Sistema respiratorio — struttura, funzione e scambio gassoso

Il sistema respiratorio è il sistema del corpo che porta ossigeno nell’organismo ed elimina l’anidride carbonica. L’aria si muove attraverso le vie respiratorie fino ai polmoni, ma lo scambio gassoso avviene soprattutto negli alveoli, i minuscoli sacchi d’aria in cui aria e sangue sono molto vicini tra loro. Questa è l’idea fondamentale che la maggior parte degli studenti deve capire per prima.

C’è un’altra distinzione importante: respirazione significa movimento dell’aria dentro e fuori dai polmoni, mentre respirazione cellulare è il processo con cui le cellule liberano energia. Il sistema respiratorio supporta la respirazione cellulare, ma non è la stessa cosa.

Qual è la funzione del sistema respiratorio?

Il sistema respiratorio ha tre compiti principali:

• far entrare e uscire l’aria dai polmoni
• scambiare ossigeno e anidride carbonica tra aria e sangue
• aiutare a regolare la chimica del sangue controllando quanta anidride carbonica viene eliminata

Questi compiti sono collegati tra loro. Le cellule hanno bisogno di ossigeno per la respirazione cellulare aerobica e producono anidride carbonica come prodotto di scarto. Il sistema respiratorio aiuta a mantenere entrambi i gas a livelli utili lavorando a stretto contatto con il sistema circolatorio.

Struttura del sistema respiratorio

Naso, bocca, faringe e laringe

L’aria entra di solito dal naso o dalla bocca. Le cavità nasali aiutano a filtrarla, riscaldarla e umidificarla prima che passi attraverso la faringe e la laringe verso la trachea.

In questa fase, il sistema serve soprattutto a muovere e condizionare l’aria, non a scambiare gas.

Trachea, bronchi e bronchioli

La trachea trasporta l’aria verso il torace. Poi si divide nei bronchi, che a loro volta si ramificano in bronchioli più piccoli all’interno dei polmoni.

Questi tubi formano il principale percorso dell’aria. Sono importanti perché l’aria fresca deve raggiungere gli alveoli affinché lo scambio gassoso possa avvenire.

Polmoni e alveoli

I polmoni contengono milioni di alveoli. Ogni alveolo ha una parete molto sottile e si trova accanto a minuscoli vasi sanguigni chiamati capillari. Questo fa sì che ossigeno e anidride carbonica debbano attraversare solo una distanza molto breve.

È qui che avviene la maggior parte dello scambio gassoso. L’ossigeno passa dall’aria alveolare al sangue, mentre l’anidride carbonica passa dal sangue agli alveoli.

Diaframma e muscoli respiratori

La respirazione dipende dall’azione dei muscoli. Il diaframma è il principale muscolo della respirazione tranquilla. Quando si contrae, la cavità toracica si espande e l’aria viene richiamata nei polmoni. Quando si rilassa, i polmoni tornano indietro elasticamente e l’aria esce.

Durante una respirazione più intensa, come durante l’esercizio fisico, anche altri muscoli possono aiutare a espandere il torace con maggiore forza.

Dove avviene lo scambio gassoso e come funziona

Lo scambio gassoso avviene principalmente attraverso la superficie alveolo-capillare. L’idea utile è semplice: i gas diffondono da una zona in cui hanno una pressione parziale più alta verso una zona in cui hanno una pressione parziale più bassa.

In polmoni sani, l’aria alveolare ha più ossigeno disponibile rispetto al sangue che arriva dai tessuti del corpo, quindi l’ossigeno diffonde nel sangue. Quel sangue in arrivo ha più anidride carbonica dell’aria alveolare, quindi l’anidride carbonica diffonde nella direzione opposta e viene espirata.

Contano sia il flusso d’aria sia il flusso sanguigno. Se l’aria raggiunge gli alveoli ma il flusso sanguigno è scarso, lo scambio gassoso è limitato. Se il sangue raggiunge gli alveoli ma non arriva aria fresca, anche in questo caso lo scambio gassoso è limitato.

Esempio svolto: perché la respirazione accelera durante l’esercizio

Immagina uno studente che inizia uno sprint breve.

I muscoli delle gambe consumano ossigeno più rapidamente e producono anidride carbonica più velocemente. Il sangue che torna da quei muscoli trasporta anidride carbonica in eccesso ai polmoni. In risposta, la respirazione di solito diventa più rapida e più profonda, portando più aria fresca agli alveoli ed eliminando l’anidride carbonica più velocemente.

Il punto chiave non è solo che l’esercizio ti fa respirare affannosamente. Mostra che il sistema respiratorio e il sistema circolatorio si adattano insieme per soddisfare la richiesta dei tessuti. Se la richiesta dei muscoli aumenta, sia la ventilazione sia il trasporto nel sangue devono stare al passo.

Errori comuni degli studenti

Pensare che respirazione e respirazione cellulare siano esattamente la stessa cosa

In biologia, respirazione o ventilazione significa movimento dell’aria dentro e fuori dai polmoni. La respirazione cellulare è il processo chimico con cui le cellule liberano energia. Il sistema respiratorio supporta questo processo, ma non lo sostituisce.

Supporre che lo scambio gassoso avvenga nella trachea o nei bronchi

La trachea, i bronchi e i bronchioli conducono principalmente l’aria. La maggior parte dello scambio gassoso avviene negli alveoli, dove aria e sangue sono separati da una barriera molto sottile.

Considerare l’ossigeno come l’unico gas importante

L’anidride carbonica è altrettanto importante per capire il sistema. Eliminarla è essenziale e i cambiamenti nei suoi livelli influenzano anche il pH del sangue.

Dimenticare il ruolo della circolazione

I polmoni possono scambiare gas con il sangue, ma il sangue deve comunque trasportare l’ossigeno ai tessuti e riportare indietro l’anidride carbonica. Il sistema respiratorio e il sistema circolatorio lavorano come una coppia collegata.

Quando usi questo concetto in biologia

Userai questa idea in anatomia, fisiologia, scienze motorie e medicina. Aiuta a spiegare perché il restringimento delle vie respiratorie rende più difficile respirare, perché le malattie polmonari possono ridurre l’apporto di ossigeno e perché l’esercizio modifica sia la frequenza respiratoria sia la frequenza cardiaca.

Si collega anche direttamente a scambio gassoso, capillari, omeostasi e respirazione cellulare. Una volta compreso il percorso dell’aria e il ruolo degli alveoli, molti argomenti successivi diventano più facili.

Prova a ricostruire il percorso

Segui il percorso di una molecola di ossigeno dal naso o dalla bocca alla trachea, ai bronchi, ai bronchioli, a un alveolo, al sangue e poi a una cellula muscolare. Poi segui il percorso di una molecola di anidride carbonica nella direzione opposta. Se riesci a seguire entrambi i percorsi senza saltare gli alveoli, di solito il sistema respiratorio diventa chiaro.