Tutte le cellule viventi hanno bisogno di energia per le loro attività. L’energia viene rilasciata dalla scomposizione del glucosio e di altre sostanze durante il processo di respirazione cellulare.

La respirazione è una reazione chimica che avviene nei mitocondri e nel citoplasma e rilascia energia sotto forma di ATP, che può essere utilizzata all’interno delle cellule. Le nostre cellule usano l’ossigeno per svolgere la respirazione aerobica e produrre anidride carbonica come prodotto di scarto

L’ossigeno viene assorbito dall’aria e l’anidride carbonica viene restituita ad essa in un processo passivo noto come scambio di gas. Lo scambio di gas avviene negli alveoli dei polmoni dove l’ossigeno dall’aria si diffonde nei capillari sanguigni e l’anidride carbonica passa nella direzione opposta. I gas vengono scambiati anche nei tessuti, dove l’ossigeno si diffonde nelle cellule che respirano e viene scambiato con anidride carbonica. Ogni volta che si verifica la diffusione, deve sempre esserci un gradiente di concentrazione con un livello più alto della sostanza diffondente in un’area piuttosto che in un’altra. L’aria all’interno degli alveoli contiene una maggiore concentrazione di ossigeno rispetto al sangue, quindi l’ossigeno si diffonde nel sangue. Il sangue contiene un livello più elevato di anidride carbonica rispetto all’aria inalata; quindi, l’anidride carbonica si diffonde negli alveoli( Fig.42.01).

Affinché lo scambio di gas continui, questi gradienti di concentrazione devono essere mantenuti. Man mano che l’ossigeno si diffonde dagli alveoli, il livello di ossigeno al loro interno diminuisce gradualmente e il livello di anidride carbonica aumenta. L’aria viziata con alti livelli di anidride carbonica e bassi livelli di ossigeno deve essere espulsa regolarmente e sostituita con una nuova fornitura per ripristinare i gradienti di concentrazione dei due gas. Ciò si ottiene inspirando ed espirando, processo noto come ventilazione.

Il sistema di ventilazione umano

I nostri polmoni sono protetti all’interno del torace in una cavità a tenuta d’aria formata dalle costole e dal diaframma. L’interno della cassa toracica è rivestito da membrane che secernono fluido per lubrificare i polmoni, rendendoli scivolosi e riducendo l’attrito durante la respirazione. L’aria viene aspirata attraverso il naso e passa lungo la trachea fino ai due bronchi, uno dei quali passa a ciascun polmone (Fig.42.02). I bronchi si dividono in tubi sempre più piccoli, chiamati bronchioli, che terminano in minuscole sacche d’aria o alveoli. Gli alveoli sono ricoperti da una rete di capillari e insieme ci forniscono una superficie molto ampia per lo scambio di ossigeno e anidride carbonica.

I polmoni non hanno muscoli e non possono muoversi da soli. La respirazione è determinata da due serie di muscoli intercostali tra le costole e dal diaframma, il foglio di muscoli che separa il torace dall’addome Durante l’inspirazione, la contrazione dei muscoli intercostali esterni solleva le costole e la contrazione del diaframma abbassa la base del torace. Questi movimenti aumentano il volume della cavità toracica e abbassano la pressione sui polmoni al di sotto di quella dell’aria esterna. Di conseguenza, l’aria viene aspirata lungo la trachea per riempire i polmoni. L’espirazione si verifica quando i muscoli intercostali e del diaframma si rilassano riducendo il volume della cavità toracica. Le fibre elastiche attorno agli alveoli ritornano alla loro lunghezza originale e la pressione spinge l’aria fuori dai polmoni. Espirazioni lunghe o forzate coinvolgono i muscoli intercostali interni che si contraggono per abbassare le costole. Anche i muscoli della parete addominale cominciano a contrarsi e spingere verso l’alto il diaframma rilassato. La pressione all’interno della cavità toracica aumenta e l’aria viene espulsa dai polmoni. Il lavoro degli intercostali esterni produce un effetto opposto alla contrazione degli intercostali interni( Fig.42.02).

Importanza degli alveoli. Gli alveoli sono le superfici di scambio dei gas del corpo. Formati in grappoli alle estremità dei bronchioli più piccoli, più di 300 milioni di alveoli in ciascun polmone insieme forniscono una superficie di circa 75 m2. Gli alveoli hanno una forma sferica approssimativamente e sono costituiti da cellule di pneumociti di spessore inferiore a 5 ÿm (Fig.42.03). Anche i capillari che li avvolgono hanno pareti sottili di singole cellule epiteliali.

Questi due strati sottili riducono al minimo la distanza di diffusione dei gas. L’ossigeno si diffonde attraverso l’alveolo e il capillare nel sangue e l’anidride carbonica si diffonde nella direzione opposta. Finché il gradiente di diffusione è mantenuto da una respirazione regolare, la diffusione continua.

Le pareti degli alveoli contengono due tipi di cellule chiamate pneumociti I pneumociti di tipo I coprono la maggior parte della superficie (97%) del sacco aereo e sono responsabili dello scambio di gas. Le cellule di tipo I sono circa il doppio degli pneumociti di tipo II, che sono cellule più grandi e rotonde che producono e secernono un liquido contenente un tensioattivo, che riduce la tensione superficiale e impedisce ai lati dell’alveolo di aderire l’uno all’altro. I pneumociti di tipo I non possono dividersi, ma se sono danneggiati le cellule di tipo II possono dividersi per sostituirli.