Obiettivi
Gli scambi
gassosi
Le superfici
respiratorie
Verifica
FISIOLOGIA
DELL’APPARATO
RESPIRATORIO
Controllo della
respirazione
Il sistema
respiratorio
dell’uomo
Malattie del
sistema respiratorio
Branchie
Adattamenti della
funzione respiratoria
Trachee
Polmoni
Alveoli e
scambio gassoso
esci
Gli scambi gassosi
La respirazione cellulare consiste nella demolizione
delle molecole organiche per produrre ATP.
La cellula necessita di un adeguato apporto di O2
affinché le due fasi della respirazione cellulare, il
ciclo di Krebs e la catena respiratoria, convertano
l'energia contenuta nelle molecole organiche in
energia immagazzinata sotto forma di ATP. La CO2
che viene generata dal metabolismo cellulare, deve
essere rimossa dalla cellula. Deve quindi avvenire
uno scambio gassoso : la CO2 deve uscire dalla
cellula e l'O2 entrare. Per respirazione si intende
dunque un complesso di funzioni che coinvolgono
diversi organi e apparati e che infine porta allo
scambio dei gas per diffusione tra le cellule utenti
e il mezzo contenente i gas stessi.
Le superfici respiratorie
Tutte le superfici respiratorie devono essere bagnate per
svolgere la loro funzione, infatti sia l’O2 che la CO2 devono
essere sciolti nell’acqua per poter diffondere.
Negli organismi unicellulari lo scambio gassoso avviene
direttamente attraverso la loro membrana cellulare. Anche
in piccoli organismi animali lo scambio avviene
direttamente tramite la superficie corporea, purché
l'animale presenti una forma appiattita, oppure una cavità
centrale continua con l'ambiente esterno, in cui circoli
l'acqua ( spugne). In ogni caso questi animali sono di
taglia piccola.
Gli animali di grossa taglia non possono mantenere lo
scambio gassoso per diffusione attraverso la superficie
corporea. Essi hanno evoluto organi e apparati
specializzati per gli scambi gassosi, dotati di una
particolare conformazione che consente un imponente
sviluppo superficiale.
Gli adattamenti della funzione respiratoria
Le principali strutture specializzate che, come frutto
dell'evoluzione, si sono sviluppate per funzionare da
superfici di scambio tra l'organismo e l'ambiente sono le
branchie, le trachee e i polmoni.
Branchie
Le branchie aumentano enormemente la superficie degli scambi gassosi. Esse
sono presenti in numerosi gruppi animali come gli artropodi ( inclusi alcuni
crostacei terrestri), gli anellidi, i pesci e gli anfibi. Le branchie sono escrescenze
convolute contenenti vasi sanguigni coperti da un sottile strato di tessuto
epiteliale. Esse possono essere esterne al corpo ( come in alcuni anfibi) o
interne ( come nei granchi e nei pesci). Generalmente le branchie interne sono
protette da opercoli. Ogni branchia è suddivisa in centinaia di filamenti,
composti ognuno da sottili e flessibili lamelle. Le branchie sono molto efficienti
nel sottrarre ossigeno dall'acqua ( l'ossigeno presente nell'acqua ammonta solo
a 1/20 rispetto a quello contenuto nello stesso volume d'aria).
Flusso controcorrente
L'acqua scorre sulle branchie in un'unica
direzione mentre il sangue scorre nei capillari
nella direzione opposta. Il flusso controcorrente
massimizza il trasferimento di ossigeno.
Trachee
Molti animali terrestri possiedono all'interno del loro
corpo un sistema di condotti per il passaggio dell'aria, le
trachee, collegate con l'ambiente esterno attraverso una
serie di orifizi ( gli stigmi) situati lungo i fianchi
dell'addome. Sono questi tubi che portano l'aria
direttamente alle cellule per gli scambi gassosi.
Polmoni
I polmoni sono una sorta di sacche interne collegate con l'esterno per
mezzo di un sistema di condotti. La respirazione polmonare
probabilmente si è evoluta 400 milioni di anni fa. I polmoni sono
caratteristici dei vertebrati terrestri, anche alcune lumache terrestri
posseggono strutture per gli scambi gassosi simili a quelle delle rane.
Gli anfibi hanno polmoni a sacchetto con una superficie interna per gli
scambi gassosi relativamente piccola. Peraltro, in questi animali, l'azione
dei polmoni è affiancata da quella della pelle, umida e sottile, attraverso
cui i gas possono diffondere facilmente.
Uccelli
Gli uccelli hanno un sistema di sacchi aerei interconnessi ai polmoni, che
oltre ad alleggerire l'animale, rendono possibile un maggior afflusso di
ossigeno ai possenti muscoli delle ali. Per far percorrere all'aria l'intero
sistema, un uccello deve effettuare due cicli respiratori di inspirazioneespirazione. Questo sistema, che comporta un flusso unidirezionale
dell'aria all'interno dei polmoni, è così efficiente nel sottrarre all'aria
l'ossigeno che certi uccelli possono volare a quote altissime.
Mammiferi
I mammiferi non presentano il vantaggio di un flusso unidirezionale di aria o di
acqua attraverso le superfici respiratorie; essi hanno invece, come gli anfibi, un
movimento dell'aria di va e vieni. Ne consegue che, in questo modo l'aria
penetra nei polmoni solo durante metà del ciclo respiratorio e che , inoltre,
rimane sempre nei polmoni una certa quantità di aria stagnante, carica di
anidride carbonica, che si mescola all'aria in arrivo dall'esterno. Tutti i mammiferi
presentano fondamentalmente lo stesso insieme di strutture e di meccanismi
respiratori dell'uomo.
Il sistema respiratorio dell’uomo
Il sistema respiratorio dell'uomo comprende i polmoni, le vie respiratorie
che li connettono all'ambiente esterno e le strutture toraciche che
convogliano l'aria dentro e fuori dai polmoni.
L'aria entra nel corpo attraverso il naso dove, passando attraverso le
cavità nasali, viene scaldata e filtrata. Prosegue quindi nella faringe che
presenta l'epiglottide, la quale impedisce al cibo di entrare nella trachea.
La parte superiore della trachea contiene la laringe. Le corde vocali sono
due nastri di tessuto che si estendono attraverso l'apertura della laringe.
Dopo aver passato la laringe l'aria entra nei bronchi.
Bronchi
I bronchi sono rinforzati da anelli cartilaginei per impedirne il
collasso e tappezzati da un epitelio cigliato contenete
ghiandole mucipare. I bronchi si ramificano in condotti via via
più sottili, i bronchioli formando una specie di albero
capovolto.
Alveoli
I bronchioli sboccano in minuscole sacche simili ad acini d'uva chiamate
alveoli. Ogni alveolo è circondato da una rete di capillari sanguigni ed è
rivestito all'interno da uno strato umido di cellule epiteliali. Solo circa
0,2µm separano l'aria contenuta negli alveoli dal sangue dei capillari. E'
qui che avviene lo scambio gassoso tra l'aria contenuta negli alveoli e il
sangue dei capillari.
Ventilazione
Nel corpo i polmoni sono sospesi nella cavità toracica, all'interno della cassa
toracica e poggiano su un ampio muscolo laminare a forma di cupola, il
diaframma, che separa la cavità toracica da quella addominale. Ciascun polmone è
circondato da due sottili membrane, le pleure, di cui quella interna aderisce al
polmone e quella esterna alla cavità toracica; tra le pleure vi è uno strato di liquido
lubrificante
che
facilita
lo
scorrimento
durante
i
movimenti
respiratori.
La ventilazione avviene in due fasi: l'inspirazione e l'espirazione. Durante
l'inspirazione i muscoli intercostali si contraggono provocando il sollevamento e un
leggero distanziamento delle costole, contemporaneamente il diaframma si
abbassa e la sua "cupola" si appiattisce, provocando la dilatazione della cavità
toracica, diminuisce così la pressione dell'aria nei dei polmoni e di conseguenza
l'aria fluisce dall'esterno nei polmoni. L'espirazione, cioè la fuoriuscita passiva
dell'aria dai polmoni, è il risultato dell'inversione delle fasi appena descritte.
Gli alveoli e lo scambio gassoso
La diffusione è il processo per cui una sostanza migra spontaneamente da una regione in cui
la sua concentrazione è più alta ad una regione in cui la sua concentrazione è più bassa. Le
differenze tra le concentrazioni di ossigeno e di anidride carbonica sono misurate in pressioni
parziali. Maggiore è la differenza tra le pressioni parziali, maggiore è il tasso di diffusione.
I pigmenti respiratori aumentano la capacità del sangue di trasportare l’ossigeno. L'uomo
possiede un pigmento rosso l'emoglobina. Essa aumenta la capacità del sangue di
trasportare ossigeno da 65 a 70 volte. Ogni globulo rosso ha circa 250 milioni di molecole di
emoglobina. La concentrazione di ossigeno nelle cellule è bassa (quando lascia i polmoni il
sangue è saturo al 97% di ossigeno), così l'ossigeno, quando raggiunge i capillari, diffonde
dal sangue nelle cellule.
La concentrazione di anidride carbonica nelle cellule metabolicamente attive è
maggiore che nei capillari, così l'anidride carbonica diffonde dalle cellule nei
capillari. L'acqua contenuta nel sangue si combina con l'anidride carbonica
formando acido carbonico, il quale si dissocia in ione bicarbonato e ione ossigeno.
Ciò provoca la rimozione dell'anidride carbonica dal sangue così la diffusione di
anidride carbonica dalle cellule nel sangue può continuare.
Nei capillari degli alveoli il bicarbonato si combina con lo ione idrogeno formando
acido carbonico, che si dissocia in anidride carbonica e acqua. L'anidride carbonica
diffonde quindi negli alveoli e poi fuori dal corpo con l'espirazione.
Controllo della respirazione
La respirazione viene controllata da due centri nervosi posti rispettivamente nel
ponte e nel midollo allungato, alla base dell’encefalo. Il centro di controllo del
ponte regola il ritmo della respirazione. Dal centro posto nel midollo allungato
partono i nervi che inviano al diaframma e ai muscoli intercostali i segnali che
ne inducono la contrazione provocando l’inspirazione, tra un’inspirazione e
l’altra i muscoli si rilassano e avviene l’espirazione.
Il centro di controllo del midollo allungato risponde all’abbassamento del pH del
sangue dovuto all’aumentare della concentrazione di CO2, provocando
l’aumento del numero e della profondità degli atti respiratori.
Malattie del sistema respiratorio
Le condizioni delle vie aeree e la differenza di pressione tra i polmoni e
l'atmosfera sono fattori importanti nel flusso d'aria dentro e fuori dai
polmoni. Molte malattie alterano la condizione delle vie aeree.
L'asma è dovuta ad una reazione allergica che provoca spasmi dei muscoli
delle vie aeree o eccessiva produzione di muco che riducono o occludono il
lume delle vie aeree.
La bronchite è una risposta infiammatoria che riduce il flusso d'aria ai
polmoni ed è causata dall'esposizione prolungata a sostanze irritanti quali
il fumo, le sostanze inquinanti dell'aria, o gli allergeni.
La fibrosi cistica è una malattia genetica che provoca eccessiva
produzione di muco che ostacola le vie aeree.
Obiettivi
• Saper indicare la corrispondenza tra il processo respiratorio a
livello cellulare e quello a livello organico.
• Saper rilevare, descrivere, spiegare le caratteristiche
fondamentali degli apparati respiratori degli animali.
• Saper descrivere il rapporto tra la struttura dell’apparato
respiratorio e la sua funzione.
• Saper confrontare le caratteristiche quantitative e qualitative
dei processi respiratori nei vari gruppi animali.
• Saper individuare gli aspetti unitari del processo respiratorio
negli animali.
• Saper spiegare i più semplici meccanismi di controllo e
regolazione della respirazione.
Verifica
1 Indica per ciascuna delle seguenti affermazioni se è vera (V) o falsa (F)
–
–
–
–
–
–
La respirazione cellulare consiste nella demolizione delle molecole
organiche per produrre ATP
Il sistema respiratorio degli insetti permette uno scambio gassoso
diretto tra l’aria e le cellule del corpo
Nei pesci l’acqua entra ed esce dagli opercoli
L’efficienza dell’apparato respiratorio degli uccelli è dovuta
alla capacità di trattenere più a lungo l’aria all’interno dei polmoni
Lo scambio ossigeno-anidride carbonica a livello degli alveoli
polmonari è detto ventilazione polmonare
L’anidride carbonica nel sangue si lega all’acqua e forma acido
carbonico
VF
V F
V F
V F
V F
V F
2. Scegli il completamento esatto
• le trachee

permettono uno scambio diretto tra l’aria e le cellule del corpo
•
rappresentano i minuti condotti aerei connessi ai sacchi aerei degli uccelli

mettono in contatto l’aria con i capillari sanguigni
• nel flusso controcorrente
•
i liquidi coinvolti scorrono nello stesso senso
•il materiale in soluzione scorre contro-corrente
•
i liquidi coinvolti scorrono in senso opposto
• i polmoni degli uccelli

sono interessati da flussi d’aria unidirezionali

sono interessati da movimenti di va e vieni dell’aria

sono interessati da due flussi d’aria opposti
• nei mammiferi la contrazione del diaframma
•
corrisponde al processo di espirazione
•
fa aumentare il volume della cassa toracica
•
fa comprimere gli alveoli e i polmoni
3. Rispondi alle seguenti domande:
a) Perché tutte le cellule metabolicamente attive del corpo devono essere costantemente
rifornite di ossigeno ?
b) Perché le superfici respiratorie devono essere sempre umide ?
c) Quali sono gli adattamenti che si sono sviluppati nel corso dell’evoluzione per funzionare
da superfici di scambio ?
d) In che modo le branchie rendono quanto più efficiente possibile l’assunzione dell’ossigeno
dall’acqua ?
e) Che percorso segue l’ossigeno per passare dall’ambiente esterno alle singole cellule di un
insetto ?
f) Che cosa rende così efficiente l’apparato respiratorio degli uccelli?
4. Elenca nel giusto ordine le seguenti strutture, che costituiscono l’apparato respiratorio
umano,secondo il percorso che l’ossigeno segue dall’ambiente esterni fino al sangue:
bronchioli, laringe, cavità nasali, bronchi, trachea, capillari sanguigni, alveoli polmonari.
5. Paragona i diversi tipi di apparati respiratori del regno animale utilizzando una tabella.