Sistemi Escretori e Circolatori: Funzioni, Processi e Adattamenti Biologici

Escrezione

L'escrezione non è solo un meccanismo per la rimozione dei residui, ma mantiene anche la composizione chimica e le caratteristiche dell'ambiente interno.

Include tutte le funzioni in cui il corpo espelle sostanze all'esterno, come lacrime, sperma, cerume, ecc.

L'escrezione rimuove i residui derivanti dal catabolismo cellulare. Viene spesso confusa con la defecazione (smaltimento dei rifiuti non digeriti o non riassorbibili dall'organismo attraverso l'ano) o la secrezione (produzione da parte dell'organismo di sostanze potenzialmente utili che vengono rilasciate all'esterno in un secondo momento).

Processi di Escrezione

Esistono tre tipi di processi:

• Filtrazione: Passaggio di sostanze dall'ambiente interno ai tubi escretori tramite un processo di diffusione. Si tratta di un processo spontaneo che avviene per un gradiente di concentrazione.
• Riassorbimento: Ritorno all'ambiente interno di sostanze (acqua, sostanze organiche, sali, ecc.) essenziali per il corpo che erano state filtrate nel tubulo. È un processo che richiede dispendio energetico.
• Secrezione: Trasferimento di sostanze tramite trasporto attivo dall'ambiente interno all'organo escretore, sostanze che non erano state filtrate perché meno concentrate, per formare l'urina. Richiede energia.

Prodotti di Scarto dell'Escrezione

Le principali sostanze escrete dagli animali possono essere classificate in due gruppi:

• Prodotti non azotati: Si tratta essenzialmente di CO2 (eliminata con la respirazione), acqua (eliminata attraverso l'apparato escretore, il sudore e l'espirazione), sali minerali (eliminati con le urine e il sudore) e pigmenti biliari (rimossi attraverso le feci).
• Prodotti azotati: Derivano dal metabolismo degli amminoacidi e degli acidi nucleici. Questi composti possono essere rimossi sotto forma di varie sostanze. A seconda delle sostanze escrete principalmente, gli animali sono stati classificati in tre gruppi:
  • Amoniotelici: (Es. Pesci) Il prodotto di escrezione è l'ammoniaca.
  • Uricotelici: (Es. Insetti, uccelli e rettili) Il prodotto di escrezione è l'acido urico.
  • Urotelici: (Es. Anfibi, rettili, tartarughe e mammiferi) Il prodotto di escrezione è l'urea.

Il Tubo Escretore

Il tubo escretore ha un lato in contatto con l'esterno e l'altra estremità a fondo cieco. Il tubo è cavo e ha una parete formata da endotelio.

Organi Escretori negli Invertebrati

I gruppi meno sviluppati (Cnidari e Poriferi) non hanno organi specializzati nell'escrezione; eliminano i rifiuti direttamente all'esterno attraverso la superficie del corpo. Il resto degli invertebrati ha sviluppato strutture anatomiche specializzate o organi emuntori.

Organi Escretori nei Vertebrati

Gli organi escretori dei vertebrati sono i reni, che sono formati da un insieme di unità chiamate nefroni.

Nei mammiferi, le femmine hanno un apparato escretore completamente indipendente dal sistema riproduttivo femminile, mentre nei maschi l'apparato escretore e riproduttivo condividono l'ultima parte: l'uretra.

I Reni

• Capsula renale: Strato più esterno.
• Zona corticale: Forma una copertura continua sotto la capsula renale, che presenta alcune estensioni verso l'interno.
• Midollare: Si trova nelle estensioni della corteccia e appare striata.
• Pelvi renale: È una zona di tubuli che raccolgono l'urina.

Il Nefrone

Si tratta di un corpuscolo renale, che produce la filtrazione del plasma sanguigno, e di un tubulo contorto di lunghezza variabile, con diverse specializzazioni morfologiche e funzionali, dove avvengono i processi di riassorbimento e l'eliminazione attiva dei soluti. I tubuli di diversi nefroni si uniscono nei dotti collettori e si svuotano nell'uretere.

Formazione dell'Urina

L'urina è un liquido composto da acqua e sostanze di scarto. Il processo di formazione dell'urina avviene nei nefroni e si svolge in tre fasi:

1. Filtrazione: Il sangue viene filtrato nella capsula di Bowman.
2. Riassorbimento: Vengono recuperate le sostanze utili filtrate nella capsula di Bowman.
3. Secrezione: Alcune sostanze passano dal sangue all'urina.

L'urina formata nel nefrone passa nei dotti collettori del rene, poi negli ureteri, e da questi alla vescica, dove viene immagazzinata fino all'espulsione attraverso l'uretra.

Escrezione e Pressione Osmotica

L'escrezione non è solo l'espulsione dei prodotti di scarto, ma regola anche la quantità di acqua e minerali per mantenere costante l'equilibrio interno e la pressione osmotica.

Esistono diverse strategie per prevenire la perdita o l'assorbimento di H2O:

• Animali semplici: Hanno un ambiente isotonico rispetto all'esterno, il che non comporta né perdita né assorbimento di acqua.
• Animali d'acqua dolce: Hanno il loro ambiente interno ipertonico. Un afflusso continuo di acqua per osmosi potrebbe causare seri problemi negli animali, quindi per compensare, questi animali non bevono e urinano molto.
• Animali di acqua salata: Hanno un ambiente ipotonico e tendono a perdere acqua per osmosi. Utilizzano due strategie diverse:
  • Pesci ossei: Bevono molta acqua e urinano poco, e hanno pompe nelle branchie che regolano l'accumulo di sali.
  • Pesci cartilaginei: Hanno un ambiente interno isotonico rispetto all'esterno. Per fare ciò, mantengono l'urea in soluzione all'interno delle loro cellule.
• Animali terrestri: Tendono a perdere acqua e sono quelli più adatti alla ritenzione idrica. A tal fine, i tubuli del nefrone sono molto lunghi in modo che il filtrato si muova attraverso i tubuli e lungo tutto il percorso riassorba l'acqua.

Il Trasporto di Sostanze

Negli animali più semplici il mezzo di trasporto è il liquido extracellulare, mentre negli animali più complessi, il sistema circolatorio è composto da un fluido, vasi e un meccanismo di propulsione.

I Fluidi Circolanti

Sono composti da acqua, minerali, proteine... e una serie di pigmenti responsabili del trasporto dei gas.

• L'Idrolinfa: È tipica degli echinodermi. La sua composizione è simile a quella dell'acqua di mare e non trasporta molecole di gas. Le sue funzioni sono solo il trasporto di nutrienti e rifiuti metabolici.
• L'Emolinfa: È tipica di molti invertebrati. In alcuni di essi contiene un pigmento respiratorio, l'emocianina.
• La Linfa: Riguarda solo i vertebrati. La sua composizione è simile a quella del sangue, ma non contiene globuli rossi e piastrine.
• Il Sangue: Si trova nei vertebrati e negli anellidi. Nei vertebrati, contiene l'emoglobina come unico pigmento respiratorio; negli anellidi, il pigmento è l'emoeritrina.

Il Sangue

È uno dei fluidi circolanti dei vertebrati. È composto da un liquido giallastro chiamato plasma, in cui vi sono acqua, sali, sostanze organiche disciolte... Contiene anche cellule:

• Globuli rossi (Eritrociti): Sono pieni di emoglobina. Trasportano O2 e una piccola quantità di CO2. Il resto della CO2 è trasportato disciolto nel plasma. Ci sono tra 4,5 e 5 milioni di globuli rossi per mm³.
• Globuli bianchi (Leucociti): Sono responsabili della difesa del corpo e agiscono in due modi:
  • Tramite digestione intracellulare (fagocitosi): Fanno parte dei macrofagi.
  • Produzione di anticorpi specifici per diversi antigeni (proteine che riconoscono come estranee, spesso di un virus...). L'anticorpo è specifico per ciascun antigene ed è prodotto solo in sua presenza. Questo è il ruolo dei linfociti.
• Piastrine: Sono frammenti cellulari che contengono al loro interno una proteina chiamata fibrina. Quando la fibrina esce dalle piastrine, si trasforma in fibrinogeno, che forma una rete insolubile di fibre che intrappolano le cellule, formando un coagulo. Ciò si verifica in caso di ferita.

Esistono due tipi di sangue in base al contenuto di ossigeno:

• Sangue arterioso: Il sangue è ricco di O2 e povero di CO2; ha appena attraversato la superficie respiratoria per caricare O2 e non lo ha ancora rilasciato alle cellule.
• Sangue venoso: Il sangue è povero di O2 e ricco di CO2; ha rilasciato O2 alle cellule e non ha ancora raggiunto la superficie respiratoria.

La distinzione tra sangue arterioso e venoso si riferisce al contenuto di ossigeno, non al tipo di vaso che lo trasporta (es. l'arteria polmonare trasporta sangue venoso, la vena polmonare sangue arterioso).

I Vasi Sanguigni e Linfatici

Sono condotti per il movimento dei fluidi circolanti. Nel caso dei vertebrati ci sono due tipi di vasi:

• Vasi sanguigni: Sono le arterie (trasportano il sangue dal cuore ai tessuti), le vene (portano il sangue al cuore) e i capillari (dove avviene lo scambio di nutrienti e gas tra il sangue e i tessuti).
• Vasi linfatici: Sono costituiti da una rete di capillari. Lungo il loro percorso, attraversano ispessimenti chiamati linfonodi, distribuiti in tutto il corpo e formati da tessuto connettivo, dove i linfociti completano la loro maturazione.

Il Sistema Linfatico

La sua funzione è quella di drenare il liquido interstiziale (tra le cellule).

Lo scambio di gas e nutrienti tra il sangue e le cellule non avviene direttamente, ma le sostanze passano prima attraverso il liquido interstiziale, e alcune vi rimangono. I vasi linfatici raccolgono ciò che è rimasto nel liquido interstiziale e lo restituiscono al sangue.

Un'altra funzione del sistema linfatico è la produzione di linfociti nei linfonodi e il loro trasporto al sangue attraverso la linfa.

L'intero sistema linfatico si svuota nel sangue attraverso la vena succlavia interna.

Il Meccanismo di Propulsione

Tutti gli animali hanno bisogno di un meccanismo di pompaggio che assicuri il movimento del fluido. Questo meccanismo può essere dovuto a movimenti del corpo causati dai muscoli o all'esistenza di un organo propulsore, come il cuore.

I cuori sono vasi modificati o organi muscolari che si contraggono e si distendono per spingere i fluidi circolanti. Esistono diversi tipi di cuori:

• Tubolare: Tipico degli artropodi, ha la forma di un tubo.
• Chiuso: Presente nei molluschi e nei vertebrati. È composto da due tipi di camere: gli atri, attraverso i quali entra il sangue, e i ventricoli, da cui esce.

Sistemi di Circolazione

A seconda che il fluido circolante scorra o meno all'interno dei vasi, vi sono due tipi di sistemi di circolazione: aperto e chiuso.

• Aperto: (Alcuni invertebrati) I fluidi circolanti non scorrono esclusivamente all'interno dei vasi, ma bagnano direttamente tutte le cellule del corpo, oppure scorrono attraverso vasi che si aprono in cavità corporee. Vi è un contatto diretto tra il fluido circolante e le cellule.
• Chiuso: (Vertebrati) I liquidi circolano esclusivamente all'interno di vasi che percorrono tutto il corpo. Il contatto del liquido con le cellule non è diretto, ma avviene attraverso lo scambio a livello di superfici sottili (capillari). Nutrienti e gas passano per diffusione attraverso i capillari.

In base al numero di circuiti, possono essere:

• Semplice: (Pesci ossei) Costituito da un unico circuito, in cui il fluido circolante passa una sola volta attraverso il cuore.
• Doppio: Il sangue passa due volte attraverso il cuore, in base a due circuiti distinti:
  • Minore o circolazione polmonare: Il sangue deossigenato dal cuore va ai polmoni e torna al cuore.
  • Maggiore o circolazione sistemica: Il sangue ossigenato lascia il cuore per i tessuti, dove rilascia ossigeno e si carica di anidride carbonica, tornando poi al cuore.

Il sistema doppio può essere Incompleto (anfibi e rettili, eccetto i coccodrilli), se la separazione tra i due circuiti non è totale, o Completo (uccelli e mammiferi), se la presenza di setti nel cuore assicura la completa separazione del sangue ossigenato e deossigenato, aumentando l'efficienza del sistema.

L'origine della circolazione doppia è dovuta al fatto che la respirazione polmonare richiede che il sangue passi due volte attraverso il cuore per avere sufficiente spinta per muoversi attraverso il corpo.