Adattamenti Fisiologici: Evoluzione dei Sistemi Digerente e Respiratorio

Evoluzione del Sistema Digerente

Negli organismi primitivi con digestione extracellulare, la nutrizione era di tipo scavenger: le particelle di cibo raggiungevano il tratto gastrointestinale, dove avvenivano la digestione e l'assorbimento. Il sistema digestivo aveva una sola apertura, che serviva da bocca e ano.

Nei nematodi appaiono due aperture: la bocca, per l'assunzione di cibo, e l'ano per l'egestione.

Il passaggio a un'alimentazione macrofaga ha richiesto lo sviluppo di strutture specializzate per l'ingestione, come le mascelle e i denti, oltre a una muscolatura in grado di generare movimenti peristaltici per spingere il cibo lungo il tratto digerente.

Inoltre, si sono verificati numerosi cambiamenti che hanno contribuito ad aumentare l'efficienza digestiva:

• Un allungamento del tratto digerente e la formazione di pieghe, soprattutto a livello intestinale e degli sfinteri.
• La differenziazione delle diverse zone con funzioni specifiche grazie alla loro comparsa.
• L'aumento della superficie di assorbimento attraverso le pieghe della mucosa.

Apparato Respiratorio

Il termine apparato respiratorio viene applicato a due diversi processi biologici:

• Respirazione interna o cellulare: è un processo di liberazione di energia chimica per il quale la maggior parte degli organismi necessita di ossigeno.
• Respirazione esterna: è un processo di scambio di gas tra l'organismo e l'ambiente esterno.

Respirazione Tracheale

Questo tipo di respirazione è caratteristica di insetti e altri artropodi terrestri, in cui lo scambio di gas avviene attraverso una serie di tubi, le trachee.

Le trachee si formano per invaginazione del tegumento; l'aria entra attraverso piccoli fori sulla superficie del corpo, chiamati stigmi o spiracoli. I dotti tracheali diminuiscono di dimensione a seconda della ramificazione, così i più fini (le tracheole) sono a diretto contatto con le cellule, dove lo scambio di gas avviene per diffusione.

Non è quindi necessaria l'esistenza di un sistema circolatorio per il trasporto dei gas, e in questi organismi il sistema circolatorio non svolge tale funzione. La ventilazione avviene attraverso un sistema coordinato di apertura e chiusura degli stigmi, dovuto a contrazioni muscolari.

Strutture Intestinali

Intestino Posteriore (Hindgut)

È un tubo di diametro maggiore rispetto all'intestino medio (midgut), per cui è chiamato anche intestino crasso, ed è separato da quello (intestino medio) tramite la valvola ileocecale.

Meccanismo di Diffusione

La diffusione è un fenomeno fisico dovuto all'agitazione molecolare, per cui una sostanza disciolta è in grado di passare attraverso una membrana che separa due soluzioni. La velocità di diffusione è proporzionale alla differenza di concentrazione su entrambi i lati della membrana, così come alla superficie di separazione delle soluzioni.

Incorporazione di Sostanze Gassose (Scambio Gassoso)

Gli animali hanno bisogno di ossigeno per ottenere energia. Essi eseguono il processo di scambio di gas tra l'ambiente interno e l'ambiente esterno, catturando ossigeno dall'atmosfera e rilasciando l'anidride carbonica formatasi durante la respirazione cellulare.

Lo scambio di gas avviene in modo diverso in funzione della dimensione, della complessità e dell'habitat degli animali. Negli animali più semplici, l'O₂ disciolto nell'acqua in cui vivono passa per diffusione alle cellule, e la CO₂ si diffonde nell'acqua nello stesso modo. Questi organismi non hanno strutture specializzate per lo scambio di gas.

Respirazione Cutanea

Gli animali che vivono in ambienti acquatici o umidi assorbono l'ossigeno attraverso la pelle, ovvero hanno respirazione cutanea. Questo tipo di respirazione richiede alcune caratteristiche speciali, poiché lo scambio di gas avviene attraverso tutta la superficie corporea:

• È essenziale che la pelle sia sottile e permeabile ai gas.
• Deve essere costantemente bagnata per mezzo di secrezioni mucose.
• L'ambiente interno deve essere situato molto vicino alla parte esterna per ricevere l'O₂ e trasportarlo alle cellule.

Questi animali sono caratterizzati dall'avere una superficie di contatto con l'ambiente esterno molto grande in proporzione al loro volume e una bassa attività metabolica.

Strutture Specializzate per la Diffusione

Man mano che la complessità dell'animale aumenta, sono necessarie strutture specializzate per aumentare l'efficienza del processo di diffusione. Queste strutture hanno le seguenti caratteristiche:

1. Una grande superficie respiratoria per il contatto con l'ambiente, attraverso la quale avviene lo scambio di gas per diffusione.
2. Pareti sottili e il bordo esterno bagnato, affinché l'O₂ e la CO₂ possano dissolversi e diffondere nel liquido intermedio, poiché una superficie respiratoria asciutta è fisiologicamente inutile. Negli animali acquatici, queste pareti sono bagnate dall'acqua ambientale, mentre in quelli terrestri sono bagnate da un film d'acqua.
3. La fornitura di ossigeno dall'ambiente esterno può essere mantenuta molto più efficace se l'aria o l'acqua contenente O₂ disciolto vengono costantemente rimpiazzate. Questo tipo di flusso è chiamato ventilazione e porta alla massima differenza di concentrazione (o gradiente di diffusione) attraverso la superficie di scambio.
4. Le strutture utilizzate per la ventilazione variano da un organismo all'altro, ma di solito comportano sempre qualche tipo di movimento muscolare.
5. Un sistema di trasporto (sangue, emoglobina) per garantire la distribuzione dell'O₂ e la raccolta della CO₂.