SISTEMA RESPIRATORIO: FUNZIONI, PARTI, FUNZIONAMENTO - BIOLOGIA - 2024

L' apparato respiratorio o sistema respiratorio comprende una serie di organi specializzati che mediano lo scambio di gas, che comporta l'assorbimento di ossigeno e la rimozione dell'anidride carbonica.

Sono previste una serie di passaggi che consentono l'arrivo dell'ossigeno alla cellula e l'eliminazione dell'anidride carbonica, compreso lo scambio d'aria tra l'atmosfera ei polmoni (ventilazione), seguito dalla diffusione e dallo scambio di gas sulla superficie polmonare , trasporto di ossigeno e scambio di gas a livello cellulare.

Di LadyofHats, Jmarchn, tramite Wikimedia Commons

È un sistema vario nel regno animale, composto da varie strutture a seconda del lignaggio di studio. Ad esempio, i pesci hanno strutture funzionali in un ambiente acquatico come le branchie, i mammiferi hanno i polmoni e la maggior parte degli invertebrati ha le trachee.

Gli animali unicellulari, come i protozoi, non richiedono strutture speciali per la respirazione e lo scambio di gas avviene per semplice diffusione.

Negli esseri umani il sistema è costituito dai passaggi nasali, dalla faringe, dalla laringe, dalla trachea e dai polmoni. Questi ultimi vengono successivamente ramificati in bronchi, bronchioli e alveoli. Lo scambio passivo di molecole di ossigeno e anidride carbonica avviene negli alveoli.

Definizione di respirazione

Il termine "respirazione" può essere definito in due modi. In modo colloquiale, quando usiamo la parola respirare, stiamo descrivendo l'azione di portare ossigeno ed eliminare l'anidride carbonica nell'ambiente esterno.

Tuttavia, il concetto di respirazione comprende un processo più ampio rispetto alla semplice entrata e uscita dell'aria nella gabbia toracica. Tutti i meccanismi coinvolti nell'utilizzo dell'ossigeno, nel trasporto del sangue e nella produzione di anidride carbonica avvengono a livello cellulare.

Un secondo modo di definire la parola respirazione è a livello cellulare e questo processo è chiamato respirazione cellulare, dove la reazione dell'ossigeno avviene con molecole inorganiche che producono energia sotto forma di ATP (adenosina trifosfato), acqua e anidride carbonica.

Pertanto, un modo più preciso per riferirsi al processo di aspirazione ed espulsione dell'aria attraverso i movimenti toracici è il termine "ventilazione".

Caratteristiche

La funzione principale del sistema respiratorio è orchestrare i processi di assorbimento di ossigeno dall'esterno attraverso i meccanismi di ventilazione e respirazione cellulare. Uno dei rifiuti del processo è l'anidride carbonica che raggiunge il flusso sanguigno, passa nei polmoni e viene rimossa dal corpo nell'atmosfera.

Il sistema respiratorio è incaricato di mediare tutte queste funzioni. Nello specifico, è responsabile del filtraggio e dell'umidificazione dell'aria che entrerà nel corpo, oltre a filtrare le molecole indesiderate.

È anche responsabile della regolazione del pH dei fluidi corporei - indirettamente - controllando la concentrazione di CO ₂ , trattenendola o eliminandola. D'altra parte, è coinvolto nella regolazione della temperatura, nella secrezione di ormoni nel polmone e aiuta il sistema olfattivo a rilevare gli odori.

Inoltre, ogni elemento del sistema svolge una funzione specifica: le narici riscaldano l'aria e forniscono protezione ai germi, la faringe, la laringe e la trachea mediano il passaggio dell'aria.

Inoltre, la faringe è coinvolta nel passaggio del cibo e la laringe nel processo di fonazione. Infine, negli alveoli avviene il processo di scambio di gas.

Organi respiratori nel regno animale

In piccoli animali, inferiori a 1 mm, lo scambio di gas può avvenire attraverso la pelle. Infatti alcuni lignaggi animali, come i protozoi, le spugne, gli cnidari e alcuni vermi, effettuano il processo di scambio gassoso mediante semplice diffusione.

Negli animali più grandi, come i pesci e gli anfibi, è presente anche la respirazione cutanea, al fine di integrare la respirazione eseguita dalle branchie o dai polmoni.

Ad esempio, le rane possono svolgere l'intero processo di scambio di gas attraverso la pelle nelle fasi di ibernazione, poiché sono totalmente immerse negli stagni. Nel caso delle salamandre, ci sono esemplari che mancano completamente di polmoni e respirano attraverso la pelle.

Tuttavia, con l'aumento della complessità animale, la presenza di organi specializzati per lo scambio gassoso è necessaria per soddisfare le elevate esigenze energetiche degli animali multicellulari.

L'anatomia degli organi che mediano lo scambio di gas in diversi gruppi di animali sarà descritta in dettaglio di seguito:

Trachee

Di BruceBlaus. Quando si utilizza questa immagine in fonti esterne, può essere citata come: Blausen.com staff (2014). "Galleria medica di Blausen Medical 2014". WikiJournal of Medicine 1 (2). DOI: 10.15347 / wjm / 2014.010. ISSN 2002-4436. , da Wikimedia Commons

Gli insetti e alcuni artropodi hanno un sistema respiratorio molto efficiente e diretto. Consiste in un sistema di tubi, chiamati trachee, che si estendono per tutto il corpo dell'animale.

Le trachee si ramificano in tubi più stretti (circa 1 µm di diametro) chiamati trachealas. Sono occupati dal fluido e terminano in diretta associazione con le membrane cellulari.

Di Indolences (File: Throat Diagram.svg), tramite Wikimedia Commons

L'aria entra nel sistema attraverso una serie di aperture a forma di valvola, chiamate sfiatatoi. Questi hanno la capacità di chiudersi in risposta alla perdita di acqua per prevenire l'essiccazione. Allo stesso modo, dispone di filtri per impedire l'ingresso di sostanze indesiderate.

Alcuni insetti, come le api, possono eseguire movimenti del corpo volti alla ventilazione del sistema tracheale.

Branchie

Le branchie, dette anche branchie, consentono un'efficace respirazione negli ambienti acquatici. Negli echinodermi sono costituiti da un'estensione della superficie dei loro corpi, mentre nei vermi marini e negli anfibi sono ciuffi o ciuffi.

I più efficienti sono nel pesce e sono costituiti da un sistema di branchie interne. Sono strutture filamentose con un adeguato apporto di sangue che va contro la corrente dell'acqua. Con questo sistema "controcorrente" è possibile garantire la massima estrazione di ossigeno dall'acqua.

La ventilazione delle branchie è associata ai movimenti dell'animale e all'apertura della bocca. Negli ambienti terrestri le branchie perdono il supporto galleggiante dell'acqua, si seccano e i filamenti si uniscono, portando al collasso dell'intero sistema.

Per questo motivo, i pesci soffocano quando sono fuori dall'acqua, anche se hanno grandi quantità di ossigeno intorno a loro.

Polmoni

I polmoni dei vertebrati sono cavità interne, provviste di abbondanti vasi la cui funzione è quella di mediare lo scambio di gas con il sangue. In alcuni invertebrati si parla di "polmoni", sebbene queste strutture non siano tra loro omologhe e siano molto meno efficienti.

Negli anfibi i polmoni sono molto semplici, simili a un sacco che in alcune rane è suddiviso. La superficie disponibile per lo scambio aumenta nei polmoni dei rettili non aviari, che sono suddivisi in numerose sacche interconnesse.

Nella stirpe degli uccelli, l'efficienza dei polmoni aumenta grazie alla presenza di sacche d'aria, che fungono da spazio di riserva per l'aria nel processo di ventilazione.

I polmoni raggiungono la loro massima complessità nei mammiferi (vedi sezione successiva). I polmoni sono ricchi di tessuto connettivo e sono circondati da un sottile strato di epitelio chiamato pleura viscerale, che prosegue nella pleura viscerale, allineato con le pareti del torace.

Gli anfibi usano la pressione positiva per l'ingresso dell'aria nei polmoni, mentre i rettili, gli uccelli e i mammiferi non aviari usano la pressione negativa, dove l'aria viene spinta nei polmoni dall'espansione della gabbia toracica.

Parti (organi) del sistema respiratorio negli esseri umani

Nell'uomo, e nel resto dei mammiferi, l'apparato respiratorio è costituito dalla porzione superiore, composta da bocca, cavità nasale, faringe e laringe; la porzione inferiore costituita dalla trachea e dai bronchi e la porzione del tessuto polmonare.

Parte superiore o tratto respiratorio superiore

Le narici sono le strutture attraverso le quali entra l'aria, queste sono seguite da una camera nasale rivestita da un epitelio che secerne le sostanze mucose. Le narici interne si collegano con la faringe (quella che comunemente chiamiamo gola), dove avviene l'incrocio di due vie: quella digestiva e quella respiratoria.

L'aria entra attraverso l'apertura della glottide, mentre il cibo si fa strada attraverso l'esofago.

L'epiglottide si trova sulla glottide, in modo da impedire l'ingresso del cibo nelle vie aeree, stabilendo un confine tra l'orofaringe - porzione situata dietro la bocca - e la laringofaringe - segmento inferiore -. La glottide si apre nella laringe ("casella vocale") e questa a sua volta lascia il posto alla trachea.

Porzione inferiore o tratto respiratorio inferiore

La trachea è un condotto a forma di tubo, con un diametro di 15-20 mm e una lunghezza di 11 centimetri. La sua parete è rinforzata con tessuto cartilagineo, al fine di evitare il collasso della struttura, grazie a questo è una struttura semiflessibile.

La cartilagine si trova a forma di mezzaluna in 15 o 20 anelli, cioè non circonda completamente la trachea.

La tranquillità si ramifica in due bronchi, uno per ciascun polmone. La destra è più verticale rispetto alla sinistra, oltre ad essere più corta e voluminosa. Dopo questa prima divisione, seguono suddivisioni successive nel parenchima polmonare.

La struttura dei bronchi assomiglia alla trachea per la presenza di cartilagine, muscoli e mucose, sebbene le placche cartilaginee diminuiscano fino a scomparire, quando i bronchi raggiungono un diametro di 1 mm.

Al loro interno, ogni bronco si divide in piccoli tubi chiamati bronchioli, che conducono al dotto alveolare. Gli alveoli hanno un unico strato cellulare molto sottile che facilita lo scambio di gas con il sistema capillare.

Tessuto polmonare

Macroscopicamente, i polmoni sono divisi in lobi da fessure. Il polmone destro è costituito da tre lobi e il sinistro ne ha solo due. Tuttavia, l'unità funzionale dello scambio di gas non sono i polmoni, ma l'unità alveolocapillare.

Gli alveoli sono dei piccoli sacchi a forma di grappolo d'uva che si trovano all'estremità dei bronchioli e corrispondono alla più piccola suddivisione delle vie aeree. Sono coperti da due tipi di cellule, I e II.

Alveoli

Le cellule di tipo I sono caratterizzate dall'essere sottili e consentono la diffusione dei gas. Quelli di tipo II sono più che piccoli del gruppo precedente, meno sottili e la loro funzione è quella di secernere una sostanza di tipo tensioattivo che facilita l'espansione degli alveoli in ventilazione.

Le cellule dell'epitelio sono intervallate da fibre di tessuto connettivo, in modo che il polmone sia elastico. Allo stesso modo, esiste una vasta rete di capillari polmonari in cui avviene lo scambio di gas.

I polmoni sono circondati da un muro di tessuto mesoteliale chiamato pleura. Questo tessuto è solitamente chiamato spazio virtuale, poiché non contiene aria all'interno e ha solo un liquido in quantità minime.

Illustrazione 3D della laringe trachea bronchi parte del sistema respiratorio.

Svantaggi dei polmoni

Uno svantaggio dei polmoni è che lo scambio di gas avviene solo negli alveoli e nel dotto alveolare. Il volume d'aria che raggiunge i polmoni ma si trova in un'area in cui non avviene lo scambio di gas, è chiamato spazio morto.

Pertanto, il processo di ventilazione negli esseri umani è altamente inefficiente. La normale ventilazione può sostituire solo un sesto dell'aria presente nei polmoni. In un evento di respirazione forzata, il 20-30% dell'aria è intrappolato.

gabbia toracica

gabbia toracica

La gabbia toracica ospita i polmoni ed è composta da un insieme di muscoli e ossa. La componente ossea è costituita dalla colonna cervicale e dorsale, dalla gabbia toracica e dallo sterno. Il diaframma è il muscolo respiratorio più importante, che si trova nella parte posteriore della casa.

Ci sono muscoli aggiuntivi inseriti nelle costole, chiamati intercostali. Altri partecipano alla meccanica respiratoria come lo sternocleidomastoideo e gli scaleni, che provengono dalla testa e dal collo. Questi elementi sono inseriti nello sterno e nelle prime costole.

Come funziona?

L'assorbimento di ossigeno è vitale per i processi di respirazione cellulare, dove avviene l'assorbimento di questa molecola per la produzione di ATP in base ai nutrienti ottenuti nel processo di alimentazione attraverso processi metabolici.

In altre parole, l'ossigeno serve per ossidare (bruciare) le molecole e quindi produrre energia. Uno dei residui di questo processo è l'anidride carbonica, che deve essere espulsa dall'organismo. La respirazione coinvolge i seguenti eventi:

Ventilazione

Il processo inizia con la cattura dell'ossigeno nell'atmosfera attraverso il processo di ispirazione. L'aria entra nel sistema respiratorio attraverso le narici, passando attraverso l'intero set di tubi descritto, fino a raggiungere i polmoni.

Prendere aria - respirare - è un processo normalmente involontario ma può passare da automatico a volontario.

Nel cervello, i neuroni del midollo spinale sono responsabili della normale regolazione della respirazione. Tuttavia, il corpo è in grado di regolare la respirazione a seconda del fabbisogno di ossigeno.

Una persona media in uno stato di riposo respira una media di sei litri d'aria ogni minuto e questa cifra può aumentare fino a 75 litri durante i periodi di esercizio intenso.

Lo scambio di gas

L'ossigeno nell'atmosfera è una miscela di gas, composta per il 71% di azoto, il 20,9% di ossigeno e una piccola frazione di altri gas, come l'anidride carbonica.

Quando l'aria entra nel tratto respiratorio, la composizione cambia immediatamente. Il processo di inspirazione satura l'aria con l'acqua e quando l'aria raggiunge gli alveoli si mescola con l'aria residua delle precedenti ispirazioni. A questo punto la pressione parziale dell'ossigeno diminuisce e quella dell'anidride carbonica aumenta.

Nei tessuti respiratori, i gas si muovono seguendo gradienti di concentrazione. Poiché le pressioni parziali dell'ossigeno sono più elevate negli alveoli (100 mm Hg) che nel sangue dei capillari polmonari, (40 mm Hg) l'ossigeno passa ai capillari mediante un processo di diffusione.

Allo stesso modo, la concentrazione di anidride carbonica è maggiore nei capillari polmonari (46 mm Hg) che negli alveoli (40 mm Hg), quindi l'anidride carbonica si diffonde nella direzione opposta: dai capillari sanguigni agli alveoli nel polmoni.

Di Fluid-filled_alveolus2_ja.svg: utente: delldot (modificato da Hatsukari715) opera derivata: OSH FPaD (Fluid-filled_alveolus2_ja.svg), tramite Wikimedia Commons

Trasporto di gas

In acqua, la solubilità dell'ossigeno è così bassa che deve esistere un mezzo di trasporto per soddisfare le esigenze metaboliche. In alcuni piccoli invertebrati, la quantità di ossigeno disciolto nei loro fluidi è sufficiente per soddisfare le richieste dell'individuo.

Tuttavia, nell'uomo l'ossigeno trasportato in questo modo sarebbe sufficiente a soddisfare solo l'1% del fabbisogno.

Per questo motivo, l'ossigeno - e una quantità significativa di anidride carbonica - viene trasportato dai pigmenti nel sangue. In tutti i vertebrati questi pigmenti sono limitati ai globuli rossi.

Nel regno animale, il pigmento più comune è l'emoglobina, una molecola proteica che contiene ferro nella sua struttura. Ogni molecola è composta dal 5% di eme, responsabile del colore rosso del sangue e del legame reversibile con l'ossigeno, e del 95% di globina.

La quantità di ossigeno che può legarsi all'emoglobina dipende da molti fattori, tra cui la concentrazione di ossigeno: quando è alta, come nei capillari, l'emoglobina si lega all'ossigeno; quando la concentrazione è bassa, la proteina rilascia ossigeno.

Altri pigmenti respiratori

Sebbene l'emoglobina sia il pigmento respiratorio presente in tutti i vertebrati e in alcuni invertebrati, non è l'unico.

In alcuni crostacei decapodi, crostacei cefalopodi e molluschi è presente un pigmento blu chiamato emocianina. Invece del ferro, questa molecola ha due atomi di rame.

In quattro famiglie di policheti c'è il pigmento clorocruorina, una proteina che ha il ferro nella sua struttura ed è di colore verde. È simile all'emoglobina per struttura e funzione, sebbene non sia limitato a nessuna struttura cellulare ed è libero nel plasma.

Infine, c'è un pigmento con una capacità di trasporto dell'ossigeno molto inferiore a quella dell'emoglobina chiamato emeritrina. È di colore rosso ed è presente in vari gruppi di invertebrati marini.

Malattie comuni

Asma

È una patologia che colpisce le vie respiratorie, provocandone il gonfiore. In un attacco d'asma, i muscoli intorno alle vie aeree si infiammano e la quantità di aria che può entrare nel sistema viene drasticamente ridotta.

L'attacco può essere innescato da una serie di sostanze chiamate allergeni, tra cui peli di animali domestici, acari, climi freddi, sostanze chimiche negli alimenti, muffe, pollini, tra gli altri.

Edema polmonare

Un edema polmonare consiste nell'accumulo di liquido nei polmoni, che rende difficile la respirazione dell'individuo. Le cause sono generalmente associate a insufficienza cardiaca congestizia, in cui il cuore non pompa abbastanza sangue.

L'aumento della pressione nei vasi sanguigni spinge il fluido negli spazi d'aria all'interno dei polmoni, riducendo così il normale movimento dell'ossigeno nei polmoni.

Altre cause di edema polmonare sono l'insufficienza renale, la presenza di arterie strette che trasportano il sangue ai reni, miocardite, aritmie, attività fisica eccessivamente elevata nella località, uso di alcuni farmaci, tra gli altri.

I sintomi più comuni sono mancanza di respiro, mancanza di respiro, sputare schiuma o sangue e aumento della frequenza cardiaca.

Polmonite

La polmonite sono infezioni dei polmoni e possono essere causate da una varietà di microrganismi, inclusi batteri come Streptococcus pneumoniae, Staphylococcus aureus, Haemophilus influenzae, Mycoplasmas pneumoniae e Chlamydias pneumoniae, virus o funghi come Pneumocystis jiroveci.

Si presenta come un'infiammazione degli spazi alveolari. È una malattia altamente contagiosa, perché gli agenti causali possono essere diffusi nell'aria e diffondersi rapidamente attraverso starnuti e tosse.

Le persone più suscettibili a questa patologia includono individui di età superiore ai 65 anni e con problemi di salute. I sintomi includono febbre, brividi, tosse con catarro, mancanza di respiro, mancanza di respiro e dolore al petto.

La maggior parte dei casi non richiede il ricovero e la malattia può essere trattata con antibiotici (nel caso della polmonite batterica) somministrati per via orale, riposo e bere liquidi.

Bronchite

La bronchite si verifica come un processo infiammatorio nei tubi che trasportano l'ossigeno ai polmoni, causato da un'infezione o per altri motivi. Questa malattia è classificata come acuta e cronica.

I sintomi includono malessere generale, tosse con muco, mancanza di respiro e pressione toracica.

Per curare la bronchite, si consiglia di assumere aspirina o paracetamolo per abbassare la febbre, bere grandi quantità di liquidi e riposare. Se è causato da un agente batterico, vengono presi antibiotici.

Riferimenti

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