Il concetto di "scambi gassosi" può sembrare molto astratto e noioso, ma, come spesso accade quando si parla di scienza, si tratta di qualcosa di molto semplice e quotidiano che anche tu stai eseguendo in questo stesso momento. Mi riferisco alla respirazione, un esempio di scambio gassoso tra il nostro organismo e l'ambiente esterno. Continua a leggere per scoprire di più su questo argomento a di poco vitale.
Scambi gassosi: un riassunto
Lo scambio gassoso è il processo fisico mediante il quale i gas si muovono passivamente per diffusione attraverso una superficie. Lo spostamento di gas avviene in modo passivo (ovvero senza l'utilizzo di energia) per effetto di un gradiente di concentrazione.
Un esempio di trasferimento di gas è lo scambio di ossigeno e anidride carbonica durante i processi di respirazione e fotosintesi. Per capire come ossigeno e anidride carbonica passano dai polmoni alle cellule e viceversa, cerchiamo innanzitutto di capire il modo in cui i gas si muovono.
Diffusione e permeabilità
La diffusione è lo spostamento di massa (qualunque massa: atomi, ioni, molecole) che avviene generalmente per effetto di un gradiente di concentrazione, ovvero una differenza di concentrazione della massa in questione tra una regione A e una regione B. Se la regione A ha una bassa concentrazione e la regione B un'alta concentrazione della massa, tale massa tenderà a spostarsi da B verso A.
La diffusione dei gas avviene tra due superfici contigue, come ad esempio gli alveoli e i capillari del polmone. Il tasso di diffusione dei gas dipende dall'area della superficie, dal gradiente di concentrazione, dalla permeabilità e dallo spessore della membrana.
La permeabilità di una membrana indica la capacità delle sostanze di muoversi passivamente attraverso la membrana.
Per capire il concetto di permeabilità di una membrana basti pensare a un ombrello e a un foulard durante un acquazzone. Il tessuto dell'ombrello non è permeabile, poiché non permette alle gocce d'acqua di attraversarlo. Se invece cerchiamo di coprirci con un foulard, diventiamo immediatamente zuppi d'acqua, perché le gocce di pioggia possono muoversi passivamente attraverso di esso.
Qui di seguito puoi trovare la formula per calcolare il tasso di diffusione.
Ecco quindi un elenco dei fattori che influenzano il tasso di diffusione:
Lo spessore della membrana: più la membrana è sottile, più veloce sarà la diffusione. Ad esempio, nei polmoni la barriera tra alveoli e capillari è spessa solo una cellula.
L'area della superficie della membrana: se la superficie è più ampia, gli scambi di gas sono maggiori. Ad esempio, i pesci contengono pile di filamenti e lamelle branchiali che aumentano la superficie di scambio.
Il gradiente di concentrazione: maggiore è la differenza di concentrazione tra le due regioni, maggiore è lo spostamento del gas da una regione all'altra.
La permeabilità della membrana: più una membrana è permeabile, maggiore è la facilità con cui un gas la attraversa.
La differenza di pressione attraverso la membrana: maggiore è la pressione, maggiore sarà la diffusione dei gas. Ad esempio, le contrazioni muscolari possono esercitare pressione e accelerare lo scambio di gas.
Pressione parziale
La pressione parziale si riferisce alla pressione esercitata da un particolare gas nella miscela di gas di cui fa parte.
La pressione parziale viene utilizzata per prevedere il movimento dei gas. Il gas si sposterà da un'area ad alta pressione parziale a un'area a pressione parziale più bassa perché maggiore è la differenza tra le pressioni parziali dei due ambienti, più veloce è il movimento dei gas.
Più che per effetto del gradiente di concentrazione, è più esatto affermare che i gas si muovono per effetto del gradiente di pressione parziale. Perché? Innanzitutto, occorre dire che i gas si muovono in direzioni casuali spinti dall'energia termica e deviano il loro percorso a seconda di ciò in cui si imbattono nel loro cammino. Nel caso di un gas intrappolato in uno spazio chiuso, come ad esempio un contenitore, immaginando che le molecole si trovino su un lato del contenitore, queste si sposteranno verso il lato "vuoto", cioè privo di molecole, secondo il processo di diffusione. Poiché le molecole sono in fase gassosa, il gradiente di concentrazione coincide con il gradiente di pressione parziale (supponendo che non ci sia un gradiente di temperatura). Quindi, il gas si muoverà per effetto del gradiente, che in questo caso coincide con il gradiente di pressione parziale.
Scambi gassosi nei mammiferi: i polmoni
Gli animali hanno sviluppato nel corso dei millenni organi specializzati per permettere l'entrata dell'ossigeno. Nel caso dei mammiferi, troviamo le trachee e i polmoni. Altri animali hanno le branchie, altri ancora, come certi vermi, non hanno bisogno di un organo a parte, poiché assorbono ossigeno lunga tutta la superficie del corpo. Vediamo ora come è costituita la struttura polmonare degli esseri umani.
La trachea è una via aerea flessibile sostenuta dagli anelli di cartilagine che le impediscono di collassare quando la pressione dell'aria al suo interno diminuisce durante l'espirazione. La trachea si divide in due ramificazioni chiamate bronchi. I bronchi si suddividono a loro volta in una serie di bronchioli che terminano negli alveoli, minuscole sacche d'aria. La membrana alveolare è la superficie sulla quale avviene l'effettivo scambio gassoso. La respirazione si suddivide in due fasi: respirazione interna ed esterna.
Respirazione esterna: gli alveoli
L'aria è ricca di ossigeno, mentre il sangue venoso ne è povero. Questa differenza, come visto, costituisce il gradiente di pressione parziale e permette il passaggio dell'ossigeno per diffusione dall'aria al sangue attraverso la membrana degli alveoli e successivamente la membrana dei capillari, i minuscoli vasi sanguigni a diretto contatto con le cellule. Una volta entrato nel sangue, l'ossigeno si lega ai globuli rossi per essere trasportato in tutto il corpo.
Lo scambio di anidride carbonica avviene nello stesso modo, ma in direzione opposta: il sangue venoso è ricco di CO2, quindi la pressione parziale di questo gas è maggiore nel sangue rispetto che nell'aria, il che genera nuovamente uno spostamento per diffusione. L'anidride carbonica viene così espulsa dai polmoni verso l'ambiente esterno tramite l'espirazione.
Gli alveoli hanno adattamenti che facilitano un efficiente scambio gassoso:
Ampia superficie.
Stretto contatto tra alveoli e capillari, poiché la barriera che li separa è spessa in media 1 micron, ovvero 1/10 000 di centimetro.
Strato di umidità che riveste le pareti alveolari e permette ai gas di dissolversi più rapidamente.
Respirazione interna: i tessuti
Il sangue "pulito", cioè privo di CO2 e ricco di ossigeno, viene trasportato dai polmoni verso le cellule tramite l'apparato circolatorio. Una volta raggiunta la destinazione, si verificano nuovamente due movimenti di verso opposto. L'ossigeno, presente in alta pressione nel sangue e in bassa pressione nelle cellule dei tessuti, si sposta dai capillari alle cellule, mentre l'anidride carbonica, presente in alta pressione nelle cellule (a seguito della respirazione cellulare) e in bassa pressione nel sangue, si muove nel verso opposto. Il risultato è il seguente: da un lato, cellule ricche di ossigeno che possono così proseguire con il processo di respirazione cellulare; dall'altro, sangue ricco di anidride carbonica che riprende il suo percorso verso i polmoni.
Gli scambi gassosi appena descritti avvengono a una velocità strabiliante: l'intero ciclo non dura più dell'attimo di un respiro. Tutto questo lo dobbiamo soprattutto all'enorme superficie dei nostri alveoli, che si stima sia compresa tra i 100 e i 150 metri quadrati!1
Scambi gassosi negli organismi unicellulari
Gli organismi unicellulari hanno un ampio rapporto superficie/volume che consente un'efficiente diffusione dei gas. La membrana della cellula è interamente permeabile per facilitare l'entrata di ossigeno e la fuoriuscita di anidride carbonica. La distanza tra l'ambiente interno e quello esterno è sufficientemente piccola e la superficie della membrana è sufficientemente ampia per le esigenze della cellula. Di conseguenza, non sono necessarie strutture specializzate per lo scambio di gas.
Scambi gassosi negli insetti
Gli insetti hanno una rete interna di tubi chiamati trachee che si dividono in tracheole più piccole (i tubi terminali). Dalle tracheole, l'ossigeno viene portato direttamente nei tessuti che respirano.
All'interno di questa struttura, i gas si muovono in tre modi:
Per effetto del gradiente di diffusione: l'ossigeno viene consumato durante la respirazione cellulare, il che porta a diminuirne la concentrazione e aumentare il gradiente, che fa diffondere l'ossigeno dall'atmosfera. A sua volta, l'anidride carbonica aumenta e si diffonde lungo il gradiente di concentrazione fuoriuscendo nell'atmosfera.
Trasporto di massa: la contrazione muscolare può comprimere l'aria in entrata e in uscita, provocando un movimento di massa che accelera il processo di scambio.
Le estremità delle tracheole sono riempite d'acqua: durante le attività più importanti, i muscoli possono iniziare una respirazione anaerobica, oltre che aerobica. La respirazione anaerobica produce lattato che abbassa il potenziale idrico delle cellule muscolari. L'acqua inizia quindi a muoversi lungo il gradiente per osmosi verso le cellule muscolari. L'acqua nelle tracheole si riduce di volume e la diffusione finale del gas avviene in fase gassosa anziché liquida.
Scambi gassosi nei pesci
I pesci, come i mammiferi, hanno un rapporto superficie/volume molto piccolo. Per aumentare la superficie di scambio dei gas, i pesci hanno sviluppato le branchie: il principio è lo stesso di quello alla base dei nostri polmoni. Le branchie sono costituite da filamenti branchiali, i quali a loro volta sono impilati e contengono lamelle branchiali, collocate ad angolo retto rispetto ai filamenti. È interessante notare che il movimento dell'acqua sulle branchie e il flusso sanguigno avvengono in direzioni opposte. Ciò è chiamato sistema di scambio controcorrente.
Il sistema di scambio controcorrente permette al sangue di massimizzare la quantità ossigeno assorbita quando incontra l'acqua. Quando si verifica la diffusione, l'ossigeno si sposta nel sangue. Il sangue con poco ossigeno incontra l'acqua che ne contiene di più. A questo punto, l'ossigeno contenuto nell'acqua, muovendosi secondo il gradiente, entra nel sangue. Cosa succederebbe se il flusso fosse parallelo invece che controcorrente? Il sangue assorbirebbe una percentuale molto inferiore al 50% dell'ossigeno disponibile, motivo per cui i pesci preferiscono attenersi al flusso controcorrente.
Scambi gassosi nelle piante
Nelle piante, lo scambio gassoso avviene a livello delle foglie, le quali presentano una serie di adattamenti per ottimizzare il passaggio dei gas:
Stomi, dei minuscoli pori presenti sulla superficie della foglia che consentono uno stretto contatto dell'aria con le cellule.
Spazi aerei interconnessi in tutto il mesofillo che permettono ai gas di spostarsi rapidamente.
Ampia superficie della foglia stessa per massimizzare lo scambio gassoso.
Scambi gassosi - Punti chiave
- Per poter sopravvivere, gli organismi hanno bisogno di prelevare ossigeno dall'ambiente esterno e di espellere anidride carbonica.
- Gli scambi gassosi sono i processi fisici mediante i quali i gas si muovono passivamente per diffusione attraverso una superficie.
- I fattori che influenzano il tasso di diffusione dei gas sono lo spessore, la superficie dell'area e la permeabilità della membrana da attraversare e il gradiente di pressione parziale tra la regione in cui si trova il gas e la regione verso la quale si deve spostare.
- Gli organismi viventi hanno sviluppato diversi adattamenti per ottimizzare gli scambi gassosi.
- I mammiferi hanno un sistema polmonare, i pesci possiedono branchie con un sistema di flusso controcorrente e gli insetti sono dotati di trachee e tracheole.
References
- Primo Dorello, Antonio Cesaris-Demel, Leonardo Alestra, Vittorio Puccinelli, "Polmone", Enciclopedia Treccani
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