Biologia per le Major II

Figura 1. La cellula dell’alga Ventricaria ventricosa unicellulare è una delle più grandi conosciute, raggiungendo da uno a cinque centimetri di diametro. Come tutti gli organismi unicellulari, V. ventricosa scambia gas attraverso la membrana cellulare.

Tutti gli organismi aerobici richiedono ossigeno per svolgere le loro funzioni metaboliche. Lungo l’albero evolutivo, diversi organismi hanno escogitato diversi mezzi per ottenere ossigeno dall’atmosfera circostante. L’ambiente in cui vive l’animale determina notevolmente come un animale respira. La complessità del sistema respiratorio è correlata alla dimensione dell’organismo. All’aumentare delle dimensioni degli animali, le distanze di diffusione aumentano e il rapporto tra superficie e volume diminuisce. Negli organismi unicellulari, la diffusione attraverso la membrana cellulare è sufficiente per fornire ossigeno alla cellula (Figura 1).

La diffusione è un processo di trasporto lento e passivo. Affinché la diffusione sia un mezzo fattibile per fornire ossigeno alla cellula, la velocità di assorbimento dell’ossigeno deve corrispondere alla velocità di diffusione attraverso la membrana. In altre parole, se la cellula fosse molto grande o spessa, la diffusione non sarebbe in grado di fornire ossigeno abbastanza rapidamente all’interno della cellula. Pertanto, la dipendenza dalla diffusione come mezzo per ottenere ossigeno e rimuovere l’anidride carbonica rimane fattibile solo per piccoli organismi o quelli con corpi altamente appiattiti, succs come molti vermi piatti (Platyhelminthes). Organismi più grandi dovevano evolvere tessuti respiratori specializzati, come branchie, polmoni e passaggi respiratori accompagnati da un complesso sistema circolatorio, per trasportare ossigeno in tutto il loro corpo.

Diffusione diretta

Figura 2. Il processo di respirazione di questo flatworm funziona per diffusione attraverso la membrana esterna. (credit: Stephen Childs)

Per i piccoli organismi multicellulari, la diffusione attraverso la membrana esterna è sufficiente per soddisfare il loro fabbisogno di ossigeno. Lo scambio di gas per diffusione diretta attraverso le membrane superficiali è efficiente per organismi di diametro inferiore a 1 mm. Negli organismi semplici, come cnidari e platelminti, ogni cellula del corpo è vicina all’ambiente esterno. Le loro cellule sono mantenute umide e i gas si diffondono rapidamente attraverso la diffusione diretta. I platelminti sono piccoli, letteralmente vermi piatti, che” respirano ” attraverso la diffusione attraverso la membrana esterna (Figura 2). La forma piatta di questi organismi aumenta la superficie per la diffusione, assicurando che ogni cellula all’interno del corpo sia vicina alla superficie esterna della membrana e abbia accesso all’ossigeno. Se il flatworm avesse un corpo cilindrico, le cellule al centro non sarebbero in grado di ottenere ossigeno.

Pelle e branchie

Lombrichi e anfibi usano la loro pelle (tegumento) come organo respiratorio. Una fitta rete di capillari si trova appena sotto la pelle e facilita lo scambio di gas tra l’ambiente esterno e il sistema circolatorio. La superficie respiratoria deve essere mantenuta umida in modo che i gas si dissolvano e si diffondano attraverso le membrane cellulari.

Figura 3. Questa carpa comune, come molti altri organismi acquatici, ha branchie che gli permettono di ottenere ossigeno dall’acqua. (credito: “Guitardude012” /Wikimedia Commons)

Gli organismi che vivono nell’acqua hanno bisogno di ottenere ossigeno dall’acqua. L’ossigeno si dissolve in acqua ma a una concentrazione inferiore rispetto all’atmosfera. L’atmosfera ha circa il 21 per cento di ossigeno. In acqua, la concentrazione di ossigeno è molto più piccola di quella. I pesci e molti altri organismi acquatici hanno sviluppato branchie per assorbire l’ossigeno disciolto dall’acqua (Figura 3). Le branchie sono filamenti di tessuto sottili che sono altamente ramificati e piegati. Quando l’acqua passa sopra le branchie, l’ossigeno disciolto nell’acqua si diffonde rapidamente attraverso le branchie nel flusso sanguigno. Il sistema circolatorio può quindi trasportare il sangue ossigenato alle altre parti del corpo. Negli animali che contengono fluido celomico invece di sangue, l’ossigeno si diffonde attraverso le superfici branchiali nel fluido celomico. Le branchie si trovano in molluschi, anellidi e crostacei.

Le superfici piegate delle branchie forniscono un’ampia superficie per garantire che il pesce riceva ossigeno sufficiente. La diffusione è un processo in cui il materiale viaggia da regioni di alta concentrazione a bassa concentrazione fino al raggiungimento dell’equilibrio. In questo caso, il sangue con una bassa concentrazione di molecole di ossigeno circola attraverso le branchie. La concentrazione di molecole di ossigeno nell’acqua è superiore alla concentrazione di molecole di ossigeno nelle branchie. Di conseguenza, le molecole di ossigeno si diffondono dall’acqua (alta concentrazione) al sangue (bassa concentrazione), come mostrato in Figura 4. Allo stesso modo, le molecole di anidride carbonica nel sangue si diffondono dal sangue (alta concentrazione) all’acqua (bassa concentrazione).

Figura 4. Mentre l’acqua scorre sopra le branchie, l’ossigeno viene trasferito al sangue attraverso le vene. (credito “pesce”: modifica del lavoro di Duane Raver, NOAA)

Sistemi tracheali

Figura 5. Gli insetti eseguono la respirazione attraverso un sistema tracheale.

La respirazione degli insetti è indipendente dal suo sistema circolatorio; pertanto, il sangue non svolge un ruolo diretto nel trasporto dell’ossigeno. Gli insetti hanno un tipo altamente specializzato di sistema respiratorio chiamato sistema tracheale, che consiste in una rete di piccoli tubi che trasporta l’ossigeno a tutto il corpo. Il sistema tracheale è il sistema respiratorio più diretto ed efficiente negli animali attivi. I tubi nel sistema tracheale sono fatti di un materiale polimerico chiamato chitina.

I corpi degli insetti hanno aperture, chiamate spiracoli, lungo il torace e l’addome. Queste aperture si collegano alla rete tubolare, consentendo all’ossigeno di passare nel corpo (Figura54) e regolando la diffusione di CO2 e vapore acqueo. L’aria entra ed esce dal sistema tracheale attraverso gli spiracoli. Alcuni insetti possono ventilare il sistema tracheale con movimenti del corpo.

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