Controllo ed escretore
Il controllo dell’ambiente interno
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La termoregolazione20.1 Il calore può essere immagazzinato o disperso
in quattro modi diversi
Un animale scambia calore con l’ambiente che lo circonda mediante quattro processi fisici: conduzione, convezione, irraggiamento ed evaporazione.
Convezione
Irraggiamento
Evaporazione
ConduzioneFigura 20.1
20.2 La termoregolazione coinvolge adattamenti che bilanciano l’assorbimento e la perdita di calore nell’organismo
• Ogni specie vive entro un intervallo ottimale di temperature nel quale gli endotermi e molti ectotermi mantengono una temperatura interna sostanzialmente costante, anche al variare della temperatura esterna.
• Gli animali sono in grado di regolare la temperatura attraverso cinque diverse tipologie di adattamenti.
Alterazione del tasso di produzione di calore metabolico
• Negli ambienti freddi, i mammiferi e gli uccelli tendono a incrementare il proprio tasso metabolico, variando i livelli ormonali, per aumentare la produzione di calore.
• I mammiferi e gli uccelli, semplicemente muovendosi attivamente o tremando, producono più calore grazie alla contrazione dei muscoli scheletrici.
Figura 20.2A
Le api sopravvivono ai rigori dell’inverno disponendosi insieme a grappolo e vibrando all’interno dell’alveare.
Isolamento termico
Uno dei principali adattamenti per la termoregolazione nei mammiferi e negli uccelli è rappresentato dall’isolamento termico, reso possibile dalla pelliccia (o dalle piume) e dagli strati di grasso.
Adattamenti del sistema circolatorio
L’equilibrio termico può essere regolato aumentando o diminuendo la quantità di sangue che affluisce verso la pelle.
• In un adattamento chiamato scambio controcorrente di calore, il sangue caldo e quello freddo scorrono in direzione opposta (controcorrente) in due vasi sanguigni adiacenti.
Sangue nell’arteria proveniente dall’interno del corpo
Sangue nella vena, che ritorna all’interno del corpo
Sangue nell’arteria proveniente dall’interno del corpo
Sangue nella vena, che ritorna all’interno del corpo
35°
30°
20°
10°
33°C
27°
18°
9°
Figura 20.2B
Raffreddamento mediante evaporazione
Molti animali presentano adattamenti anche per il raffreddamento corporeo come, per esempio, ansimare, sudare e spruzzare saliva.
Risposte comportamentali
• Sia negli endotermi sia negli ectotermi, il comportamento gioca un ruolo importante per la termoregolazione.
• Migrare verso climi più adatti, crogiolarsi al sole quando fa freddo e rintanarsi o cercare luoghi ombreggiati quando fa caldo, sono tutte risposte comportamentali.
20.3 La riduzione del tasso metabolico permette di risparmiare energia
• Il torpore è uno stato di ridotta attività, durante il quale la temperatura corporea e il tasso metabolico diminuiscono.
• Il letargo, o ibernazione, è uno stato di torpore a lungo termine adottato dagli animali che vivono in climi freddi.
Figura 20.3
La regolazione dei liquidi interni e l’escrezione
20.4 Le reazioni metaboliche vitali richiedono un preciso controllo delle quantità d’acqua e di soluti in essa disciolti
L’osmoregolazione dipende dal bilancio tra l’assorbimento e le perdite di acqua e di soluti.
In alcuni animali marini la concentrazione salina dei liquidi corporei è uguale a quella dell’acqua di mare: questi animali sono detti isosmotici (o osmoconformi).
Gli animali osmoregolatori hanno liquidi corporei la cui concentrazione salina è diversa da quella dell’ambiente in cui vivono e devono spendere energia per regolare la quantità d’acqua in uscita e in entrata.
I pesci d’acqua dolce hanno liquidi ipertonci rispetto all’acqua circostante, assorbono acqua attraverso le branchie e perdono una parte dei propri sali per diffusione.
Figura 20.4A
Assorbimento osmotico d’acqua attraverso le branchie e altre parti della superficie corporea
Escrezione da parte dei reni di grandi quantità d’acqua nelle urine diluite
Assunzione di acqua e di alcuni ioni contenuti nei cibi
Assorbimento di ioni salini attraverso le branchie
Figura 20.4B
Ingestione d’acqua e di ioni salini contenuti nei cibi o nell’acqua di mare
Escrezione di ioni salini attraverso le branchie
Escrezione da parte dei reni di ioni salini e di piccole quantità d’acqua nelle urine concentrate
Perdita osmotica d’acqua attraverso le branchie e altre parti della superficie corporea
I liquidi interni dei pesci d’acqua marina hanno una concentrazione di soluti minore rispetto a quella dell’acqua di mare, il loro corpo tende a perdere continuamente acqua per osmosi e a introdurre sali tramite il cibo di cui si nutrono per diffusione.
• Gli animali terrestri sono osmoregolatori:
– si procurano acqua mediante l’ingestione di liquidi e di cibi che la contengono;
– perdono acqua dalla superficie umida dei loro organi respiratori e attraverso l’urina, le feci e il sudore.
• I reni, gli adattamenti comportamentali e la superficie della pelle svolgono un ruolo importante nella conservazione dell’acqua negli animali terrestri.
COLLEGAMENTI20.5 La sudorazione può causare notevoli perdite
d’acqua
Sudare molto è importante per la termoregolazione, ma può anche causare problemi di regolazione osmotica.
Per prevenire la disidratazione dovuta alla sudorazione basta semplicemente bere acqua prima, dopo e anche durante l’esercizio fisico.
20.6 Gli animali devono eliminare le sostanze azotate di rifiuto
• Il metabolismo produce diverse sostanze tossiche, in particolare composti azotati che derivano dalla demolizione delle proteine e degli acidi nucleici.
• Tutti gli animali devono eliminare questi rifiuti metabolici per evitare di rimanerne intossicati.
Proteine Acidi nucleici
Amminoacidi Basi azotate
— NH2
Gruppi amminici
Gran parte degli animali acquatici, tra cui molti pesci
Mammiferi, anfibi, squali, alcuni pesci ossei
Uccelli, insetti, molti rettili, chiocciole
NH3 O CNH2
NH2
O
CC
CO
OC
CNHN
H
HNHN
Acido uricoUreaAmmoniaca Figura 20.6
L’ammoniaca (NH3), uno dei prodotti metabolici più tossici, è troppo tossica per essere immagazzinata nel corpo, mentre diffonde rapidamente attraverso le membrane plasmatiche poiché è altamente solubile in acqua.
• I mammiferi, la maggior parte degli anfibi adulti e alcuni pesci eliminano urea: prodotta nel fegato, altamente solubile in acqua e meno tossica dell’ammoniaca, può essere trattenuta nel corpo in soluzione concentrata ed eliminata con una perdita d’acqua piuttosto limitata.
• Alcuni animali terrestri espellono acido urico, una molecola molto più complessa dell’ammoniaca e dell’urea e praticamente insolubile in acqua.
• Per espellere acido urico e produrre urea, un animale deve spendere energia.
20.7 Il fegato svolge numerose funzioni, tra cui la produzione dell’urea
Il fegato svolge più funzioni di qualsiasi altro organo:
• sintetizza urea a partire dalle sostanze di rifiuto;
• converte le sostanze tossiche in prodotti inattivi (che il rene può filtrare dal sangue ed espellere con l’urina);
• sintetizza la bile, le plasmaproteine e le lipoproteine.
• regola il livello di glucosio nel sangue.
Fegato
Intestino
Reni
Vena porta epatica
Figura 20.7
Il fegato si trova tra l’intestino e il cuore, in una posizione strategica all’interno dell’organismo.
20.8 Il consumo di alcol può danneggiare il fegato
• Alcuni prodotti di degradazione dell’alcol sono più tossici dell’alcol stesso e possono causare il danneggiamento e la morte delle cellule epatiche e un’infiammazione dei tessuti.
• Nel caso di un frequente abuso di bevande alcoliche, questi danni possono diventare così gravi da portare alla formazione di un tessuto cicatriziale sul fegato; questa condizione viene detta cirrosi epatica.
COLLEGAMENTI
20.9 Il sistema escretore svolge diversi ruoli importanti nell’omeostasi
Il sistema escretore gioca un ruolo centrale nell’omeostasi poiché, producendo ed eliminando urina, è in grado di regolare la quantità di acqua e di sali nei liquidi corporei.
Gli organi principali del sistema escretore umano sono i due reni.
Il sistema escretore umano
Ogni rene contiene circa un milione di minuscole unità funzionali dette nefroni che estraggono una piccola quantità di filtrato dal sangue e lo trasformano in una quantità ancora più piccola di urina.
L’urina esce dal rene per mezzo di un dotto chiamato uretere, passa nella vescica e viene eliminata tramite un condotto chiamato uretra.
Anatomia del sistema escretore umano:
Aorta
Vena cava inferioreArteria e vena renaliUretere
VescicaUretra
A il sistema escretore
Rene
Regione corticaleRegione midollare
Pelvi renale
Uretere
B Il rene
Capsula di Bowman
C Disposizione del nefrone all’interno del rene
Arteria renale
Vena renale
Tubulo del nefrone
Dotto collettore
Verso la pelvi renale
Regione corticale
Regione midollare
Glomerulo1 Tubulo prossimale
3 Tubulo distale
Capillari
Tubulo di un altro nefrone
Dotto collettore
Bowman’s capsule
Arteriola proveniente dall’arteria renale
Arteriola proveniente dal glomerulo
Diramazione della vena renale
2 Ansa di Henle con rete di capillari
D Struttura dettagliata di un nefroneFigure 20.9A–D
20.10 Le funzioni di base del sistema escretore sono la filtrazione, il riassorbimento, la secrezione e l’escrezione
• Nella filtrazione, l’acqua e praticamente tutte le molecole abbastanza piccole da poter attraversare la parete dei capillari passano dal glomerulo al tubulo del nefrone.
• Durante il riassorbimento, l’acqua e importanti soluti come il glucosio, i sali e gli amminoacidi sono recuperati nel filtrato e nuovamente immessi nel sangue.
• Durante la secrezione, alcune sostanze (un eccesso di ioni K+ o H+ e tossine) sono rimosse dal sangue che circola nei capillari peritubulari e aggiunte al filtrato.
• Infine, durante l’escrezione, l’urina, ossia il prodotto della filtrazione, del riassorbimento e della secrezione, passa dai reni all’esterno attraverso l’uretere, la vescica urinaria e l’uretra.
H2O e altre piccole molecole Urina
Escrezione Secrezione RiassorbimentoFiltrazione
CapillareLiquido interstiziale
Tubulo del nefrone
Figura 20.10
Una visione d’insieme delle funzioni del sistema escretore:
20.11 Una visione dettagliata del processo di trasformazione del filtrato in urina
• Il tubulo prossimale riassorbe dal filtrato sostanze nutritive indispensabili come il glucosio e gli amminoacidi.
• Le cellule dei tubuli prossimale e distale riassorbono NaCl e insieme a esso, per osmosi, una certa quantità d’acqua passa dal tubulo al liquido interstiziale.
In queste regioni del tubulo renale avviene anche la regolazione del pH del sangue, grazie alla secrezione nel filtrato di ioni H+ in eccesso e al riassorbimento di ioni HCO3
–.
La presenza di NaCl e di una certa quantità di urea mantiene alto il gradiente di concentrazione dei soluti nel liquido interstiziale della regione midollare, incrementando così la quantità di acqua riassorbita per osmosi.
Riassorbimento e secrezione a livello del nefrone:
Sangue
Capsula di Bowman
Tubulo prossimale Tubulo distale
NaCI –HCO3
Sostanze nutritive H2O
Alcune sostanze tossiche
+H
Regione corticale
NaCI –HCO3
H2O
+H+K
Dotto collettore
Ansa diHenle NaCI
NaCI
NaCI
Urea
H2O
H2O
Urina (verso le pelvi renali)
Regione midollare
Filtrato:
H2O
NaCI
HCO3
H
Urea
Glucosio
Amminoacidi
Alcuni farmaci
+
–
Riassorbimento
Secrezione
Figura 20.11
• Sotto il controllo ormonale, i nostri reni mantengono anche un equilibrio preciso tra l’acqua e i soluti presenti nei nostri liquidi corporei.
• Quando la loro concentrazione aumenta oltre un certo limite, un centro di controllo del cervello aumenta il livello ematico di un ormone chiamato ADH (ormone antidiuretico) che segnala al nefrone di riassorbire più acqua dal filtrato.
COLLEGAMENTI20.12 La dialisi renale può salvare la vita
Nel caso di insufficienze renali gravi è necessario ricorrere ad apparecchiature per la dialisi che svolgano artificialmente le attività di questi organi.
Tubi che dall’arteria vanno al dializzatore
Soluzione dializzane
Soluzione dializzante nuova Soluzione dializzante usata (contenente urea e ioni in eccesso)
Tubi costituiti da membrane selettivamente permeabili
Pompa
Tubi che dal dializzatore vanno alle vene
Figura 20.12