viene ossidato tramite l'ossigeno, viene rilasciata l'anidride carbonica come un catabolita del metabolismo e si produce l'energia. Questo è il motivo per cui abbiamo bisogno di ossigeno, più un animale (un vertebrato) ha un alto metabolismo complesso, più gli serve energia e quindi più ossigeno deve prendere dall'ambiente esterno. Aumentando il metabolismo vediamo come i sistemi per captare l'ossigeno diventano sempre più efficienti, un caso limite è quello degli uccelli che oltre ai polmoni hanno un altro sistema per ottimizzare la circolazione e la presa di ossigeno dall'esterno.

Fasi della Respirazione e Organi Coinvolti

L'ossigeno può essere disciolto in acqua (intervengono le branchie per captarlo) o in aria ( intervengono i polmoni).

1. VENTILAZIONE -> l'organismo prende l'ossigeno dall'esterno (o da aria o da acqua) e questo può avvenire attraverso vari meccanismi caratteristici dei gruppi di vertebrati che riescono con i loro movimenti muscolari a creare dei vuoti così da portare l'ossigeno nella loro cavità polmonare o branchiale, dove avviene la respirazione.
2. RESPIRAZIONE > avviene attraverso gli organi respiratori: branchie, polmoni o organi respiratori accessori, come per esempio il tegumento (è il caso di alcune salamandre che respirano soltanto dalla pelle e non hanno né branchie né polmoni nella fase adulta)3. DIFFUSIONE > l'ossigeno viene captato dai capillari sanguigni (sangue), viene immesso nel sistema circolatorio che si occuperà nella fase successiva di distribuirlo in tutti i distretti corporei.

I capillari sono blu quando trasportano il sangue deossigenato che viene dai tessuti in cui è già avvenuta la respirazione, perciò è povero di ossigeno e ricco di anidride carbonica. Quando esso passa attraverso una superficie di scambio ricca di ossigeno, che può essere una corrente di acqua oppure di aria, i capillari si ossigenano e rilasciano anidride carbonica. L'ossigeno e l'anidride carbonica si spostano per diffusione per cui vanno dalla zona più concentrata alla meno concentrata.

-H2O -aria VENTILAZIONE O2 x azione di muscoli (pompa muscolare) DIFFUSIONE Capillari sangue OSTRUZIONE Il CUORE è la pompa che fa scorrere sangue con disciolti gas respiratori tessuti

1. DISTRIBUZIONE -> Distribuzione del sangue nei vari tessuti, perché la respirazione cellulare avviene in tutte le cellule che hanno i mitocondri che quindi necessitano di ossigeno. L'ossigeno che arriva alle varie cellule dei tessuti sarà impiegato per produrre energia.

La pompa che fa circolare il sangue è il cuore, che è più o meno complesso a seconda del vertebrato di cui stiamo parlando. Il tipo di circolazione cambia completamente se sono coinvolte branchie o polmoni.

Diffusione del Gas Attraverso le Superfici

L'organismo capta l'aria o l'acqua ricca di ossigeno. Questa è una rappresentazione di un alveolo polmonare= parte del polmone dedicata allo scambio dell'ossigeno con il sistema circolatorio, e di un capillare. Il sangue povero di ossigeno e ricco di anidride carbonica (quello blu) che proviene dalle vene. Esso man mano passa a contatto con l'alveolo polmonare (nei tetrapodi) oppure l'alveolo di una branchia (nei pesci) che invece è ricco di ossigeno perché l'aria è stata presa tramite ventilazione polmonare o da aria o da acqua.

A Alveolo Flusso di sangue Capillare polmonare CO. Sangue venoso Sangue arterioso

100 Po, (mmHg) 80 60 Legge di Fick V= AP AK d 40- 0 · V = tasso di diffusione 50 · AP = differenza di pressione parziale ai due lati Pco, (mmHg) 45 . K = costante di diffusione (dipende dal mezzo) · d = spessore della membrana 40 0 to 0 0,25 0,50 0,75 Il sangue povero di ossigeno quando passa a contatto con la superficie Tempo (s) respiratoria si ossigena secondo un meccanismo di DIFFUSIONE: i gas passano attraverso l'epitelio dei capillari molto sottile cioè per differenza di CONCENTRAZIONE -> da una parte c'è più ossigeno (epitelio polmonare) e dall'altra meno ossigeno (epitelio capillare). La diffusione di gas attraverso superfici respiratorie è governata dalla legge di Fick secondo cui il tasso di diffusione V, cioè quanto è efficiente la respirazione (quanto più è alta tanto più l'ossigeno passa per esempio dai polmoni al sangue in modo molto rapido e efficiente), è direttamente proporzionale:

organi respiratori- -branchie -polmoni -"organi accessori" Flusso ventilatorio d'aria Parabronco

• A = superficie di scambio- alla differenza di pressione parziale ai due lati: se nell'alveolo c'è tantissimo ossigeno e nella prima parte del capillare ce n'è poco, più è alta la differenza di pressione più l'ossigeno passa velocemente, aumentando il tasso di diffusione.
• alla superficie di scambio: più è ampia più passa ossigeno nell'organismo.

Legge di Fick e Superficie di Scambio

Legge di Fick V=APAK d Il polmone di un anfibi è un sacco con poche invaginazioni e superficie molto limitata, mentre il polmone di un mammifero è ricco di alveoli e invaginazioni e quindi ha superficie totale molto grande che aumenta la quantità di ossigeno che entra e permette un più alto metabolismo.

• alla costante di diffusione che dipende dal mezzo: se è un epitelio molto sottile e molto permeabile (fa passare tutto), avrà un tasso di diffusione molto più alto di un epitelio più spesso, quindi più è efficiente il materiale dedicato allo scambio e più il tasso di diffusione sarà alto.

Il tasso di diffusione V è inversamente proporzionale allo spessore della membrana, perché se la membrana è più spessa l'ossigeno passerà più difficilmente.

Ventilazione: Acqua o Aria

VENTILAZIONE -> presa dell'ossigeno dall'esterno tramite ACQUA o ARIA Negli organismi acquatici che respirano tramite le branchie , come pesci e anfibi nello stadio larvale, c'è un flusso di acqua unidirezionale: l'acqua entra dalla bocca e passa sopra le branchie che sono molto vascolarizzate (hanno dei capillari che prendono l'ossigeno) per poi uscire da esse. Queste possono essere di vario tipo a seconda del pesce di cui stiamo parlando, per esempio gli squali hanno delle branchie settate e i pesci teleostei hanno gli opercoli. Gli opercoli sono delle valvole branchiali perché questi vanno a chiudere la camera branchiale, quindi funzionano da valvole, e la bocca può essere considerata un'altra valvola, perché quando è chiusa l'acqua non esce. Modulando queste due valvole e variando il volume della camera branchiale si creano delle pressioni diverse che generano questo flusso unidirezionale.

PESCI, ANFIBI LARVALI O2 di acqua TETRAPODI O2 di aria „Sipario branchiale Corrente unidirezionale Corrente bidirezionale (b) (a) L'acqua entra dalla bocca, attraversa branchie e esce attraverso valvole branchiali L'aria entra dalla bocca, affluisce in organi respiratori e poi inverte il suo verso per uscire lungo la stessa via

Nei tetrapodi, vertebrati che respirano aria, il flusso di aria è bidirezionale:l'aria entra ed esce dallo stesso punto, cioè la bocca o il naso nel caso dei mammiferi. L'aria entra, passa nei polmoni, arriva negli alveoli che sono ricoperti da capillari e avvengono gli scambi respiratori. Dagli stessi polmoni l'aria viene ributtata fuori. I polmoni dei mammiferi sono molto efficienti perché hanno molta superficie respiratoria, tuttavia c'è sempre un momento in cui c'è un mescolamento tra un'aria molto ossigenata e una poco ossigenata, che causa un piccolo calo di efficienza. Gli uccelli hanno sviluppato uno stratagemma:hanno creato una corrente unidirezionale all'interno di un sistema che è bidirezionale, perché comunque l'aria entra ed esce dalla bocca o dal naso, però questo sistema fa sì che la corrente d'aria giri sempre nella stessa direzione.Organi respiratori -> BRANCHIE - POLMONI - TEGUMENTO

Caratteristiche degli Organi Respiratori

Sono costituiti da un epitelio molto sottile, dedicato agli scambi gassosi. Un epitelio come quello della pelle di un mammifero, molto cheratinizzato, non è buono per gli scambi gassosi, anzi svolge la funzione opposta. Caratteristiche di un epitelio dedicato agli scambi respiratori:

• Molto sottile, per permettere gli scambi di gas attraverso le pareti delle cellule che sono sottili;
• Altamente vascolarizzato, un altro modo per permettere di aumentare la superficie tra cui avvengono gli scambi respiratori;
• Umido, anche quando sono coinvolti i polmoni, l'ossigeno libero nell'aria prima si dissolve in questa umidità che c'è nella superficie dell'epitelio e poi entra nei capillari;
• Deve avere cellule mucose perché il muco intrappola i detriti, i quali altrimenti andrebbero a ridurre l'efficienza della respirazione (ci sono altri meccanismi per pulire le branchie o i polmoni);
• Ciliato -> queste ciglia, quando i detriti vengono intrappolati nel muco, creano una corrente che permette di portarli via.

Tipologie di Organi Respiratori

• Le branchie sono delle strutture lamellari, le hanno tutti gli organismi acquatici come i pesci e le larve di anfibi.

MAQUEREAU

• I polmoni sono strutture sacciformi più o meno complicate: in un organismo che ha una respirazione doppia, come i pesci polmonati o le salamandre che respirano sia con le branchie che con i polmoni, il polmone non è molto sviluppato ma è una sorta di piccolo sacco, perché la respirazione avviene anche attraverso altri organi respiratori.
• Il tegumento è un organo respiratorio accessorio che serve a quei organismi che hanno una RESPIRAZIONE CUTANEA ossia respirano dal tegumento come le salamandre pletodontidi. Questi organismi hanno una via preferenziale per l'ossigeno o per l'anidride carbonica, alcuni utilizzano il tegumento solo per acquistare l'ossigeno e rilasciano pochissima anidride carbonica, altri l'opposto. Alcuni organismi presentano degli adattamenti del tegumento per migliorare gli scambi respiratori tramite pelle: una sorta di peli (non lo sono ma lo sembrano) e di pieghe, di invaginazioni del tegumento che aumentano la superficie respiratoria. I pipistrelli integrano la respirazione polmonare con la respirazione cutanea: usano la superficie dell'ala per rilasciare l'anidride carbonica,ma da essa acquistano pochissimo ossigeno.

Vescica Gassosa o Natatoria

VESCICA GASSOSA o NATATORIA Un'altro organo respiratorio accessorio è la vescica gassosa degli organismi acquatici: è un sacco pieno di gas (O2) che ha funzione idrostatica nei pesci moderni. A seconda che si svuoti o si riempie di gas serve a far sì che il pesce galleggi a varie profondità. Questo distingue i condroitti (che non ce l'hanno) dai i teleostei che hanno due adattamenti completamente diversi per il galleggiamento e quindi per muoversi nella colonna d'acqua.