# Scienze per la scuola media/Apparato respiratorio

Scienze per la scuola media
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La respirazione è un processo mediante il quale un organismo assume ossigeno dall'ambiente esterno ed elimina anidride carbonica.
Ogni cellula e dunque ogni organismo ha bisogno di energia, questa viene prodotta con la respirazione cellulare. Attraverso il sangue ogni cellula riceve glucosio e ossigeno e allontana l’anidride carbonica. L'ossigeno è introdotto nel corpo umano perché serve per creare una reazione combinandosi con il glucosio. Il ricambio gassoso con l’esterno è compito della respirazione polmonare, resa possibile dall'apparato respiratorio, formato dai polmoni e dalle vie respiratorie, che comprendono le cavità nasali,la faringe, la laringe, la trachea e i bronchi.

## La respirazione cellulare

La respirazione cellulare è una reazione chimica che avviene nei mitocondri della cellula animale e vegetale: C$_6$H$_{12}$O$_6$+6O$_2$=6H$_2$O+6CO$_2$+ATP+calore
Il glucosio reagisce con l’ossigeno e produce energia [che viene immagazzinata in molecole di ATP] e calore, oltre ad anidride carbonica e acqua. Ogni cellula deve ricevere glucosio e ossigeno nella proporzione giusta e con continuità e deve allontanare i prodotti di rifiuto, soprattutto l’anidride carbonica. Il sangue è il veicolo che provvede agli scambi di queste sostanze all’interno del corpo umano.

## La respirazione esterna

Consiste nell'alternarsi di inspirazione ed espirazione.

### Inspirazione

L'inspirazione, cioè l'immissione d'aria, è solo l'inizio di una lunga strada che l'ossigeno deve compiere per giungere alle cellule.

### Espirazione

L'emissione d'aria, o espirazione, è invece la fase conclusiva dell'espulsione d'aria carica di anidride carbonica prodotta con la respirazione cellulare.

## Atto respiratorio

È l'insieme di un'inspirazione di un'espirazione e di una breve pausa prima di un nuovo atto respiratorio

## Il percorso dell'ossigeno

L’aria entra dalla bocca e dal naso. Nel naso, grazie ai lunghi peli (vibrisse) delle narici e al muco prodotto da cellule specializzate, l’aria viene purificata e riscaldata da una fitta rete di capillari sanguigni. Dopo il naso c’è la faringe, un breve tubo attraverso il quale transitano sia l’aria, che andrà nell’apparato respiratorio, sia il cibo, destinato all’apparato digerente: la faringe, infatti continua in basso con l’esofago e con la laringe. La faringe comunica anche con la cavità dell’orecchio, tramite un tubo chiamato tromba di Eustachio. Un piccolo pezzo di cartilagine, l’epiglottide, chiude l’apertura della laringe quando inghiottiamo il cibo, per impedire che esso entri nelle vie respiratorie: quando inspiriamo, l’epiglottide si solleva e permette il passaggio dell’aria nella laringe, se per caso il cibo entra nelle vie respiratorie viene prontamente espulso con un colpo di tosse. La laringe ha la forma di un imbuto rovesciato; la parte più sporgente, la cartilagine tiroidea, corrisponde nell'uomo al cosiddetto pomo di Adamo. Nella laringe si trovano le corde vocali, due membrane che vibrano al passaggio dell’aria e producono i suoni. Alla laringe segue la trachea, un tubo lungo circa 12 cm costituito da una serie di anelli cartilaginei incompleti. Si trova davanti all'esofago ed è rivestita interamente da ciglia mobili, e da cellule che producono muco. Il movimento delle ciglia crea una corrente di muco verso l’esterno, che facilita l’eliminazione delle impurità dell’aria inspirata. La trachea si biforca verso il basso in due bronchi, uno destro e uno sinistro, che penetrano nei polmoni e si dividono in canali via via più piccoli fino a diventare bronchioli. L’insieme di bronchi e bronchioli costituisce l'albero bronchiale. I polmoni sono avvolti da due membrane le pleure, fra le quali si trova un sottile velo di liquido detto liquido pleurico. L'aria, ricca di ossigeno, percorre tutti gli organi del sistema respiratorio e, giunta agli alveoli, rilascia parte dell'ossigeno che diffonde nel sangue. Negli alveoli termina il percorso dell'aria nel sistema respiratorio. A questo punto è compito del sistema circolatorio trasportare, per mezzo del sangue, l'ossigeno a tutte le cellule che lo utilizza.

## Uno scambio di gas

Dopo aver percorso tutti i canali del sistema respiratorio, l'aria inspirata cede parte del proprio ossigeno al sangue che scorre nei vasi capillari attorno agli alveoli. In tal modo l'aria alveolare riduce il suo contenuto di ossigeno da quasi il 21% a circa il 16%. Contemporaneamente il sangue, giunto agli alveoli, cede all'aria l'anidride carbonica CO$_2$ di cui è ricco . L'aria alveolare risulta così impoverita di ossigeno e arricchita di anidride carbonica, che raggiunge quasi il 5%. Quest' aria, modificata nella composizione, percorre in senso inverso tutti i canali del sistema respiratorio e viene espirata uscendo dalla bocca al naso. negli alveoli si realizza dunque lo scambio gassoso tra l'aria esterna e il sangue: l'ossigeno entra nel corpo e l'anidride carbonica ne viene espulsa.

## I movimenti respiratori

I polmoni sono racchiusi nella gabbia toracica, una cavità le cui pareti laterali sono formate da ossa (le coste) e da (minuscoli intercostali) che le uniscono. La gabbia toracica è chiusa alla base da un muscolo piatto a forma di cupola, detto diaframma. Le ritmiche contrazioni dei muscoli della gabbia toracica obbligano i polmoni a schiacciarsi e a rilasciarsi. Infatti i polmoni sono privi di muscolatura propria e si muovono solo grazie ai movimenti della gabbia toracica e si distinguono in due fasi. Nella fase di inspirazioni i muscoli intercostali si contraggono portando le coste verso l'alto e in avanti, mentre il diaframma si abbassa e si appiattisce. queste due azioni producono un aumento di volume della gabbia toracica; i polmoni si espandono e, proprio come un mantice, risucchiano aria dall'esterno; Nella fase di espirazione i muscoli intercostali si rilasciano portando le coste verso il basso, mentre il diaframma risale, ritornando alla sua forma originale a cupola. Ciò comporta una diminuzione del volume della gabbia toracica, che produce uno schiacciamento dei polmoni, dai quali l'aria viene spinta furoi

## Esperimento sulla gabbia toracica

Materiale:
* Bottiglia di plastica morbida e trasparente
* Un tappo forato
* una cannuccia
* un palloncino di gomma
* un elastico
* plastilina
Procedimento
* Si mette la cannuccia nel tappo e si fissa il palloncino a un'estremità. Si chiude la bottiglia con il tappo così preparato. Si ha quindi quindi costruito un modello di gabbia toracica, utile per comprendere il funzionalmente.
* Si schiaccia le pareti della bottiglia e si osserva ciò che accadde. Rilascia le pareti e osserva di nuovo.
* Ripeti più volte l'operazione, si presta attenzione sia al palloncino e sia alla cannuccia

## La frequenza respiratoria

Il numero di atti respiratori compiuti in un minuto prende il nome di frequenza respiratoria. La frequenza respiratoria dipende dall'età dell'individuo: nell'adulto il ritmo medio è di 16 inspirazioni al minuto, nel bambino varia da 20 a 25, nel neonato da 40 a 45. Questo ritmo dipende anche dall'attività svolta, diventando più rapido quando l'attività è più intensa. Tutti abbiamo sperimentato come, durante una corsa, il ritmo del respiro acceleri: il corpo, infatti, ha bisogno di assumere più ossigeno per produrre, con la respirazione, una maggiore quantità di energia La frequenza respiratoria è controllata da specifiche cellule del sistema nervoso che, oltre ad assicurare i normali movimenti respiratori, sono in grado di rivelare la concentrazione di ossigeno e di anidride carbonica nel sangue e, quindi, di valutare il bisogno energetico del corpo. la respirazione normale è ritmica e autonoma come il battito del cuore, ma a differenza di questo, la respirazione può, entro certi limiti, essere controllata; è possibile infatti, aumentare la frequenza respiratoria contraendo e rilasciando volontariamente il diaframma e i muscoli del torace

## Esperimento sulla frequenza respiratoria

Materiale
* un orologio
* una penna
* una sedia
Procedimento
* fai sedere un compagno per qualche minuto e poi conta gli atti respiratori che compie in un minuto: avrai così misurato la sua frequenza respiratoria in condizione di riposo. prendi nota del valore trovato in una tabella con 6 colonne e le dividi in due 1= frequenza respiratoria 2=tempo necessario per tornare alla respirazione normale (prime 3 colonne = in condizioni di riposo- dopo una corsa di un minuto- dopo una corsa di tre minuti)(ultime 3 colonne = in condizioni di riposo- dopo una corsa di un minuto- dopo una corsa di tre minuti) e 2 righe (per i due compagni)
* ripeti l'operazione dopo che il tuo ha corso per 1 minuto
* continua a controllare la frequenza respiratoria fino a che non è tornata normale prendi nota del tempo che è stato necessario
* controlla ora la frequenza respiratoria del tuo compagno dopo che ha corso per tre minuti. controlla quanto tempo occorre questa volta perché la respirazione torni normale.
* inverti ora la situazione: sarà il tuo compagno a prendere nota dei valori che ti riguardano
* controlla i risultati ottenuti con quelli dei tuoi compagni e trai le tue conclusioni

## Priestley e la respirazione

Nel 1771 lo scienziato inglese Joseph Priestley scrisse di aver scoperto un metodo "che risanava l'aria viziata" basato sulle piante. Ben presto questo fu riconosciuto dagli altri scienziati come il metodo che in natura permette all'aria di rimanere sostanzialmente immutata nel tempo.

### Esperimento di Priestley

Priestley aveva progettato un semplice esperimento. Aveva posto una candela sotto una campana di vetro e aveva osservato che questa presto si spegneva. Aveva quindi sostituito la candela con un topo e aveva osservato che questo non viveva a lungo. Per Priestley ciò significava che sia la candela che brucia, sia il topo che respira "esaurivano l'aria vitale" presente sotto la campana di vetro e la "viziavano". Pensò quindi di mettere una piantina prima a fianco della candela e poi a fianco del topo. Notò che in tutti e due i casi si verificava un fatto sorprendente: la candela rimaneva accesa e il topo viveva a lungo. Priestley concluse che la pianta cambiava la qualità dell'aria, rendendola di nuovo adatta alla combustione e alla respirazione.

### L'interpretazione moderna

Più tardi, con il successivo sviluppo della chimica, fu riconosciuto che l'aria "viziata" era ricca di anidride carbonica e quella "risanata" era ricca di ossigeno. Oggi potremmo interpretare l'esperimento di Priestley dicendo che la combustione della candela e la respirazione del topo producono anidride carbonica che la pianta, in presenza di luce, assorbe per realizzare la fotosintesi, espellendo l'ossigeno che si libera nell'aria. Pertanto all'aria "viziata" dall'anidride carbonica, proveniente dalla combustione o dalla respirazione, si sostituisce, in presenza della pianta, un'aria "risanata", ricca di ossigeno.

### L'importanza delle piante

Per garantire la respirazione a tutti gli esseri viventi è indispensabile conservare in buona salute la vegetazione, che ci garantisce il necessario ricambio di ossigeno.

## Il sistema respiratorio depura l'aria

Respirare dal naso e non dalla bocca aperta è una raccomandazione che tutti noi abbiamo ricevuto, ma si tratta anche di un'affermazione valida scientificamente. Entrando dal naso, infatti, l'aria subisce un'importante azione di depurazione, dovuta principalmente a tre fattori.
* il naso presenta al suo interno cavità tortuose che obbligano l'aria a rilasciare buona parte delle polveri in sospensione. Queste infatti,urtano contro le pareti, perdono velocità e vengono abbandonate lungo il percorso
* All'interno delle cavità si produce il muco, una sostanza capace di "catturare" le polveri e una parte dei microbi eventualmente entrati con l'aria.
* le pareti delle cavità sono tappezzate da cellule dotate in superficie di ciglia(epitelio ciliato); esse, battendo ininterrottamente, tendono a far risalire le polveri o microbi, riportandoli all'esterno. quando l'aria entra dalla bocca non incontra queste difese e quindi il rischio di introdurre sostanze nocive aumenta.
Ma le difese del sistema respiratorio non finiscono qui: un epitelio ciliato tappezza anche i canali che seguono il naso. Solo nei rami più piccoli dei bronchi non c'è più epitelio ciliato: per questo è ancora più importante che le sostanze nocive non giunga così in profondità
Negli alveoli, la polvere o altre sostanze solide, come il catrame contenuto nel fumo di sigaretta, si accumulano inspessendo le pareti degli alveoli e rendendo lo scambio respiratorio sempre difficile. Inoltre, le sostanze nocive che si trovano allo stato gassoso percorrono invece indisturbate i canali del sistema respiratorio e, giunte agli alveoli, si diffondono nel sangue. È il caso dell'ossido di carbonio, presente, per esempio, nei gas di scarico delle automobili e nel fumo di sigaretta: esso entra nel circolo sanguigno e produce gravi danni, riducendo il trasporto dell'ossigeno e quindi la capacità di produrre energia.
Per questo motivo, i fumatori spesso si stancano più velocemente quando sono sottoposti a sforzi come una corsa o una salita in montagna.

## Perché il fumo fa male

Nel fumo del tabacco sono presenti almeno sostanze. Di queste circa un centinaio sono velenose per l'organismo anche se presenti in piccoli quantità. Secondo l 'Organizzazione Mondiale della Sanità il 25% delle malattie cardiovascolari è dovuta al fumo di tabacco.

### Nicotina

Presente nell'ordine di pochi milligrammi per sigaretta, provoca un aumento della pressione arteriosa, favorisce lo sviluppo dei tumori e soprattutto, è responsabile della dipendenza da fumo. Smettere di fumare è infatti difficile, eppure i benefici per l'ex fumatore sono immediati: dopo soli 20 minuti dall'ultima sigaretta la pressione e il battito cardiaco tornano normali e dopo 2 ore diminuisce il rischio di attacco cardiaco; dopo 5 anni, infine, il rischio di ammalarsi per tumore si dimezza.

### Catrame

Irrita le vie respiratorie e favorisce l'insorgere del cancro del polmone. È infatti provato che su 100 persone colpite, 95 sono fumatori e che il rischio aumenta con la qualità di tabacco fumato ed è peggiore per chi ha iniziato a fumare in età precoce.Inoltre il catrame, inibendo l'azione delle ciglia che tappezzano le vie respiratorie e ripuliscono l'aria che arriva ai polmoni, favorisce anche l'insorgere di bronchite cronica l 85%di queste malattie è dovuta al fumo di tabacco e la mortalità dovuta a esse è 10 volte superiore a quella dei non fumatori. Infine, il fumo favorisce anche il cancro della cavità orale, della faringe, del l'esofago

### Monossido di carbonio

Si combina con l'emoglobina; a lungo andare provoca l'indurimento delle arterie, favorisce il rischio di infarto cardiaco.

### Sostanze irritanti

Nel fumo di sigaretta sono contenute altre sostanze, che irritano le mucose respiratorie. La conseguenza è una forte tosse al mattino che facilmente evolve un bronchite cronica.

### Fumo passivo

Non dimentichiamo, infine i danni del fumo passivo: tutti coloro che si trovano nello stesso ambiente di un fumatore possono avere irritazione agli occhi. alla mucosa nasale e tosse, ma sono esposti a un minor rischio di essere colpiti da bronchite e asma.

## Gli inquinanti dell'aria e i loro effetti

L'aria che respiriamo nelle città, all'aperto o all'interno di un edificio, contiene sostanze estranee alla sua naturale composizione (inquinanti). Quando la concentrazione di queste sostanze è tale da provocare danni temporanei o permanenti a uomini, animali, piante o cose, l'aria viene considerata inquinata. A volte noi stessi percepiamo la presenza di sostanze inquinanti attraverso segnali di allarme quali il bruciore degli occhi o la secchezza di bocca e gola. I nostri sensi però non sono in grado di percepire molte situazioni di estremo pericolo, come nel caso di un'alta concentrazione di ossido di carbonio e di polveri di amianto. Tra le sostanze che con più frequenza respiriamo in città vi sono l'anidride solforosa (SO$_2$). gli ossidi di azoto (NO e NO$_2$), l'ossido di carbonio (CO) e le polveri sospese.

## I maggiori inquinanti dell'aria
### Anidride solforosa

L'anidride solforosa è prodotta dalla combustione di sostanze contenenti zolfo (per esempio, alcuni oli combustibili utilizzare per riscaldamento domestico e per i motori diesel); è altamente irritante per le vie respiratorie ed è una delle principali cause della formazione di piogge acide. Con l'obbligo di usare oli combustibili a bassa percentuale di zolfo e con la diffusione dell'uso del metano per i riscaldamenti domestici, negli ultimi anni si è registrata una diminuzione della concentrazione di anidride solforosa.

### Gli ossidi di azoto

Gli ossidi di azoto, che hanno gli stessi sgradevoli effetti dell'anidride solforosa, si formano in tutti i processi di combustione, soprattutto ad alta temperatura. La loro concentrazione dipende anche da fattori climatici: per esempio, le radiazioni luminose, agendo sull'azoto, favoriscono la formazione di alcuni ossidi.

### Ossido di carbonio

L'ossido di carbonio si trova nel fumo di sigaretta, negli scarichi delle auto a benzina o diesel è prodotto da impianti termici difettosi (sia domestici sia industriali). Nelle grandi città, però, la sua alta concentrazione è dovuta principalmente al traffico automobilistico che, insieme a scarsa ventilazione e alta temperatura, può far raggiungere livelli allarmanti. Questo gas riduce l'efficienza del sistema respiratorio, provoca mal di testa e vertigini e in caso di una forte intossicazione può condurre a morte.

### Polveri

Le polveri presenti nell'aria provengono principalmente da impianti termici, inceneritori, cementifici, impianti siderurgici, raffinerie, traffico automobilistico e, solo in piccole quantità, dalle normali attività quotidiane. Hanno effetti dannosi soprattutto per i polmoni e la loro pericolosità dipende dal tipo di particelle e dalle loro dimensioni. Infatti, particelle molto piccole (da 0,5 a 5 µm) passano indisturbate attraverso i sistemi di difesa dell'apparato respiratorio e raggiungono gli alveoli. Molto pericolosa è la polvere di amianto o asbesto. Si tratta di un minerale formato da fibre microscopiche che può essere filato o tessuto come il cotone, ma che, a differenza di questo, è resistente al calore e a molte sostanze chimiche. Proprio per questa sua "indistruttibilità" l'amianto è stato usato, fino a pochi anni fa, per la costruzione di moltissimi prodotti, dai sottopentola ai giocattoli, ai materiali di rivestimento degli edifici ( come il fibrocemento o l'eternit, ora vietati).

## Gli effetti sulla salute

L'esposizione prolungata nel tempo agli inquinanti reca seri danni al nostro organismo. La malattia che si manifesta con maggiore frequenza è la bronchite cronica: molte sostanze chimiche che stimolano i bronchi a produrre un eccesso di muco, nel tentativo di allontanarle. Se ciò accade ogni giorno e per molti anni, i bronchi si irritano a tal punto da produrre muco in eccesso anche in assenza delle sostanze inquinanti.
Ciò predispone a infezioni dell'apparato respiratorio ancor più gravi: la presenza costante di un eccesso di muco nelle vie respiratorie favorisce infatti lo sviluppo di batteri patogeni e quindi l'insorgere di nuove infezioni. A lungo andare una tale patologia può danneggiare gli stessi alveoli. L'aria che viene immessa negli alveoli, per la presenza di un eccesso di muco, non può essere espulsa facilmente e rimane intrappolata negli alveoli dove si formano così delle bolle di aria stagnante. La malattia che ne segue è detta enfisema polmonare.Un'altra malattia cronica dell'apparato è la fibrosi polmonare, che si manifesta con la presenza nei polmoni di tessuto fibrosi prodotto dall'organismo. I soggetti più esposti al rischio di questa malattia sono quelli che vengono a contatto con polveri così fini e resistenti che riescono a passare attraversi le barriere protettive del naso e delle ciglia bronchiali fino ad arrivare agli alveoli. L'organismo a questo punto cerca di difendersi inglobando le polveri in un tessuto fibroso. Un esempio di fibrosi polmonare è l'asbestosi, causata dall'amianto. Le particelle di amianto arrivano agli alveoli e vi rimangono intrappolate. L'organismo, dopo molti anni, si difende isolando le fibre di amianto con tessuto fibroso. Nel tempo i polmoni perdono elasticità appaiono più piccoli del normale e non riescono a svolgere bene la funzione di ricambio gassoso. Una malattia ancor più grave causata dall'amianto è il mesotelioma, un tumore che colpisce le pleure o il peritoneo (la membrana che riveste l'addome), rarissimo prima della diffusione dell'uso dell'amianto.A causa dei gravi danni provocati alla salute, per legge oggi sono vietati l'utilizzo dell'amianto e la dispersione nell'ambiente dei rifiuti di oggetti che lo contengono

## Come respirano gli animali

Molti organismi come le spugne, le meduse o certi vermi piccoli e sottili, sono privi di apparato respiratorio. L'ossigeno viene assorbito attraversano la superficie del corpo e si diffonde ben presto al'interno, arrivando a tutte le cellule.

### Anellidi

Negli anellidi, invertebrati più evoluti con un'organizzazione del corpo più complessa, l'assorbimento dell'ossigeno avviene attraverso la pelle umida(respirazione cutanea), ma all'interno del corpo l'ossigeno incontra il sistema circolatorio, per mezzo del quando raggiunge tutte le cellule.

### Insetti

Negli insetti è presente un particolare sistema respiratorio costituito da trachee, una sorta di tubi ramificati, scavati nello spessore del corpo e comunicanti con l'esterno. Attraverso le minuscole aperture delle trachee gli insetti si riforniscono di ossigeno ed eliminano l'anidride carbonica. La singolarità di questo di questo sistema è dovuta al fatto che non ha bisogno del sistema circolatorio per distribuire l'ossigeno: bastano,infatti, le numerose ramificazioni delle trachee per fare giungere in breve tempo l'ossigeno a tutte le cellule dell'organismo.

### Organismi acquatici

Negli organismi acquatici è assai diffuso il sistema respiratorio tramite le branchie, presente sia in molti invertebrati sia nei vertebrati quali pesci e anfibi. Le branchie sono organi a forma di lamelle sottili, ricche di vasi sanguigni, che facilitano il passaggio dall'acqua, in cui è disciolto, al sangue.

### Respirazione tramite polmoni

La respirazione tramite polmoni è invece diffusa in tutti gli organismi a vita terrestri ed è presente sia negli invertebrati sia nei vertebrati, quali anfibi adulti, rettili, uccelli e mammiferi. Uno dei tipi più semplici di polmone si trova negli anfibi: è un sacchetto con poche camere interne e circondato da capillari sanguigni. Questo polmone scambia una modesta quantità di ossigeno. Per questa ragione gli anfibi integrano la respirazione polmonare con quella cutanea. Hanno infatti una pelle sottile e umida, adatta agli scambi respiratori.

## Bibliografia

* Scienze Focus C: biologia dell'uomo e genetica. Autori: Luigi Leopardi, Francesca Bolognani, Chiara Cateni e Massimo Temporelli.
* La mela di Newton C: il corpo umano. Autori: Aldo Acquati, Carmen de Pasquale, Flora Scuderi e Valeria Semini.

## Collegamenti esterni

* deascuola.it