5. Relazioni struttura-funzioni degli organismi animali e vegetali

5. Relazioni struttura-funzioni degli organismi animali e vegetali

1. La biologia delle piante 

Mezzo miliardo di anni fa iniziò la colonizzazione delle terre emerse da parte delle piante, probabilmente derivanti da alghe verdi rimaste attaccate ai litorali nei periodi di bassa marea. Questo evento cambiò la fisionomia della crosta terrestre, determinando l’inizio della vita sulla terre emerse. Fra le piante terrestri le angiosperme sono quelle che hanno avuto il maggiore successo biologico, probabilmente perché hanno saputo trovare le soluzioni più efficaci all’incontro di cellule spermatiche e cellule uovo in assenza d’acqua e al trasporto delle sostanze all’interno dell’organismo. In questo capitolo esamineremo la struttura delle piante superiori, con particolare attenzione proprio per la categoria delle angiosperme.

I tessuti vegetali 

La conquista dell’ambiente terrestre e l’aumento delle proprie dimensioni comportarono nelle piante lo sviluppo di sistemi di sostegno e di trasporto di sostanze che hanno richiesto la formazione di cellule e tessuti specializzati. 

Il tessuto tegumentale, che riveste le parti esterne della pianta. Sono tessuti tegumentali l’epidermide, localizzata sulle foglie, sui giovani fusti e sulle radici, secernente una sostanza cerosa, detta cuticola, e il sughero, che invece riveste fusti e radici legnose.

L’accrescimento

Dell’embrione della pianta le cellule iniziano a dividersi e a differenziarsi e nelle fasi iniziali la divisione cellulare ha luogo in tutto il corpo della pianta. Poi, progressivamente, si restringe ai meristemi apicali, situati all’estremità della radice e del germoglio, dai quali la pianta continuerà a crescere per tutto il resto della vita.

La prima struttura che emerge dall’embrione è la radichetta, all’apice della quale si trova la cuffia radicale, che protegge il meristema apicale della radice mentre questa avanza nel suolo. Le cellule della cuffia si sfaldano e quelle meristematiche si riproducono. Alcune di queste ultime restano indifferenziate e continuano a formare il meristema, mentre altre, al centro, si allungano, aumentano la propria lunghezza di oltre dieci volte e cominciano a differenziarsi in tessuti della radice e cellule della cuffia. Tale processo si ripete nel tempo e determina l’accrescimento della radice durante tutta la vita della pianta.

L’accrescimento primario della pianta, che ne determina lo sviluppo in altezza, avviene a partire dal germoglio, comprendente il fusto e tutte le strutture che da esso si originano. Anche nel germoglio, come nella radice, si distingue una zona di divisioni cellulari, una di allungamento e una di differenziazione. Lo strato cellulare più esterno dà origine all’epidermide, che nel germoglio ha una cuticola spessa, mentre le cellule sottostanti si differenziano in tessuti conduttori e tessuto fondamentale. Nel momento in cui l’apice del germoglio si accresce, ai suoi lati si formano gli abbozzi delle foglie, che si allontanano progressivamente man mano che procede l’allungamento dell’apice, mentre sul punto d’inserzione delle foglie rimangono piccole masse di tessuto meristematico, le gemme ascellari.

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La foglia 

È una struttura in cui si realizza il compromesso tra l’esigenza di esporre alla luce solare la superficie più ampia possibile e la necessità di limitare al minimo le perdite d’acqua, pur consentendo gli scambi gassosi.

La foglia è formata dal mesofillo, tessuto costituito da uno strato superiore, a forma cilindrica, di cellule parenchimatiche a palizzata, specializzate nella ricezione della luce, dove avviene gran parte della fotosintesi, e da uno strato sottostante di cellule parenchimatiche spugnose, con spazi intercellulari contenenti gas come l’acqua, l’ossigeno e l’anidride carbonica. Questi due strati sono a loro volta racchiusi da un ulteriore strato di cellule epidermiche che, secernendo la cuticola, limitano la traspirazione.

L’acqua e le sostanze in soluzione si spostano all’interno della foglia attraverso fasci conduttori denominati nervature, che proseguono nel gambo e sono continui con i tessuti conduttori di fusti e radici. I gas, invece, vengono scambiati attraverso gli stomi, aperture dell’epidermide fogliare delimitate da cellule di guardia che ne regolano l’apertura e la chiusura, presenti in numero elevato soprattutto nella pagina inferiore della foglia.

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Le radici 

Sono le strutture che provvedono all’ancoraggio della pianta al terreno, specializzate nell’assorbimento dei nutrienti. 

L’epidermide che la ricopre per intero ed è praticamente priva di cuticola. 

La corteccia, che rappresenta quasi la totalità del tessuto della radice ed è formata da cellule parenchimatiche che, contrariamente a quelle della foglia, non effettuano la fotosintesi, ma sono specializzate nell’accumulo di amido. Gli spazi tra queste cellule si riempiono di ossigeno che diffonde dal terreno e viene utilizzato per la respirazione cellulare. Lo strato più interno della corteccia è formato da cellule endodermiche strettamente aderenti tra loro, dotate, all’interno delle proprie pareti, di una banda cerosa impermeabile, che costringe l’acqua e i soluti in ingresso nella radice ad attraversare le membrane cellulari, in modo da esercitare uno stretto controllo su tutto ciò che entra nella pianta; il cilindro centrale, formato dai tessuti conduttori xilema e floema, circondati dal periciclo, da cui si originano le radici laterali.

Il fusto

Sostiene ed espone le foglie alla luce, oltre a costituire il canale per il trasporto delle sostanze dalle radici alle foglie.

Il fusto giovane, come la foglia, è fotosintetico e possiede stomi; la superficie esterna è costituita da cellule epidermiche ed è dotata di cuticola, mentre la maggior parte del suo tessuto è formato da tessuto fondamentale contenente i tessuti di sostegno collenchima e sclerenchima. I tessuti conduttori dei fusti sono continui con quelli delle radici, ma risultano disposti diversamente: nelle monocotiledoni i fasci vascolari longitudinali appaiono uniformemente distribuiti all’interno del tessuto fondamentale, mentre nelle dicotiledoni formano un anello intorno al midollo, in cui lo xilema è più interno, adiacente al midollo stesso, mentre il floema è più esterno, adiacente alla corteccia. Il floema, che provvede a trasportare i prodotti della fotosintesi dalle foglie alle parti non fotosintetiche della pianta, è costituito da tubi cribrosi, ovvero colonne verticali formate dal susseguirsi di cellule piene di linfa, denominate elementi del tubo cribroso.

Lo xilema è il sistema di trasporto per l’acqua e i soluti ed è costituito da due diverse tipologie di cellule, le tracheidi e gli elementi dei vasi.

Trasporto dell’acqua 

Le piante necessitano di maggiori quantità d’acqua rispetto agli animali di pari peso, poiché gran parte del liquido assorbito si perde attraverso gli stomi, la cui apertura è indispensabile per lo svolgimento del processo di fotosintesi.

L’acqua entra nella pianta essenzialmente tramite le radici e l’assorbimento è così efficiente da determinare, nei periodi di intensa traspirazione, l’inaridimento del suolo circostante. La sostanza liquida passa dal suolo nelle cellule radicali per osmosi e la pressione radicale è sufficiente a determinare la risalita dell’acqua solo per un breve tratto del fusto.

Tuttavia, in molte piante l’acqua sale fino a 20 metri d’altezza, cosa resa possibile sia dall’esistenza, nello xilema, di una pressione inferiore a quella atmosferica, che quindi richiama l’acqua al suo interno, sia dalle forze di coesione esistenti tra le molecole d’acqua, che vengono «trascinate» le une dalle altre fino a costituire, all’interno dello xilema, una colonna continua di liquido.

Trasporto degli zuccheri 

Nella pianta i prodotti della fotosintesi devono essere trasportati a tutte le cellule non fotosintetiche mediante un trasferimento, indicato come traslocazione, che avviene attraverso i tubi cribrosi del floema.

Le molecole di saccarosio sono trasferite dalle cellule fotosintetiche alla linfa mediante un meccanismo di trasporto attivo, contro il gradiente di concentrazione, e di conseguenza l’acqua viene richiamata per osmosi dallo xilema nel tubo cribroso. Quando le molecole di zucchero e l’acqua passano nelle cellule di destinazione, tra il punto d’ingresso del saccarosio e quello di uscita si instaura una differenza di concentrazione che determina il fluire passivo della linfa, con una velocità di flusso tanto più alta quanto maggiore è la differenza di concentrazione.

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La riproduzione 

L’organo riproduttivo delle angiosperme è il fiore, le cui parti più esterne, i sepali, sono simili a foglie e formano, nel loro insieme, il calice.

Internamente si trovano i petali, dotati di colori brillanti per richiamare gli insetti, che costituiscono la corolla.

All’interno della corolla ci sono gli stami, ciascuno formato da un filamento al termine del quale si trova l’antera, che produce i granuli pollinici . Le parti più interne del fiore sono i carpelli, contenenti i gametofiti femminili, ognuno dei quali è costituito da uno stigma dalla superficie vischiosa, su cui aderiscono i granuli pollinici, da uno stilo e, alla base, da un ovario, in cui sono contenuti uno o più ovuli. In seguito alla fecondazione l’ovulo si trasforma in seme e l’ovario in frutto.

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Il granulo pollinico è costituito da una spessa parete all’interno della quale si trovano tre cellule aploidi: due cellule spermatiche contenute nella cellula del tubulo. Quando aderisce allo stigma il granulo pollinico germina e il tubulo pollinico cresce all’interno dello stilo, fino a raggiungere l’ovulo. Dopo la fecondazione le cellule iniziano a dividersi e a differenziarsi. L’ovario si trasforma in frutto e contemporaneamente, al suo interno, si forma il seme, composto dalla cellula uovo fecondata, da un tegumento e da sostanze nutritive per l’embrione.

2. I tessuti animali 

Al crescere della complessità degli organismi si assiste ad un grado di organizzazione sempre maggiore che si estende a più livelli. In un  organismo complesso le cellule si specializzano in funzioni specifiche e generano tessutiorganiapparati, tutti interdipendenti tra loro. 

Dalle cellule ai tessuti

Nel corpo umano sono presenti oltre duecento tipi di cellule diverse, che tuttavia possono essere organizzate in tessuti riconducibili a quattro  tipologie fondamentali:

  • tessuto epiteliale;
  • tessuto connettivo;
  • tessuto muscolare;
  • tessuto nervoso.

Tessuto epiteliale 

È il tessuto che riveste e protegge il corpo sia esternamente che internamente, ricoprendo organi, canali e cavità. A seconda della forma delle cellule che lo compongono, il tessuto epiteliale viene distinto in squamosocubico o cilindrico

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Lo strato di tessuto epiteliale è generalmente attaccato a uno strato di tessuto connettivo sottostante, detto membrana basale. Dovendo impedire l’infiltrazione di sostanze tra una cellula e l’altra, le cellule che formano i tessuti epiteliali sono strettamente unite tra loro mediante le cosiddette giunzionioccludenti, saldature continue tra le membrane, che appaiono quasi fuse tra loro.

Nei tessuti sottoposti a sollecitazioni meccaniche, come la pelle, fra cellule adiacenti si trovano veri e propri punti di saldatura, detti desmosomi, costituiti da placche di materiale fibroso. Infine, le cellule degli epiteli delle cavità interne risultano modificate per secernere muco, necessario alla lubrificazione delle superfici, mentre altre cellule epiteliali, specializzate nella secrezione di sostanze specifiche, sono raggruppate a formare ghiandole.

Tessuto connettivo 

Contrariamente ai tessuti epiteliali, in cui le cellule sono strettamente addossate le une alle altre, quelli connettivi sono costituti da cellule immerse in un’abbondante matrice extracellulare. Hanno la funzione di connettere e sostenere gli altri tessuti e sono dotati di un diverso grado di rigidità in base alla natura della matrice extracellulare, composta da una sostanza fluida e da fibre di diverso tipo, come fibre collagene, fibre elastiche e fibre reticolari. 

Il tessuto connettivo denso o compatto, contraddistinto da una netta preponderanza di fibre collagene rispetto alla matrice extracellulare e alle cellule, disposte in modo parallelo a formare una struttura regolare e compatta, oltre che notevolmente resistente.

I principali tessuti connettivi presenti nell’organismo umano sono il tessuto osseo, il sangue e la linfa.

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Tessuto muscolare 

È il tessuto responsabile del movimento, costituito da cellule in grado di contrarsi grazie alla presenza delle proteine contrattili actina e miosina.

Si distingue in: 

  • tessuto muscolare liscio, tipico della muscolatura involontaria;
  • tessuto muscolare scheletrico, tipico della muscolatura volontaria;
  • tessuto muscolare cardiaco.

Sia nel tessuto scheletrico che in quello cardiaco le fibre di actina e miosina sono raggruppate in fasci che determinano caratteristiche striature, da cui il nome di tessuto muscolare striato.

I muscoli scheletrici, connessi alle ossa mediante robuste strisce di tessuto connettivo, i tendini, sono formati da fasci di fibre muscolari tenute insieme da tessuto connettivo. 

Tessuto nervoso 

È formato da due tipi di cellule: i neuroni, in grado di trasmettere  l’impulso nervoso, e le cellule gliali, che isolano, sostengono e nutrono i neuroni.

Pur esistendo in molte varianti diverse, i neuroni hanno una struttura di base costituita da un corpo, contenente il nucleo e gli organuli cellulari, dalle dendriti, corte estensioni citoplasmatiche, presenti in gran numero, 

deputate a raccogliere gli stimoli dalle altre cellule, e da un assone, un prolungamento che permette la trasmissione a distanza  dell’impulso nervoso, che può raggiungere lunghezze notevoli.

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3. Il movimento 

Gli animali sono organismi eterotrofi che introducono sostanze nutritive dall’esterno. La necessità di spostarsi per la ricerca del cibo ha determinato lo sviluppo di sistemi di locomozione. Nell’uomo il movimento è il risultato dell’interazione di due apparati: il sistema scheletrico, che ha funzioni di sostegno e di protezione degli organi, e il sistema muscolare, che determina il movimento delle ossa. 

Lo scheletro 

Nell’embrione lo scheletro è costituito da circa 350 ossa, per la maggior parte di natura cartilaginea, alcune delle quali si fondono con la crescita e si trasformano in tessuto osseo, più ricco di minerali e quindi più rigido. 

Lo scheletro raggiunge la maturità intorno ai 25 anni, momento in cui la cartilagine è quasi scomparsa, permanendo solo nel naso, nell’orecchio e sulle superfici articolari.

In generale lo scheletro umano può essere diviso in:

  • scheletro assiale, disposto lungo l’asse longitudinale del corpo, che comprende cranio, colonna vertebrale e gabbia toracica e svolge prevalentemente una funzione di sostegno e protezione degli organi interni;
  • scheletro appendicolare, comprendente gli arti superiori e inferiori e i cinti scapolare e pelvico, le cui funzioni prevalenti riguardano il sostegno e il movimento.
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A seconda della loro forma sono classificate in:

  • ossa lunghe, che possiedono una dimensione prevalente sulle altre, come il femore . Sono composte da una parte cilindrica centrale, detta diafisi, costituita da tessuto osseo compatto, che delimita la cavità midollare, e da due parti terminali rigonfie, le epifisi, formate da tessuto osseo spugnoso;
  • ossa corte, che invece possiedono tre dimensioni più o meno equivalenti, come accade per le vertebre ;
  • ossa piatte, dotate di uno spessore minimo, come la scapola o le ossa del cranio.

Le articolazioni 

Le ossa sono connesse tra loro per mezzo delle articolazioni, che a seconda del grado di mobilità si dividono in:

  • articolazioni mobili o diartrosi, di cui sono esempi la spalla e il ginocchio;
  • articolazioni semimobili o anfiartrosi, come la sinfisi pubica e le articolazioni della spina dorsale;
  • articolazioni fisse o sinartrosi, come quelle della scatola cranica.

In riferimento al tipo di tessuto che collega le ossa, invece, le articolazioni si distinguono in:

  • suture, in cui le ossa sono collegate da tessuto connettivo denso;
  • sìnfisi, nelle quali è presente un tessuto cartilagineo più o meno fibroso.

Le parti dell’osso che partecipano all’articolazione sono rivestite di cartilagine e nelle articolazioni mobili, al fine di ridurre l’attrito, sono ricoperte da una membrana sinoviale, all’interno della quale è presente il liquido sinoviale o sin via. I capi articolari sono rivestiti da un manicotto fibroso, la capsula articolare, composta da tessuto connettivale denso, il quale, inserito ai margini delle cartilagini, prosegue nei due periosti. Al collegamento fra le ossa provvedono la capsula articolare e i legamenti, i quali sono costituiti da fasce di tessuto connettivo fibroso e possono essere interni all’articolazione, anche se in realtà isolati dalla membrana sinoviale, periferici, se inseriti in sede articolare o periarticolare, o a distanza, quando risultano inseriti sulle ossa, anche a notevole distanza dall’articolazione.

Il sistema muscolare 

Il sistema muscolare rappresenta la parte attiva dell’apparato locomotore. I muscoli, formati da tessuti contrattili, sono in grado di determinare il movimento delle ossa, unite da articolazioni mobili e semimobili, attraverso movimenti di contrazione e di estensione. 

I muscoli scheletrici, costituiti da tessuto muscolare striato, sono di tipo volontario, se controllati dal sistema nervoso centrale, o involontario, se controllati dal sistema nervoso periferico (come i muscoli che regolano la postura): i primi sviluppano un’elevata potenza in tempi brevi, i secondi una potenza minore per tempi prolungati.

In base alla forma, i muscoli scheletrici si distinguono in:

  • muscoli fusiformi, le cui estremità sono collegate alle ossa. Quando un muscolo collega due o più ossa si dice che “origina” in uno e “si inserisce” nell’altro. L’origine è riconoscibile dal fatto che le fibre muscolari partono dal periostio, mentre l’inserzione è caratterizzata dall’assottigliamento del muscolo che termina con un tendine, costituito da tessuto connettivo duro e non elastico, il quale può avere forma allungata, e collegarsi ad un punto preciso dell’osso, o forma appiattita.

A seconda della disposizione delle fibre muscolari rispetto alla direzione di contrazione, i muscoli si differenziano in:

  • muscoli lunghi, dotati di fibre disposte parallelamente tra loro e alla linea di trazione, in modo da contrarsi tutte nella stessa direzione. Questo tipo di disposizione realizza il massimo accorciamento possibile;
  • muscoli pennati, muniti di fibre brevi e raccolte lungo fasci inclinati rispetto alla linea di trazione, cosicché la contrazione risulta molto potente, ma con un minore accorciamento;
  • muscoli di torsione, con fibre disposte a spirale;
  • muscoli a ventaglio, composti da fibre con una disposizione triangolare, poste obliquamente rispetto alla linea di trazione, in modo da concentrare tutta la potenza della contrazione in un unico punto.

Infine, considerando il tipo di movimento che determinano, i muscoli scheletrici si distinguono in:

  • muscoli adduttori, che permettono l’avvicinamento di due parti del corpo;
  • muscoli abduttori, che, al contrario, consentono l’allontanamento di due parti corporee;
  • muscoli estensori, che rendono possibile la distensione di un arto piegato;
  • muscoli flessori, che invece ne permettono il piegamento;
  • muscoli rotatori, che consentono la rotazione di una parte del corpo.

Una caratteristica dei muscoli scheletrici è quella di lavorare sempre in coppie di antagonisti, così dette perché la contrazione di uno dei muscoli della coppia è accompagnata dalla distensione dell’altro. Negli arti superiori, ad esempio, la contrazione del bicipite e la contemporanea distensione del tricipite provocano la flessione dell’avambraccio sul braccio. Viceversa, la contrazione del tricipite e la distensione del bicipite permettono la distensione dell’arto. Ciò si deve al fatto che il muscolo, attraverso la contrazione, può esercitare solo un’azione di trazione sulle ossa, cioè può tirare l’osso, ma non spingerlo.

4. Digestione e Respirazione 

Gli organismi eterotrofi acquistano energia e materia per la sintesi delle loro biomolecole attraverso il cibo. La digestione provvede a ridurre le sostanze alimentari complesse in sostanze semplici utilizzabili dalle cellule. La respirazione cellulare, invece, è il processo che provvede all’ossidazione di alcune di queste sostanze per ricavarne energia. Nelle reazioni di respirazione cellulare è indispensabile l’ossigeno: ecco perché, parlando di respirazione a livello dell’organismo, si intende il processo attraverso il quale esso rifornisce di ossigeno tutte le proprie cellule. In questo capitolo si vedrà come gli animali abbiano risolto i problemi connessi alla digestione e alla respirazione.

Alimentazione e digestione 

L’uomo e i vertebrati possiedono un tubo digerente che si estende dalla bocca all’ano e può essere considerato una cavità esterna al corpo. Infatti, l’ingresso effettivo del cibo nell’organismo ha luogo quando le sostanze nutritive, digerite e scomposte in molecole semplici, vengono assorbite nel lume intestinale.

L’apparato digerente comincia con la bocca all’interno della quale si trovano, nella maggior parte dei mammiferi, i denti, necessari a frantumare il cibo, e la lingua, la cui funzione è quella di rimescolare il cibo, amalgamandolo alla saliva. Questa, prodotta da tre ghiandole “salivari” (parotidesottomandibolare e sottolinguale), ha il compito di ammorbidire il cibo per facilitarne la deglutizione.

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In seguito alla deglutizione il cibo passa dalla bocca nell’esofago, un canale lungo circa 25cm, attraverso il quale il bolo alimentare transita grazie ai movimenti peristaltici: il tratto che precede il bolo si contrae, mentre quello successivo si rilascia, in modo da determinarne il rapido spostamento.

Dall’esofago il bolo passa nello stomaco tramite il cardias, una struttura valvolare che ha la funzione di impedire il reflusso del contenuto gastrico nell’esofago, la cui mucosa non è in grado di tollerarne l’elevata acidità.

Lo stomaco è un organo a forma di sacco, normalmente ripiegato su sé stesso, con una capacità variabile dai 2 ai 4 litri. È dotato di una tunica muscolare a tre strati, con fibre disposte longitudinalmente nel primo, concentricamente all’asse nel secondo, obliquamente nel terzo, in modo da consentire movimenti complessi.

Lo strato mucoso interno è molto spesso e contiene numerose fossette che secernono i succhi gastrici, costituiti principalmente da muco, acido cloridrico e pepsinogeno.

Il pH nello stomaco è molto basso, tanto da eliminare la maggior parte dei batteri introdotti con il cibo e garantire un ambiente in cui possano sciogliersi le componenti fibrose degli alimenti.

Inoltre, in ambiente fortemente acido, il pepsinogeno viene trasformato in pepsina, l’enzima preposto all’idrolisi delle proteine. La regolazione della secrezione gastrica dipende dal sistema nervoso e da quello endocrino: in particolare, la vista del cibo e la sua presenza nello stomaco determinano la liberazione di gastrina, un ormone che, riversato nel torrente ematico, aumenta la secrezione di succo gastrico e stimola i movimenti peristaltici.

Dallo stomaco il cibo, ormai trasformato in una massa semiliquida denominata chimo, passa nell’intestino tenue attraverso lo sfintere pilorico.Il primo tratto intestinale, lungo circa 7 metri, è detto intestino tenue.

Qui si completa la digestione e vengono assorbite le sostanze nutritive.

Per aumentare l’efficienza del processo di assorbimento dei nutrienti questa porzione di intestino è caratterizzata da un elevato sviluppo superficiale, dovuto alla presenza di pieghe nella sottomucosa e di estroflessioni della mucosa, dette villi. Inoltre, ogni cellula dell’epitelio possiede microscopiche proiezioni citoplasmatiche, i microvilli, che aumentano enormemente lo sviluppo superficiale.

I primi 25 centimetri dell’intestino tenue costituiscono il duodeno, la parte più attiva nei processi digestivi, in cui si riversano i prodotti del pancreas, costituiti da enzimi pancreatici e da un liquido alcalino che neutralizza l’acidità del chimo, e la bile, prodotta dal fegato e accumulata nella cistifellea.

L’attività dell’intestino tenue è sotto il controllo del sistema endocrino: la presenza del chimo nel lume intestinale provoca la secrezione da parte della mucosa duodenale di secretina, un ormone che stimola il fegato e il pancreas a secernere liquidi alcalini. La presenza di grassi e amminoacidi stimola, invece, la produzione di colecistochinina, che induce, a sua volta, la secrezione di enzimi pancreatici e lo svuotamento della cistifellea. Le contrazioni intestinali sono influenzate anche dal sistema nervoso autonomo, inibite dal sistema simpatico e aumentate dal parasimpatico.

Nel duodeno si completa la digestione degli zuccheri ad opera dell’amilasi pancreatica; i grassi, ridotti in minuscole gocce grazie all’azione dei sali biliari, vengono idrolizzati a glicerolo e ad acidi grassi dalle lipasi; le proteine, infine, vengono attaccate da una combinazione di enzimi, alcuni attivi solo su legami peptidici tra specifici amminoacidi, altri solo sulle estremità delle catene da cui staccano dipeptidi, altri ancora su specifici dipeptidi, che le riducono ad amminoacidi semplici. 

Nei tratti successivi, il digiuno e l’ileo, avviene l’assorbimento dei nutrienti. Monosaccaridi e amminoacidi semplici vengono assorbiti per trasporto attivo nei capillari dei villi ed entrano nella circolazione sanguigna. Gli acidi grassi di piccole dimensioni entrano direttamente nei vasi sanguigni, mentre quelli di dimensioni maggiori sono assorbiti dalle cellule epiteliali, ricomposti in grassi, avvolti con un rivestimento proteico e secreti nei vasi linfatici, attraverso i quali raggiungono il sistema circolatorio. Il riassorbimento dell’acqua e dei minerali ha luogo nell’intestino crasso, suddiviso in intestino cieco, immediatamente successivo alla valvola ileo- cecale, colon ascendente, traverso e discendente, colon sigmoideo e retto. L’intestino crasso ospita batteri simbionti che si nutrono delle sostanze non digerite e producono amminoacidi e vitamine destinate ad essere assorbite dal sangue. La massa fecale, costituita dall’insieme delle sostanze non digerite, viene temporaneamente accumulata nel retto, per poi essere espulsa dall’ano.

L’apparato respiratorio 

Il sistema respiratorio dell’uomo inizia con le cavità nasali da cui entra l’aria, che, scaldata e purificata dalle cellule ciliate, passa poi nella faringe e quindi nella trachea, il canale anteriore all’esofago dotato di anelli cartilaginei che lo mantengono costantemente aperto. La trachea si divide poi nei due bronchi, sinistro e destro, da cui si dipartono i due  alberi bronchiali, generati dalla divisione dei bronchi in ramificazioni sempre più piccole, dette bronchioli.

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Alcune delle cellule epiteliali che rivestono le vie respiratorie secernono muco, che trattiene le particelle estranee penetrate con l’aria, mentre altre cellule dotate di ciglia ripuliscono la superficie spingendo il muco verso la faringe, dove viene deglutito. 

Durante l’inspirazione il diaframma si contrae e si abbassa ampliando la cavità toracica e contemporaneamente si contraggono i muscoli intercostali, che alzano e allargano la gabbia toracica; in tal modo il volume polmonare aumenta, la pressione alveolare diminuisce e l’aria entra nei polmoni. Viceversa, durante l’espirazione il diaframma e i muscoli intercostali si rilassano, la cavità toracica diminuisce di volume e l’aria fuoriesce dai polmoni in seguito all’aumento della pressione alveolare.

5. Circolazione sanguigna ed escrezione 

Il sistema circolatorio si occupa della distribuzione e della raccolta delle sostanze nei diversi distretti dell’organismo. Dal torrente ematico le sostanze nutritive passano nei tessuti e contemporaneamente vengono raccolte le sostanze di scarto del metabolismo, la cui eliminazione dal sangue è un compito svolto principalmente dall’apparato escretore.

Apparato circolatorio 

Il sangue pompato dal cuore circola costantemente all’interno di vasi che costituiscono un circuito chiuso. I vasi che trasportano il sangue dal cuore verso la periferia sono denominati arterie e si suddividono in vasi sempre più piccoli, le arteriole e i capillari. A livello dei capillari avvengono gli scambi con i tessuti, dai quali il sangue passa nelle venule e poi nelle vene, che lo trasportano verso il cuore. Arterie, vene e capillari, oltre a differire per le dimensioni, si distinguono anche per la struttura. I capillari hanno pareti costituite da un unico strato di endotelio, il tessuto epiteliale di cui sono ricoperti i vasi sanguigni, che facilita la diffusione delle sostanze. Le arterie e le vene, invece, possiedono anche tessuti muscolari e di sostegno , necessari a regolare la resistenza opposta al passaggio del sangue. Le vene, inoltre, sono compartimentale internamente da valvole a mezzaluna che si aprono per consentire il flusso del sangue unicamente in direzione del cuore e poi si richiudono per impedirne il riflusso in direzione opposta.

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Nell’uomo, come nei mammiferi, il cuore è anatomicamente e funzionalmente diviso in due parti distinte, il cuore destro e il cuore sinistro. Nell’atrio destro entra il sangue proveniente dai tessuti attraverso la vena cava superiore e inferiore, mentre l’atrio sinistro si riempie del sangue proveniente dai polmoni attraverso le vene polmonari. Gli atri si contraggono insieme e il sangue passa nei ventricoli tramite le valvole atrio-ventricolari, che, quando i ventricoli si contraggono, si chiudono per effetto della pressione sanguigna, in modo da evitare il reflusso del sangue negli atri. Il ventricolo destro invia il sangue deossigenato verso i polmoni attraverso le arterie polmonari, mentre il ventricolo sinistro spinge il sangue ossigenato nell’aorta. Le arterie e i ventricoli sono separati da valvole a semiluna che si chiudono dopo la contrazione ventricolare, per evitare il riflusso del sangue nei ventricoli.

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Sotto la spinta del cuore il sangue entra nella circolazione sistemica, incontrando la resistenza dei vasi: ciò determina l’esistenza di una pressione che il sangue esercita sulle pareti dei vasi stessi e che varia da un valore massimo durante la sistole ventricolare a un valore minimo durante la diastole. 

La velocità del sangue nei vasi è regolata dalla loro contrazione o dilatazione: in seguito alla vasodilatazione il flusso del sangue aumenta, come accade ai muscoli scheletrici nel corso dell’attività fisica, oppure nello stomaco durante la digestione, mentre la vasocostrizione fa diminuire il flusso, come si verifica a livello della pelle in conseguenza di una diminuzione della temperatura esterna.

A una diminuzione di pressione corrisponde un aumento dell’attività cardiaca e un restringimento dei vasi, mentre a un incremento della pressione corrisponde una diminuzione dell’attività cardiaca e la dilatazione dei vasi.

L’apparato escretore 

Abbiamo visto come il sangue garantisca alle cellule dell’organismo il necessario rifornimento di nutrienti ed ossigeno, raccogliendo, nello stesso tempo, le sostanze di rifiuto, l’escrezione delle quali è di fondamentale importanza per il benessere degli organismi. Gli organi preposti a tale funzione sono principalmente i reni, sebbene vi contribuiscano anche altri organi, come il fegato.

La funzione dei reni

I reni sono due piccoli organi a forma di fagiolo, situati posteriormente allo stomaco e al fegato. Le loro funzioni più rilevanti consistono nell’eliminare le sostanze di rifiuto potenzialmente tossiche, nel regolare la concentrazione di elettroliti e sostanze nutritive nel sangue e nel mantenere l’equilibrio idrico.

Le principali sostanze di rifiuto espulse dal metabolismo cellulare sono l’anidride carbonica e l’ammoniaca.

Negli organismi complessi, in cui l’eliminazione mediante processi di diffusione risulta insufficiente e troppo lenta, l’ammoniaca viene convertita in composti di tossicità ridotta: acido urico in uccelli, rettili e insetti; urea negli anfibi e nei mammiferi. Contrariamente all’acido urico che ha scarsa solubilità, l’urea è solubile in acqua e viene trasportata dal sangue ai reni, dove poi viene eliminata con l’urina. Attraverso il processo di filtrazione del sangue il rene regola anche la concentrazione dei soluti disciolti e degli ioni, che svolgono un ruolo fondamentale nei processi vitali, in quanto conservano l’equilibrio osmotico delle cellule, le condizioni di pH ottimali per il funzionamento degli enzimi etc.

Infine, il rene è l’organo deputato a regolare la quantità d’acqua presente nel corpo, che nell’uomo ha un bassissimo margine di oscillazione: si pensi, ad esempio, che la perdita di appena il 10% dell’acqua corporea provoca sordità, insensibilità al dolore, delirio. È dunque essenziale che possa realizzarsi un equilibrio tra la quantità d’acqua assunta attraverso cibi e bevande e prodotta con i processi metabolici, e la quantità persa a seguito della respirazione, della sudorazione, dell’escrezione.

L’unità funzionale del rene è il nefrone.

I processi che avvengono all’interno del nefrone possono essere suddivisi in quattro fasi:

  1. filtrazione: il glomerulo si colloca tra un’arteriola afferente e una efferente che si divide in una rete di capillari peritubulari, i quali si ricongiungono in una venula che porta il sangue alla vena renale. A causa della vasocostrizione delle arteriole afferente ed efferente, la pressione nel glomerulo risulta circa doppia rispetto a quella del sangue e ciò determina il passaggio di buona parte del plasma sanguigno nella capsula di Bowman. Questo filtrato, in cui sono assenti le proteine che non sono in grado di diffondere attraverso le pareti dei capillari, ha una composizione molto simile a quella del plasma;
  2. secrezione: durante il passaggio del filtrato attraverso il tubulo renale, alcune sostanze rimaste nel plasma arrivano al filtrato mediante trasporto attivo (vengono escreti in questo modo molti farmaci);
  3. riassorbimento: contemporaneamente all’escrezione di specifiche sostanze, ha luogo il riassorbimento di gran parte dell’acqua e dei soluti (glucosio, amminoacidi, vitamine, sali etc.) passati nel filtrato primario;
  4. escrezione: consiste nel passaggio del liquido rimanente, l’urina, nel dotto collettore e di qui nella pelvi renale.
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6. Sistema nervoso e Sistema endocrino 

Il sistema nervoso e quello endocrino provvedono a regolare e a coordinare le funzioni di tutti gli apparati dell’organismo: in particolare, il primo si occupa di veicolare informazioni a brevissimo termine, grazie alla trasmissione di impulsi nervosi, mentre il secondo invia i propri segnali mediante composti chimici, detti ormoni, che raggiungono le cellule bersaglio attraverso il sangue. In realtà anche le cellule nervose comunicano tra loro per mezzo di neurotrasmettitori, segno che questi due apparati sono strettamente collegati tra loro, tanto da costituire un sistema unico: il sistema neuroendocrino.

Il sistema nervoso 

Il sistema nervoso dei vertebrati, e quindi della specie umana, si divide in due parti.

  • Sistema nervoso centrale, costituito dall’encefalo e dal midollo spinale. La sua funzione è ricevere le informazioni, integrarle ed elaborare le risposte. 
  • Sistema nervoso periferico, mette in collegamento il sistema nervoso centrale con gli organi di senso e con gli organi effettori; è formato dai nervi, fasci di assoni che raggiungono tutti i distretti dell’organismo e dai gangli, costituiti da gruppi di neuroni i cui corpi cellulari si trovano al di fuori del sistema nervoso centrale.

L’encefalo 

All’aumentare della complessità degli organismi viventi nel corso dell’evoluzione, le funzioni da controllare e da integrare sono diventate sempre più numerose e ciò ha determinato la progressiva centralizzazione dei punti di elaborazione e di controllo, fino alla comparsa di un centro di elaborazione unico: l’encefalo.

È formato da sostanza bianca e sostanza grigia.

È suddiviso in tre sezioni:

  1. il cervelletto, che funge da centro di regolazione dei movimenti muscolari di precisione;
  2. il tronco cerebrale, la parte più antica dell’encefalo, che regola funzioni quali il battito cardiaco e la respirazione e comprende sia i neuroni sensoriali e motori che innervano la testa, sia i tratti che collegano il midollo spinale con i centri del cervello, i quali spesso si incrociano in modo che il lato destro del cervello riceva i segnali dal lato sinistro del corpo e viceversa;
  3. il cervello, che occupa l’80% dell’encefalo ed è diviso in due emisferi, collegati tra loro da fibre nervose compatte. La parte esterna del cervello, detta corteccia cerebrale, è uno strato dello spessore di pochi millimetri, con circonvoluzioni che ne aumentano la superficie. 

Attraverso la corteccia è visibile l’ulteriore suddivisione di ciascuno dei due emisferi cerebrali in quattro lobi, frontaleparietaletemporale e occipitale, ognuno deputato a funzioni specifiche.

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Il sistema endocrino 

È il sistema anatomicamente più eterogeneo dell’organismo umano, essendo costituito da organi assai diversi sia dal punto di vista morfologico e funzionale, sia sotto il profilo della derivazione embrionale. 

Nonostante ciò, le ghiandole del sistema endocrino sono considerate, a ragione, un sistema perfettamente integrato, non solo perché hanno in comune la funzione di produrre ormoni, ma anche perché il loro funzionamento è strettamente interconnesso, in modo da generare una vera e propria “rete chimica” di comunicazione che controlla tutte le funzioni dell’organismo.

L’attività endocrina dell’encefalo è legata alle funzioni svolte dall’ipofisi, dalla ghiandola pineale e dall’ipotalamo. Quest’ultimo è il principale centro di integrazione fra il sistema nervoso centrale e quello endocrino, in quanto secerne ormoni indicati come RF (“fattori di rilascio”), che stimolano o inibiscono la secrezione ormonale dell’adenoipofisi. 

L’ipotalamo produce inoltre l’ossitocina, responsabile delle contrazioni uterine durante il parto e della secrezione del latte dalle ghiandole mammarie, e l’ormone antidiuretico ADH, detto anche vasopressina, entrambi accumulati nella neuroipofosi, da cui successivamente vengono rilasciati.

L’ipofisi è divisa in due lobi strutturalmente e funzionalmente distinti: 

la neuroipofosi, la cui funzione è essenzialmente quella di accumulare gli ormoni prodotti dall’ipotalamo, e l’adenoipofisi, che invece costituisce il bersaglio dei fattori di rilascio ipotalamici.

Gli ormoni prodotti dall’ipofisi sono:

  • la somatotropina o ormone della crescita, che influenza sia lo sviluppo del tessuto osseo e muscolare, sia il metabolismo del glucosio, inibendone l’assorbimento da parte delle cellule;
  • la prolattina, responsabile della secrezione del latte dopo il parto, la cui produzione è normalmente controllata da un ormone inibitorio ipotalamico, a sua volta inibito dallo stimolo della suzione;
  • l’ormone tireotropo (TSH), che stimola la tiroide a secernere tiroxina;
  • l’ormone adrenocorticotropo (ACTH), che regola la produzione del cortisolo;
  • le gonadotropine (LH e FSH), che agiscono sulle gonadi (testicoli e ovaie).

La ghiandola pineale, detta anche epifisi, è una piccolissima ghiandola, sito di produzione della melatonina, che sembra essere inibita dalla luce e stimolata dalla noradrenalina. Questo ormone contribuisce a regolare il ciclo del sonno e della veglia, del riposo e dell’attività, e influisce sul ciclo ovarico.

7. Riproduzione e sviluppo 

La maggior parte dei vertebrati si riproduce per via sessuata, un tipo di riproduzione che prevede due eventi: la meiosi e la fecondazione. Quasi sempre i gameti sono cellule aploidi e il nuovo individuo generato in seguito alla fecondazione è diploide. 

L’apparato riproduttore maschile 

Ogni giorno l’uomo produce, all’interno dei testicoli, centinaia di milioni di spermatozoi. Ciascun testicolo è diviso in 250 comparti, completamente riempiti di tubuli seminiferi. La membrana basale dei tubuli è costituita da cellule spermatogeniche che producono per differenziamento gli spermatociti primari.

La maturazione degli spermatozoi avviene nell’epididimo, un tubulo posto sopra il testicolo, in cui gli spermatidi acquistano la mobilità. Di qui passano poi nel vaso deferente, che, contraendosi, li spinge verso la prostata.

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Il liquido così prodotto è detto sperma e viene deposto all’interno dell’apparato riproduttore femminile mediante il pene, un organo costituito di tessuto spugnoso ed erettile, che si ingrossa e si irrigidisce in seguito all’aumento dell’afflusso di sangue. I tessuti, rigonfiandosi, comprimono le vene e impediscono al sangue di refluire all’esterno, mentre gli impulsi nervosi provenienti dai neuroni sensoriali provocano, attraverso archi riflessi, la stimolazione dei neuroni motori, i quali, inducendo la contrazione della muscolatura dei vasi deferenti, provocano l’eiaculazione, cioè l’espulsione del liquido seminale.

Apparato riproduttore femminile 

Nella donna gli organi produttori dei gameti sono le ovaie, connesse attraverso gli ovidotti all’utero, l’organo che ospita il feto durante la gravidanza e che normalmente ha la grandezza di un pugno. Il rivestimento interno dell’utero, l’endometrio, si compone di due strati, il più esterno dei quali si sfalda per essere eliminato nel corso della mestruazione e viene rigenerato da quello sottostante.

L’organo che riceve il pene e costituisce il canale del parto è la vagina, un tubo muscolare della lunghezza di 8-10cm, che collega la cervice uterina con l’esterno.

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All’interno del corpo femminile gli oociti primari si formano nel terzo mese di vita fetale e, alla nascita, le ovaie ne contengono circa due milioni, fermi alla profase della prima divisione meiotica, che rimarranno in questa condizione fino alla maturazione sessuale della donna.

Nell’organismo femminile la produzione degli oociti è ciclica e la regolazione del ciclo mestruale è competenza dell’ipotalamo. Gli ormoni coinvolti sono gli estrogeni, il progesterone e le gonadotropine LH e FSH.

Nelle fasi iniziali del ciclo, dal primo giorno di mestruazione in poi, la produzione di ormoni è bassa, ma dopo pochi giorni, sotto l’influenza di LH e di FSH, inizia la maturazione dell’oocita, che ha luogo vicino alla superficie dell’ovaio, nel follicolo ovarico.

Se non c’è stata fecondazione il corpo luteo si riassorbe, la quantità di ormoni diminuisce e il ridotto afflusso di sangue provoca lo sfaldamento dell’endometrio, ossia la mestruazione, con la quale comincia un nuovo ciclo mestruale.

Una volta rilasciato dal follicolo, l’oocita non fecondato ha un tempo di vita di 72 ore, di cui il tempo effettivamente utile alla fecondazione corrisponde a circa 36 ore (la fecondazione, quindi, ha luogo generalmente nell’ovidotto). Dopo 36 ore dalla fecondazione la cellula uovo si divide in due cellule, dopo 60 ore in quattro, dopo tre giorni in otto, finché, dopo circa cinque giorni, l’embrione risulta formato da 120 cellule ed è ormai giunto allo stadio di blastocisti. 

Dopo circa sei giorni dalla fecondazione inizia l’impianto dell’embrione: lo strato di cellule che lo circonda, il trofoblasto, entrato in contatto con l’utero, rilascia un ormone che stimola il corpo luteo a produrre progesterone ed estrogeni, così da impedire la mestruazione.

8. La difesa dell’organismo 

Il mantenimento dell’omeostasi degli organismi comprende anche la messa in atto di sistemi di difesa che consentano di respingere l’aggressione da parte di organismi estranei. Il sistema immunitario è uno dei sistemi più interessanti e complessi del nostro organismo.

Il sistema immunitario 

Nel corso della loro evoluzione gli organismi hanno sviluppato sistemi di difesa contro l’azione di potenziali invasori. Nei vertebrati tali sistemi hanno raggiunto un alto grado di complessità, efficienza e specificità, coinvolgendo barriere di tipo anatomico interno delle, difese di tipo aspecifico e difese altamente specifiche nei confronti dell’invasore, denominate risposte immunitarie.

La rete linfatica 

A livello dei capillari avvengono gli scambi tra sangue e tessuti e nel contempo, a causa della pressione esercitata dal sangue, una discreta quantità di acqua e soluti passa nel liquido interstiziale. Buona parte di questa viene direttamente riassorbita nel capillare per osmosi, poiché il sangue, divenuto più concentrato, richiama l’acqua all’interno del capillare stesso.

Lungo il sistema dei vasi linfatici si trovano, inoltre, i linfonodi, la cui funzione è quella di produrre linfociti, globuli bianchi specializzati nella risposta immunitaria, e purificare il sangue prima che venga riversato nel torrente ematico.

Milza e timo 

Sono i due organi più direttamente coinvolti nella produzione e nella maturazione dei linfociti: in particolare, i linfociti B derivano da cellule staminali che si differenziano principalmente nella milza, mentre i linfociti T derivano da cellule staminali che si differenziano nel timo. 

Linfociti B 

Prodotti e differenziati nel midollo osseo, sono costituiti da piccole cellule rotonde metabolicamente inattive, che si trovano accumulate nei tessuti linfatici e portano inserito nella loro membrana un anticorpo specifico per un determinato antigene.

Gli anticorpi sono molecole proteiche in grado di formare complessi stabili con gli antigeni, cioè molecole o parti di molecole che l’organismo riconosce come estranee e che stimolano, una volta introdotte nell’organismo, la produzione di anticorpi specifici.

L’anticorpo, legandosi stabilmente all’antigene, ne determina l’inattivazione. A seguito del contatto con l’antigene, i linfociti B cominciano a proliferare, dando vita e due tipi di cellule:

  • le plasmacellule, deputate alla produzione di enormi quantità di anticorpi, di cui arrivano a sintetizzare fino a 30.000 molecole al secondo;
  • le cellule della memoria, che invece producono anticorpi e continuano a circolare per lunghi periodi, talvolta anche per tutta la vita dell’individuo, proteggendolo da eventuali infezioni successive da parte dello stesso antigene. I vaccini sfruttano proprio questa capacità del sistema immunitario.
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Linfociti T 

Mentre i linfociti B si occupano di difendere l’organismo da virus, batteri e dalle tossine che questi producono, i linfociti T rivolgono la propria azione principalmente contro cellule eucariote come protisti e funghi, nonché contro le cellule dell’organismo infettate dai virus. Questo tipo di linfociti deriva dalle cellule staminali del midollo osseo che, nel corso della vita fetale, migrano nel timo, dove subiscono un complesso processo di differenziazione, selezione e maturazione.

I linfociti T citotossici hanno il compito di aggredire le cellule dell’organismo infettate dai virus, le quali, in seguito all’infezione, risultano riconoscibili perché espongono sulla propria superficie gli antigeni virali. I linfociti si legano a queste cellule attraverso il loro recettore e si differenziano in linfociti attivi che provocano la lisi della cellula, secernendo, nel contempo, linfochine che richiamano macrofagi.

Sia l’attività dei linfociti T citotossici sia quella dei linfociti B è regolata dai linfociti T helper e dai linfociti T soppressori: i primi riconoscono cellule del sistema immunitario che sono venute in contatto con l’antigene e secernono interleuchine, atte a stimolare la proliferazione di altri linfociti B e T in modo da amplificare la risposta immunitaria, mentre i secondi sono probabilmente coinvolti nello “spegnimento” della risposta immunitaria.

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