Dott. Enrico Ballor – Pneumologo Torino
Terapie e Consigli

Respiro, Polmoni, Globuli Rossi ed Emoglobina: lo Pneumologo e la Storia della Respirazione

L’affascinante storia della respirazione

Ai primordi dalla Vita

Quando nel tempo dei tempi eravamo tutti alghe azzurre … beh si … quando i nostri più antichi predecessori erano alghe azzurre che popolavano i mari, le più antiche forme di vita unicellulari comparse sul pianeta, certamente di “polmoni ” non se ne parlava.

Intendo con questo che circa 2,7 miliardi di anni fa (la terra è vecchia di circa 4,5 miliardi di anni), anche se tale epoca vorrebbe essere rivista ad un periodo ancora precedente dai moderni studi paleo-botanici, le prime forme di vita comparse sulla terra certo non avevano i polmoni né nulla di ciò che oggi intendiamo quando parliamo di apparato respiratorio.

I bronchi non servivano perché semplicemente non esistevano i polmoni ai quali avrebbero dovuto trasportare l’aria.

Viene allora spontanea una domanda: ma quelle, intendo le alghe unicellulari, come respiravano?

Che cos’è la “Respirazione”?

Bisogna subito chiarire un concetto a proposito della “ respirazione”.

Se il polmoni riportano immediatamente la mente alla funzione del “respirare”, sarebbe scientificamente un errore l’operazione mentale opposta, e cioè il dover ricorrere come prima cosa all’immagine dei polmoni ogni qual volta si parli di respirazione.

Respirare, in senso chimico e biologico, non è soltanto ciò che noi conosciamo pensando all’uomo e ai polmoni, ma respirare significa prima di tutto rendere disponibile l’ossigeno ad una moltitudine di processi chimici, bio-chimici nel caso specifico, che consente agli esseri viventi di mantenersi in vita e di procreare duplicandosi.

La presenza dell’ossigeno, indispensabile “comburente” utile a produrre l’energia necessaria alle cellule per i loro processi metabolici, è di primaria importanza nel ciclo vitale degli organismi viventi.

Esso come “ comburente” rappresenta quell’indispensabile ingrediente che rende possibile la “combustione chimica ” (ovviamente quella senza sviluppo di fiamma) che trasforma il “combustibile” chimico introdotto da un qualsiasi organismo vivente (zuccheri, proteine, grassi, ecc.) in molecole dotate di capacità energetica da impiegare in numerosi processi chimici successivi.

Come una qualsiasi fiamma senza ossigeno si spegne, così un qualsiasi organismo vivente senza la presenza dell’ossigeno, smettendo di “respirare” arresta i suoi processi vitali e muore.
Posso avere litri e litri di benzina (combustibile ), ma se non c’è l’ossigeno (comburente) la combustione diviene impossibile!

“Respirare”, quindi, non è soltanto “muovere i polmoni” (quello è qualcosa di più complesso, come vedremo dopo), ma è consentire alle cellule viventi di trasformare le loro sostanze in altre sostanze chimiche e in energia grazie all’indispensabile presenza dell’ossigeno.

Dagli Organismi Unicellulari agli Organismi Complessi

Alghe e organismi unicellulari
Alghe e organismi unicellulari
Alghe pluricellulari
Alghe pluricellulari

 

Nel corso dell’evoluzione che ha portato fino a noi si è assistito, attraverso la comparsa di nuove caratteristiche negli organismi già esistenti o di nuove forme di vita poi selezionate sulla base della loro maggiore o minore capacità di sopravvivere all’ambiente in cui comparivano (capacità di adattamento), partendo da forme di vita costituite da una sola cellula (appunto le più arcaiche alghe azzurre degli oceani della prima ora), di giungere poco alla volta, attraverso la continua e paziente selezione del “ migliore” (migliore a sopravvivere all’ambiente e a riprodursi), fino agli organismi pluricellulari (formati da più cellule) dotati di una maggiore complessità.

Per restare all’esempio delle alghe, si è passati nel tempo dalle semplici alghe unicellulari alle alghe pluricellulari, formate dall’insieme organizzato di milioni di cellule.

E di qui si è partiti per arrivare alle forme di vita animale più complesse tra le quali noi rappresentiamo il prodotto biologicamente più evoluto (mah ..?).

Come arriva l’Ossigeno all’Interno di un Organismo Unicellulare?

 

Il processo di diffusione passiva di un gas in un liquido

diffusione passiva gas in liquido
Diffusione passiva di gas in liquido

Se immaginiamo il pianeta circondato da una miscela di gas, nella quale l’ossigeno è presente solo per circa il 20%, mentre la grande maggioranza di esso (80%) è costituito da azoto, è facile comprendere come le enormi masse di questa miscela di gas sovrastante i mari tendesse a passare, per semplice diffusione passiva, anche nell’acqua marina nella quale si veniva a trovare disciolto, né più né meno di come lo zucchero si scioglie nell’acqua.

Ciò in virtù di uno dei più elementari principi della fisica affermato dalla legge di Henry, secondo la quale un qualsiasi gas che si trovi al di sopra di un liquido, tende ad entrare in soluzione con esso fino al determinarsi di una pressione del gas nel liquido pari a quella che lo stesso esercita sopra la sua superficie.

Che è come dire che tanto più ossigeno c’è sopra le masse oceaniche, tanto più esso si dissolverà nell’acqua delle stesse.

Se qualcuno aveva dei dubbi sul fatto che i pesci respirassero “acqua” è presto servito, comprendendo finalmente qual è la quota di ossigeno che anche loro sono in grado di respirare pur rimanendo nell’acqua.

A questo punto, tuttavia, abbiamo compreso come arrivi l’ossigeno nell’acqua nella quale crescono le nostre alghe azzurre unicellulari, ma non abbiamo ancora spiegato come fa l’ossigeno a passare nella singola cellula per andare a raggiungere quelle parti interne di esse ove avvengono i processi metabolici che ne richiedono la presenza per “respirare” e produrre energia. Beh … è presto detto.

Anche in questo caso l’ossigeno diffonde nella cellula semplicemente per diffusione passiva; la quota di ossigeno disciolta nell’acqua, pertanto, passa nella cellula attraverso la sua membrana esterna e viene a trovarsi nell’ambiente interno nel quale può essere utilizzato.

Sistema evoluto di distribuzione ossigeno organismi cellulari complessi
Sistema evoluto di distribuzione ossigeno in organismi cellulari complessi

Gli organismi pluricellulari complessi hanno bisogno di un sistema evoluto per garantire l’apporto di ossigeno a tutte le cellule che lo compongono

Se immaginiamo il percorso evolutivo del mondo vivente come una successione di tappe che da un prodotto portano a un altro più complesso, comprendiamo come dalla semplicità dell’alga azzurra si arrivi alla complessità “ancora semplice” delle alghe pluricellulari per arrivare alla complessità davvero “complessa” della forme animali superiori.

E se è possibile ipotizzare che nel caso di poche cellule assemblate insieme in un organismo ancora semplice, per quanto già pluricellulare, la disponibilità dell’ossigeno a tutte le cellule del “ gruppo” potesse ancora avvenire per successive diffusioni passive da una cellula all’altra, nel caso di organismi costituiti da miliardi di cellule, come sono gli animali più complessi e lo stesso “sapiens”, la natura doveva inventarsi qualcosa, pena il rischio di rifornire in modo troppo disomogeneo tutta la moltitudine di cellule che formavano gli organismi superiori.

Come la grande distribuzione insegna a proposito della “ distribuzione dei prodotti”, anche nel caso del percorso evolutivo la natura ha dovuto dotarsi di qualcosa di simile a ciò che in un Paese chiamiamo “strade”, indispensabili a trasportare rapidamente e in modo “capillare” ogni genere di prima necessità in ogni punto dello stesso.

La garanzia di raggiungere ogni punto dell’organismo complesso in modo tale da garantire una sufficiente quantità di ossigeno a tutte le cellule che lo costituivano, poteva essere data solamente da quel percorso di “ strade” che oggi chiamiamo “vasi sanguigni ”, siano essi le arterie (le strade che “vanno ”), le vene (le strade che “tornano”) o i più piccoli vasi capillari che rappresentano un vero e proprio “interporto” in prossimità del quale viene “ scaricato”, nei liquidi biologici che circondano i tessuti e le singole cellule che li compongono, l’ossigeno (O2) fin qui trasportato dalle arterie, consentendo, altresì, di “ caricare” l’anidride carbonica (CO2), intesa come vero e proprio “prodotto di scarto” del metabolismo cellulare, da trasportare attraverso le strade del “ rientro” (le vene) fino al punto in cui sarà eliminata dall’organismo. Inventate le “strade”, tuttavia, ne mancava ancora un pezzo!

Il sistema circolatorio
Il sistema circolatorio

Come trasferire l’Ossigeno al Sistema Circolatorio?

Una volta creato il sistema di strade (i vasi sanguigni), bisognava fare in modo che la natura inventasse la possibilità di trasferire nel liquido biologico presente all’interno di esse (plasma) l’ossigeno necessario alle cellule per i loro processi metabolici.

Nulla di meglio se non creare i polmoni, indispensabili “ scambiatori” di gas respiratori. Il gioco era semplice.

Dato l’ossigeno atmosferico, esso poteva essere trasportato dall’aria ai vasi sanguigni utilizzando le vie aeree, costituite dalla trachea e dai bronchi, in grado di condurlo fino a quei polmoni capaci poi di diffonderlo passivamente (già visto) fin nei vasi sanguigni.

Ed il gioco era fatto!

L’O2 era finalmente giunto dall’aria ambiente fino alla rete di vasi che lo avrebbero poi condotto in ogni punto del corpo. Ma il sistema non era ancora completo.

Come spostare O2 e Co2 nel Sistema Circolatorio?

 

Create le strade bisognava ancora dotare gli organismi di un “ motore”, in grado di far “circolare” l’ossigeno e l’anidride carbonica finalmente presenti nei vasi.

E fu così che la natura creò il cuore, instancabile muscolo in grado di imprimere ai gas presenti nei vasi un movimento continuo per tutta la vita, trasformando ora davvero una semplice rete di strade in un vero e proprio sistema “circolatorio”, capace di garantire all’ossigeno e all’anidride carbonica la possibilità di essere trasportati dai polmoni ai tessuti e viceversa.

Spostamento ossigeno e co2 nel sistema circolatorio
Spostamento ossigeno e co2 nel sistema circolatorio

Da dove nasce la necessità del Sangue?

A questo punto sembrerebbe tutto perfetto, ma ancora … non tutto mi convince.

E il sangue? Con i globuli rossi e l’emoglobina?

A cosa servono? E dove li mettiamo nel nostro racconto?

Uso ancora una volta immagini metaforiche per spiegarmi meglio. Immaginiamo un grande Paese nel quale si affidi alla corrente di un corso d’acqua che lo attraversa tutto e che ritorna al punto di partenza ( cuore e sistema circolatorio) la possibilità di trasportare a tutti i suoi abitanti (cellule e tessuti da esse composti) il grano (ossigeno) necessario a sfamarli, partendo da una grande “stazione centrale” (polmoni) in grado di rifornire senza sosta il corso d’acqua.

I chicchi così liberamente dispersi nell’acqua, per quanto in grado di essere recuperati dagli abitanti bisognosi di sfamarsi, garantirebbero solo ai primi presenti lungo il corso del fiume di approvvigionarsi della quantità necessaria a nutrirsi in modo sufficiente, lasciando a quelli seguenti solo un corso d’acqua svuotato dal grano raccolto dagli abitanti lungo i primi metri della via d’acqua.

Coloro che per sfortuna loro si trovassero più distanti dalla stazione di partenza, e più avanti lungo il corso d’acqua, sarebbero quindi inevitabilmente destinati a morir di fame.

 

Globuli rossi, emoglobina e ossigeno
Globuli rossi, emoglobina e ossigeno

I globuli rossi presenti nel sangue sono veri e propri “sacchetti” contenenti emoglobina avente particolare affinità per l’ossigeno

Vediamo, allora, cosa s’è inventata questa volta la natura. Senza rinunciare ad affidare all’acqua il trasporto del grano (non rinunciamo ai polmoni e al sistema circolatorio) immaginiamo che alla stazione centrale (polmoni) il grano venga caricato rinchiuso all’interno di sacchi ( molecole di emoglobina) e che gli stessi vengano stipati all’interno di barconi galleggianti (globuli rossi) in grado di contenerli.

In questo caso, oltre a mantenere la possibilità di una corretta alimentazione dei primi abitanti, rilasciando dai sacchi solo la quantità di grano di cui essi davvero necessitano, non perdiamo la possibilità di far viaggiare i rimanenti sacchi fino agli abitanti posti più in basso lungo il corso d’acqua (plasma, cioè la parte “liquida” del sangue, senza globuli rossi, globuli bianchi con funzione di difesa e piastrine), consentendo in questo modo di sfamare tutti in modo adeguato.

Il ritorno dei barconi vuoti fino alla stazione di partenza (polmoni), infine, consente poi quel nuovo rifornimento di grano (ossigeno) che fa ripartire il giro.

Che cos’è l’affinità dell’Emoglobina per l’Ossigeno?

Il sangue, con i suoi globuli rossi ripieni di emoglobina che lega l’ossigeno, corrisponde ad uno tra i più perfezionati sistemi messi a punto dalla natura.

Un sistema talmente perfetto e tanto più complesso rispetto a quanto detto prima, da far si che in realtà il grano (ossigeno) non venga direttamente ceduto dai sacchi agli abitanti, ma sia a loro distribuito disperdendo nell’acqua (plasma) solo il grano (ossigeno) contenuto nei sacchi ( emoglobina) che loro poi utilizzeranno, rilasciando, mano a mano che i barconi (globuli rossi) procedono lungo la corrente, una quantità di grano (ossigeno) nell’acqua (plasma) proporzionale all’appetito ( necessità metaboliche) degli abitanti (cellule).

In realtà l’ossigeno presente all’interno dei sacchi (emoglobina) corrisponde al cosiddetto “ ossigeno legato”, mentre quello rilasciato dall’emoglobina e disperso nell’acqua (plasma) corrisponde all’”ossigeno disciolto”.

Le due quote dell’ossigeno legato e dell’ossigeno disciolto sono tra loro dinamicamente in equilibrio e alla diminuzione della quantità di ossigeno disciolto, per effetto della sua estrazione dal sangue secondaria al suo utilizzo da parte delle cellule, risulta aumentata la cessione, dall’emoglobina al plasma, della quota legata sotto forma di quota disciolta, andando in questo modo a ripristinare la quota disciolta nel sangue arterioso ridottasi per effetto della sua utilizzazione.

Il concetto di affinità dell’emoglobina per l’ossigeno esprime la capacità della stessa di legare l’O 2 in modo più o meno stabile (maggiore o minore affinità dell’emoglobina per l’O2) in funzione di differenti situazioni. In presenza, infatti, di condizioni che richiedano la pronta disponibilità di una maggior quantità di ossigeno disciolto per effetto di un’aumentata necessità metabolica delle cellule, tra le quali lo stato febbrile, una maggior acidità del sangue e la presenza di indicatori biologici che dichiarino un aumento delle necessità metaboliche dell’organismo (aumento della CO2 nel sangue), la diminuzione dell’affinità per l’ossigeno da parte dell’emoglobina rende l’ossigeno più facilmente “ cedibile” al plasma nei termini di quota disciolta, rendendo particolarmente vantaggioso un suo trasferimento dalla quota legata a quella disciolta nel plasma, più prontamente utilizzabile dalle cellule.

La diversa affinità dell’emoglobina per l’ossigeno, quindi, in funzione delle mutate esigenze cellulari, si dimostra essere un sistema biologico con al centro un’emoglobina nel ruolo di “rilasciatore intelligente” di ossigeno, in grado di cederlo alle cellule non in quantità sempre uguali, ma in relazione alle diverse necessità dell’organismo.

 

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