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Respirazione cellulare

Nelle profondità abissali, alla base dei vulcani sottomarini, vivono, in condizioni estreme a temperatura superiore ai 90° centigradi, colonie di batteri che utilizzano lo zolfo al posto dell’ossigeno per portare a termine le proprie reazioni chimiche (nella foto). Altri organismi unicellulari “respirano” gas ancora diversi come l’azoto. Anche gli organi della respirazione sono differenti: nell’uomo sono presenti i polmoni, animali più semplici, come i lombrichi, “respirano” attraverso la pelle.

Camini idrotermali

In tutto il regno animale, il sistema di trasporto delle sostanze e dei gas, è profondamente diversificato: il liquido dell’apparato circolatorio può essere di colore rosso per la presenza del ferro come nella specie umana oppure verde-azzurro per il rame come nelle chiocciole. Anche il cuore presenta molte differenze: può essere un organo singolo, con diverse cavità, o un organo multiplo come nei lombrichi.

Anche le strategie alimentari non fanno eccezione: ogni specie si nutre di sostanze diverse. Nonostante le grandi differenze, l’apparato respiratorio, l’apparato circolatorio e l’apparato digerente, possono avere una funzione comune?

Come abbiamo visto l’apparato respiratorio ci consente di scambiare i gas con l’ambiente esterno, quello circolatorio permette il trasporto dei gas e delle sostanze nutritive in tutto il corpo e con l’apparato digerente introduciamo le sostanze che ci permettono di vivere. In realtà se li osserviamo nel loro complesso, prestando maggiore attenzione al trasporto orizzontale piuttosto che a quello verticale, notiamo che sono indispensabili per la reazione più importante più importante che avviene in tutti gli organismi: la respirazione cellulare.

La respirazione cellulare, che avviene in tutte le cellule di qualsiasi essere vivente, è un processo biochimico attraverso il quale le sostanze organiche assunte con il cibo e i gas come l’ossigeno, trasportati dall’apparato circolatorio, reagiscono insieme per produrre energia.

Quindi, anche brevi periodi senza ossigeno possono essere letali perché, bloccandosi tutte le reazioni di respirazione cellulare, viene a mancare completamente l’apporto energetico: addirittura il nostro cervello può subire danni permanenti se manca il rifornimento di ossigeno solo per cinque minuti.

Respirazione negli animali

I mammiferi, anche quelli che vivono in ambiente acquatico come i delfini e le balene, la maggior parte degli uccelli, degli anfibi e dei rettili, presentano dei polmoni simili a quello dell’uomo; però alcuni di loro, come le rane e i rospi adulti, hanno i polmoni senza introflessioni quindi, visto che la superficie respiratoria non è molto ampia, scambiano i gas anche attraverso la pelle.

Negli uccelli sono presenti 7 o 8 sacchi aerei posizionati al

Sacchi aerei

l’interno del torace, dell’addome, delle ali e anche delle ossa: costituiscono una riserva d’aria e permettono di abbassare il peso specifico migliorando le performance nel volo. Gli animali acquatici hanno delle strutture con molti vasi sanguigni, le branchie attraverso cui fanno passare un flusso d’acqua per estrarre l’ossigeno: visto che la concentrazione di questo gas nell’acqua è molto bassa, i pesci ad intenso metabolismo, per aumentare questo flusso nuotano a bocca aperta

Le strategie più interessanti si ritrovano negli invertebrati: spugne e meduse, attraverso il loro strato più esterno, scambiano i gas che, una volta entrati, passano a tutte le altre cellule per diffusione. I lombrichi usano lo stesso sistema ma i gas raggiungono le altre cellule attraverso l’apparato circolatorio.

Stigmi cavallette

Negli insetti è presente un curioso stratagemma: questi piccoli animali hanno una rete molto ramificata di microtubuli, le trachee, che arrivano fino ai tessuti e si aprono verso l’esterno con dei fori, gli stigmi, protetti da peli che impediscono l’ingresso di corpi estranei. In questo modo diventa inutile la presenza del sistema circolatorio per il trasporto dei gas.

Il percorso dell’aria

L’aria entra nel nostro corpo attraverso la bocca oppure attraverso il naso dove le cellule ciliate della mucosa sono in grado di riscaldarla e di purificarla dai batteri. Da qui passa nella faringe, che è un tratto condiviso con l’apparato digerente e, dopo, incontra la laringe, un condotto protetto da uno scheletro cartilagineo che si può riconoscere anche all’esterno (“il pomo d’Adamo”). La mucosa interna, invece, possiede alcune pieghe, le corde vocali, che vibrando al passaggio dell’aria, permettono la produzione dei suoni. La trachea segue la laringe e, anch’essa, è protetta e mantenuta sempre aperta da una serie di anelli cartilaginei che hanno la forma di una C e sono aperti nella parte posteriore.

Vie respiratorie

La trachea si divide, quindi, in due bronchi che penetrano nei polmoni e confluiscono in una rete di bronchioli che, diventando sempre più piccoli, formano gli alveoli polmonari, le strutture in cui avviene la diffusione dei gas verso i capillari.

La ventilazione polmonare

La ventilazione polmonare è il meccanismo attraverso il quale i polmoni si riempiono e si svuotano periodicamente di aria. Qual è il motore di questo “flusso di vento”? Per far entrare l’aria nei polmoni è necessario che al loro interno si crei una depressione ossia una pressione inferiore a quella atmosferica, per farla uscire invece, la pressione all’interno deve essere maggiore rispetto a quella esterna. I due muscoli responsabili di questo processo sono i muscoli intercostali e il diaframma, un muscolo sottile che forma il pavimento della gabbia toracica. Quando si contraggono, la gabbia toracica si espande, i polmoni si dilatano, si crea una depressione e l’aria entra (inspirazione). Quando si rilasciano, avviene il processo inverso: il volume della gabbia toracica e dei polmoni diminuisce e l’aria esce (espirazione).

Cosa fa muovere questi muscoli?

Il diaframma e i muscoli intercostali si contraggono in seguito ad una stimolazione nervosa il cui impulso parte dal centro respiratorio situato in una regione del cervello, il tronco cerebrale. Il centro respiratorio blocca l’impulso e, quindi, la contrazione, quando speciali recettori, presenti sui bronchi, segnalano che i polmoni sono completamente distesi e pieni d’aria. A questo punto i muscoli si rilasciano e i polmoni si svuotano. Il centro della respirazione può svolgere un’altra importante funzione: quando ci sottoponiamo ad un’intensa attività fisica, il nostro corpo ha bisogno di maggiore energia per cui è necessario un maggior apporto di ossigeno e l’eliminazione dell’anidride carbonica in eccesso. La frequenza di contrazione deve, quindi, aumentare: altri recettori presenti nelle arterie carotidi (i vasi posizionati nel collo che servono a portare il sangue al cervello) quando “sentono” un’elevata concentrazione di anidride carbonica (e di conseguenza una bassa di ossigeno) inviano un impulso al centro della respirazione che, velocemente, modifica la frequenza del respiro.

Caratteristiche chimiche dell’aria

La concentrazione dei gas che entrano od escono dalle vie respiratorie è molto diversa: mentre l’ossigeno diminuisce dal 21% dell’aria inspirata al 16% dell’aria espirata perché viene utilizzato dai tessuti durante la respirazione cellulare, l’anidride carbonica, che è uno dei prodotti di scarto della respirazione cellulare passando dai tessuti al sangue e, da qui, nelle vie respiratorie, arriva fino al 4% (partendo dal 0.03%).

Polmoni

Nella specie umana lo scambio dei gas avviene attraverso i polmoni, due organi protetti dalla gabbia toracica. Il polmone destro è più grande ed è formato da tre lobi mentre il sinistro ne possiede soltanto due per lasciare lo spazio al cuore. Entrambi i polmoni sono rivestiti da due foglietti, le pleure, una attaccata ai polmoni e l’altra alla gabbia toracica: lo spazio tra le due contiene un liquido, il liquido pleurico, che consente lo scorrimento laterale e reciproco dei due foglietti.

Struttura dei polmoni

L’ossigeno passa dall’epitelio respiratorio (la parete interna dei polmoni) alla fitta rete dei capillari che lo riveste. Per questo motivo è fondamentale avere una ampia superficie: per aumentarla, ogni polmone possiede delle introflessioni ossia delle ripiegature della parete verso l’interno, in questo modo l’area complessiva diventa addirittura uguale a quella di un campo da tennis.

I polmoni sono costituiti da un tessuto spugnoso e, al loro interno, sono presenti milioni di piccole strutture di forma semisferica, gli alveoli polmonari. Intorno agli alveoli troviamo sottilissimi vasi, i capillari polmonari, attraverso cui i gas si muovono per diffusione, dalla zona a concentrazione maggiore verso quella a concentrazione minore. L’ossigeno passa quindi dagli alveoli ai capillari, dove si lega all’emoglobina una proteina contenuta nei globuli rossi: in questo modo viene trasportato a tutte le cellule del corpo. La respirazione cellulare ha, come prodotto di scarto, l’anidride carbonica che segue il percorso inverso: dai tessuti passa nel sangue dove viene trasportata dall’emoglobina dei globuli rossi nei capillari polmonari e da qui diffonde verso gli alveoli per essere poi espulsa verso l’esterno.

Malattie dell’apparato respiratorio

Il raffreddore o rinite è l’infiammazione acuta della mucosa nasale causata da un virus che riesce a riprodursi se trova le condizioni favorevoli come la grande quantità di muco prodotto dalle ghiandole della parete interna a causa delle variazioni di temperatura o di un eccessivo raffreddamento. Secondo gli ultimi studi gli starnuti potrebbero essere la risposta, da parte del sistema immunitario, al virus: la parte della mucosa attaccata, infatti, è estremamente superficiale quindi attraverso lo starnuto il corpo riesce a liberarsene del virus e delle cellule malate. Visto che il raffreddore è causato da un virus è assolutamente inutile assumere antibiotici che non contribuiscono alla guarigione.

Le infiammazioni sia di origine virale sia di origine batterica (e solo in questo caso sono curabili con gli antibiotici) possono interessare anche le altre vie respiratorie e il loro nome dipende dalla zona del corpo coinnvolta: laringiti, faringiti, tracheiti, bronchiti e polmoniti. Nei primi due casi abbiamo raucedine o addirittura perdita della voce, tipica delle tracheiti e delle bronchiti, invece, è la tosse che può essere secca o con essudato catarrale.

      Fumatori-Non fumatori

Due parole sul fumo

Durante la combustione delle sigarette, si liberano circa 12000 sostanze: alcune delle particelle più solide vengono trattenute dalle mucose delle vie aeree superiori che producono così più muco causando tosse cronica, altre arrivano fino agli alveoli riducendone, di molto, la funzionalità.

                       Fumo tra i giovani

Il monossido di carbonio si lega, all’emoglobina dei globuli rossi sostituendosi all’ossigeno e riducendo la concentrazione di quest’ultimo nei tessuti. La nicotina è una droga che induce dipendenza fisica e psicologica, causa danni ai vasi sanguigni, aumenta la frequenza cardiaca e la secrezione dello ghiandole dello stomaco causando gastriti e ulcere. Inoltre il fumo viene inalato ad un’altissima temperatura e questo può stimolare la formazione di tumori alla faringe, alla laringe e alla trachea. Si stima che nel mondo, ogni anno, muoiano circa tre milioni di persone per malattie provocate dal fumo.