ABC DELLA RESPIRAZIONE
1. DEFINIZIONE
Quando si parla di respirazione, è doveroso fare un’importante distinzione.
La respirazione interna (o cellulare) è l’insieme dei processi cellulari che coinvolgono ossigeno e macronutrienti, producendo anidride carbonica, acqua ed energia.
Si definisce invece respirazione esterna quel processo che permette lo scambio di materia allo stato gassoso tra l’ambiente e il nostro organismo.
In questo articolo ci occuperemo solo della seconda.
2. MECCANICA RESPIRATORIA
La respirazione esterna è influenzata da numerosi fattori, come le capacità elastiche del polmone o le resistenze che l’aria incontra nel suo tragitto; tuttavia non tratterò questi argomenti singolarmente e rimando alla bibliografia a fine articolo per approfondimenti maggiori. Ogni atto respiratorio si divide in due fasi, definite inspirazione ed espirazione; esse sono regolate da un gruppo di muscoli definito pompa respiratoria. Il più importante di questi muscoli è il diaframma, la cui struttura è simile a una cupola.
2.1 INSPIRAZIONE
In questa fase il diaframma si contrae e, di conseguenza, si abbassa; qualora l’ambiente lo richieda (come avviene quando l’organismo è sotto sforzo) intervengono anche altri muscoli, che sollevano le coste. La gabbia toracica si espande e l’aria entra.
2.2 ESPIRAZIONE
In una situazione che possiamo definire “tranquilla” l’espirazione è un processo passivo: i muscoli sopracitati si rilassano e la gabbia toracica torna alla situazione di partenza.
Quando le circostanze lo richiedono, entra in azione la seconda parte della pompa respiratoria. Determinati muscoli, tra cui il retto dell’addome (la famosa “tartaruga addominale”), si contraggono e forzano l’avvicinamento delle coste.
3. LA LEGGE FISICA ALLA BASE DI QUESTO PROCESSO
Dato che è in gioco materia allo stato gassoso, fa da padrone la legge dei gas ideali:
pV=nRT
p = PRESSIONE
V = VOLUME
n = NUMERO DI MOLI (quantità di sostanza)
R = COSTANTE UNIVERSALE DEI GAS
T = TEMPERATURA (in gradi Kelvin)
Chi ha un po’ di dimestichezza con la matematica, vede subito che pressione e volume sono inversamente proporzionali, cioè all’aumentare dell’uno diminuisce l’altro in modo tale che il loro prodotto non cambi.
Esempio: supponiamo che nRT sia uguale a 6 e che non possa assolutamente essere cambiato, P a 3 e V a 2.In termini fisici, la temperatura e le moli rimangono costanti.
3x2=6
Se raddoppiamo il volume portandolo quindi a 4, dobbiamo dimezzare la pressione per ottenere sempre 6.
1,5x4=6
Sintetizzando il tutto, al raddoppiare del volume deve dimezzare la pressione e viceversa.
“Ok, ma perché ci interessano tanto pressione e volume?”. Perché è lì che la pompa respiratoria agisce.
Durante un’inspirazione il diaframma si abbassa, le coste si alzano e di conseguenza il volume della gabbia toracica aumenta; la pressione che ora si trova nei polmoni è minore rispetto a quella atmosferica e quindi, come quando si apre un barattolo con al suo interno del cibo sottovuoto, l’aria entra.
Con l’espirazione avviene il processo inverso: il diaframma ritorna elasticamente alla sua posizione iniziale e le coste si abbassano. Il volume della gabbia toracica inizia a diminuire e la pressione ad aumentare, finché non supera quella dell’ambiente esterno. A questo punto, come quando apriamo la valvola di un compressore, l’aria esce.
Tutto il sistema è ora pronto per ricominciare un nuovo ciclo.
Nell’esempio sopra riportato per capire la relazione tra pressione e volume abbiamo stabilito che nRT era uguale a 6, mantenendo costanti moli e temperatura. Ma è realmente così? Si e no. Il numero delle moli cambia durante un atto respiratorio, ma la temperatura subisce una variazione esigua. Questo avviene perché l’aria inspirata non va direttamente nei polmoni: dal naso passa ai seni paranasali, per scendere poi lungo la trachea, i bronchi e le successive diramazioni; in questo percorso l’aria viene filtrata, umidificata e anche riscaldata fino a raggiungere una temperature il più possibile simile a quella corporea.
Inoltre non deve essere trascurato il fatto che il nostro organismo è in grado di produrre calore in caso di necessità: i mammiferi (come noi siamo) sono infatti definiti omotermi.
Finalmente il gas arriva nei polmoni; per un finissimo equilibrio di pressioni parziali (le pressioni dei singoli elementi all’interno della miscela di gas) l’aria acquista anidride carbonica e cede l’ossigeno, che inizia un altro viaggio al ritmo dei battiti del cuore.
Dott. Daicoro Principi
(Un ringraziamento al professor C. Gianino)
Bibliografia
Martini, F. H. (2016). Anatomia umana.
Zocchi, L. (2012). Principi di fisiologia. EdiSES.