Sistemas de Trocas Gasosas 1 Generalidades os seres vivos habitam diversos tipos de ambientes, sendo fundamentalmente o terrestre, o aquático e o aéreo. As diferenças existentes entre os diversos ambientes, sugerem diferentes necessidades de adaptações fisiológicas, para que ocorra a sobrevivência e perpetuação das espécies que se estabelecem nos referidos meios. Quase todos os organismos unicelulares e todos os pluricelulares, necessitam de oxigênio livre (O 2 ) para oxidar suas substâncias orgânicas, com a finalidade de produzir energia necessária para todas as atividades metabólicas de que necessitam. Além de energia, ocorre o desprendimento de gás carbônico (CO 2 ) que é um subproduto da respiração. Portanto, a respiração pode ser definida em linhas gerais, como a troca de gases entre os organismos e o ambiente. Nos organismos em que as células individuais encontram se diretamente em contato com o meio externo, o intercâmbio gasoso ocorre facilmente. O oxigênio é difundido para o interior de cada célula e o anidrido carbônico faz o percurso contrário. Esta troca gasosa direta é característica das moneras, dos protistas, dos metáfitas e de alguns metazoários particularmente os espongiários, radiolários e acelomados. Nestes seres, o intercâmbio de gases ocorre diretamente entre as células e o ambiente, e desse modo, não existe sistemas especializados em condução gasosa nos mesmos. Antigamente não existia oxigênio livre na atmosfera terrestre e as únicas formas de vida existentes, eram seres unicelulares, capazes de realizar processos de liberação de energia sem a interferência desse importante gás atmosférico. Por isso mesmo, alguns organismos primitivos e ainda hoje, alguns tipos de bactérias e leveduras, fazem ainda a fermentação. Quando o oxigênio apareceu na atmosfera da Terra, ocorreu uma verdadeira revolução em termos energéticos, para todos os seres vivos. Segundo a teoria da evolução, os primeiros seres vivos tiveram hábitos aquáticos, e desse modo, quando o oxigênio começou aparecer, ia paulatinamente misturando se com a água e hoje se sabe, que quando ocorre saturação, a água possui apenas a proporção de ¾ de cm 3 de oxigênio por litro.
Ao invadir o ambiente terrestre, os seres vivos tiveram uma maior vantagem que os aquáticos, com relação à obtenção de energia. É que no ambiente terrestre, a proporção de oxigênio é maior que no ambiente aquático, ou seja, aproximadamente 21% do volume atmosférico é ocupado por aquele gás, fato fundamental para que as combustões orgânicas na Terra, sejam bem mais rápidas. Além disso, um peixe gasta normalmente muita energia ao circular água em suas brânquias para a obtenção do oxigênio que se encontra dissolvido. Uns 20% do total energético é gasto no movimento dos músculos branquiais para que ocorra a respiração, enquanto que um animal respirando no ambiente terrestre, gasta, apenas de 1 a 2% do seu total energético; isto decorre também pelo fato de que o oxigênio se difunde mais rápido no ar que na água. O mecanismo pelo o qual o oxigênio penetra nas células, é a difusão, já que as membranas celulares são permeáveis a este gás, muito mais que a água. Isto ocorre em todas as células, seja um protozoário como a ameba, seja uma célula renal, cardíaca, neural, e outras. Nesse caso, a superfície respiratória deve está em contato com o ambiente (ar ou água) para que possa ocorrer o processo. Além disso, as substâncias envolvidas nesse mecanismo só podem se difundir em curtas distâncias, ou seja, inferior a um milímetro. 2 Trocas Gasosas nos Vegetais: 2.1 Introdução como se falou anteriormente, os vegetais não possuem um sistema desenvolvido para as trocas gasosas com o respectivo ambiente. Apesar da complexidade das plantas vasculares, quase todas as células vivas, estão em contato com o exterior, de forma direta ou indiretamente. 2.2 Mecanismo das Trocas Gasosas nos Vegetais as células das folhas deixam passar gases atmosféricos, graças à abertura dos seus estômatos. Assim, o oxigênio pode se difundir para as células mais profundas, em mistura com a água contida no floema, abastecendo as células dos talos, das raízes e de outros tecidos. Por outro lado, o oxigênio dissolvido na água do solo, penetra pelas raízes, abastece as células radiculares, sendo que o restante é conduzido através do xilema para as células do talo e das folhas. Os tecidos verdes também constituem uma excelente fonte de obtenção de oxigênio, devido à produção desse gás no mecanismo fotossintético. Da mesma maneira que o oxigênio é difundido, o bióxido de carbono faz o percurso contrário, porém todo o seu conteúdo é transferido para a atmosfera, através da abertura estomática. Está
se falando naturalmente, do processo respiratório, porque na fotossíntese o dióxido de carbono penetra no vegetal. Deve se ressaltar que a maior parte dos tecidos internos de uma planta, é constituída por material inerte, servindo apenas para suporte e condução, e desse modo, não precisa de gases por não possuir metabolismo. 2.3 Estômato do grego stóma = boca; também conhecido pelo nome de estoma. Na verdade, os estômatos são aberturas diferenciadas das células epidérmicas que obtiveram um alto grau de especialização. São responsáveis pelas trocas hídricas e gasosas entre a superfície foliar e o ambiente. Os estômatos são formados por duas células conhecidas como estomáticas, sendo alongadas e recurvadas ou abauladas, ou seja, em forma de rins; de tal forma que entre elas, fica um espaço conhecido como fenda ou ostíolo. As células estomáticas são também conhecidas como: células estomatares, células guarda e células oclusas (porque pode ocluir o ostíolo). As células estomáticas estão localizadas na epiderme inferior das folhas, sendo as únicas do tecido epidérmico a possuir cloroplastos. Em sua vizinhança, pode se encontrar duas ou mais células, muito conhecidas como células anexas. Em cada milímetro quadrado de superfície foliar existem aproximadamente uns trezentos estômatos. 2.3.1 Funcionamento dos Estômatos as células estomatares possuem cloroplastos, elaboram a glicose, ficam hipertônicas e por osmose absorvem água das células anexas. Após a absorção de água, as células oclusas tornam se turgescentes e as paredes dorsais sendo delgadas, aumentam a sua convexidade do lado que fica em contato com as células vizinhas. Já as paredes ventrais, relacionadas com o ostíolo, afastando se, permitindo a sua abertura. Quando ocorre formação de amido, o poder osmótico das células estomáticas diminuem, provocando a redução do estado de turgescência e conseqüentemente, o fechamento do ostíolo. Este fenômeno ocorre porque o amido é insolúvel e por isso, não retém a água que volta para as células vizinhas. A formação de amido ocorre porque uma enzima chamada fosforilase polimeriza a glicose à medida que suas moléculas estão sendo fabricadas. Dessa maneira, a enzima converte aquele monômero (glicose) num dos seus respectivos polímeros (amido). Este fenômeno só ocorre quando o meio em que se encontra a glicose, é ácido, ocorrendo a formação do amido, que é uma substância osmoticamente inativa. No meio alcalino, a reação ocorre, porém no sentido contrário, isto é, o amido se transforma em glicose que é uma substância osmoticamente ativa. A acidez do meio é dada pela presença de dióxido de carbono que se transforma em ácido carbônico após reagir com uma molécula de água. Na presença de luz, o ácido carbônico é
consumido na fotossíntese e conseqüentemente tornando o meio mais básico ou alcalino. A abertura dos estômatos é controlada por muitos fatores, tais como: luz solar, vapor d água, oxigênio e gás carbônico. Um dos principais fatores que controlam a abertura das células estomatares é o bióxido de carbono na câmara subestomática. Durante a noite (escuridade) a concentração daquele gás aumenta por causa da respiração, porém na presença de luz, o dióxido de carbono é utilizado na fotossíntese, diminuindo sua concentração e provocando a abertura dos estômatos para que mais dióxido de carbono penetre nas folhas. Se o solo estiver bastante suprido de água, os estômatos permanecem abertos, pelas razões descritas anteriormente, porém se a água não for suficiente para atender a demanda do vegetal os estômatos se fecham. Os estômatos também são afetados pela presença de luz solar, aumentando muito a taxa de transpiração. A luz aquece o ar e também toda superfície foliar. Esta fica muito mais aquecida que o ar e isto provoca um aumento da concentração de vapor d água no interior das folhas, acelerando a difusão daquele vapor para o ambiente exterior. Dessa maneira, ocorre uma grande flutuação diária na grandeza da transpiração. Nas regiões muito secas, existem muitos mecanismos adaptativos responsáveis pela sobrevivência dos mesmos. Entre eles podemos citar: casca espessa das árvores, camada gordurosa na superfície das folhas, armazenamento de água e fechamento dos estômatos durante o dia, quando o calor é bastante intenso. Por isso, nos períodos longos de secas, o crescimento dos vegetais é precário ou praticamente nulo, pois com o fechamento dos estômatos, a fotossíntese não pode ocorrer. 3 Trocas Gasosas nos Animais: 3.1 Introdução os metazoários inferiores tais como espongiários, celenterados, platelmintos, nematelmintos, etc., são como metáfitas, com relação à falta de sistema respiratório. Neles, as trocas gasosas ocorrem por simples mecanismos de difusão entre o ambiente e o organismo. Entretanto, a grande maioria dos animais possui forma bastante complexa, isto é, existem muitas camadas de células que não estão em contato com o ambiente e por causa disto, não podem efetuar troca gasosa diretamente com o meio externo. Como conseqüência disto, desenvolveram um sistema de respiração especializado para executar este processo. A evolução desenvolveu quatro tipos diferentes de sistemas respiratórios: respiração cutânea, branquial, traqueal e pulmonar.
3.2 Evolução das Trocas Gasosas Nos Animais: 3.2.1 Trocas Cutâneas é realizado através da pele dos animais que deve estar úmida para a captação do oxigênio. Realizam este mecanismo, os espongiários, os celenterados, os platelmintos, os nematelmintos, os anelídeos, os cefalocordados e os anfíbios adultos. 3.2.2 Evolução das Brânquias como acontecem com os batráquios modernos, os primeiros vertebrados, que apareceram respiravam fundamentalmente através da pele. Provavelmente, o sistema branquial dos vertebrados primitivos, surgiu como um mecanismo alimentar, porque ainda hoje, o anfioxo (vertebrado primitivo) extrai partículas orgânicas contidas na água que circula em suas brânquias. Portanto, os peixes antigos não possuíam escamas, porém para se livrar dos predadores, tiveram que desenvolver alguns mecanismos adaptativos, tais como: espessura da pele e o aparecimento de escamas. Com isto, as trocas gasosas ficaram prejudicadas, mais ou menos tempo, a evolução desenvolveu elementos (indivíduos) cada vez maiores e mais rápidos, ou seja, eficientes na captação da presa ou na fuga dos predadores. Desse modo, para cobrir todos esses propósitos, eles precisavam de maiores quantidades energéticas e conseqüentemente, maiores quantidades de oxigênio em todas as células. A evolução desenvolveu o impasse pelo desenvolvimento da brânquia para um novo mecanismo: a troca gasosa. Esse órgão respiratório sofreu inúmeras mudanças com o perpassar dos milênios, ocorrendo aumento em seu tamanho e superfície de vascularização. Por causa disto, ainda hoje, encontram se diferentes tipos de brânquias, porém o princípio fundamental é o mesmo. A brânquia é constituída por filamentos muito finos recobertos por uma camada delgada de células (epiderme), contendo muitos capilares sangüíneos. Fazem respiração branquial, alguns anelídeos (poliquetas), muitos crustáceos e moluscos, ciclóstomos, peixes e larvas dos anfíbios. 3.2.3 Trocas Gasosas Traqueais as traquéias são tubos bastante finos que se iniciam na superfície do corpo do animal e se ramificam bastante para o interior do organismo, sendo que através dos seus extremos, ocorrem as trocas gasosas. São encontradas em insetos e miriápodes. Nos aracnídeos existem as filotraquéias, que são na verdade, variações traqueais, mas que executam a mesma função. 3.2.4 Evolução dos Pulmões provavelmente, todos os peixes primitivos tiveram brânquias e pulmões, embora estes últimos fossem quase ineficazes, ou seja, não passavam de órgãos acessórios. Esses pulmões devem ter sido um mecanismo adaptativo para a vida no
ambiente dulciaquático (água doce), pois como se sabe, estas águas são mais pobres em oxigênio que as águas marinhas. Ainda hoje, existem certos tipos de peixes que sob determinadas condições, respiram pela bexiga natatória que funciona como um esboço de pulmão. Esses peixes são conhecidos como dipnóicos e a pirambóia é um bom exemplo disso. Durante o período mais seco (verão), a pirambóia cava vales no leito seco dos rios e respiram pela bexiga natatória, até o aparecimento da água nos rios, quando passa a respirar pelas brânquias. A bexiga natatória possui a função hidrostática, facilitando o deslocamento do peixe para uma maior ou menor profundidade, dependendo naturalmente do volume do gás contido no seu interior. Os anfíbios e os répteis possuem pulmões maiores e mais complexos que o dos peixes dipnóicos, porém ainda são bastante rudimentares, se comparados com outros organismos mais evoluídos. Nesses e em outros vertebrados terrestres, desenvolveu se um órgão para conduzir o ar até os pulmões. Este conduto de ar é conhecido como traquéia. As aves e mamíferos possuem os pulmões mais desenvolvidos que existem e isto era de se esperar, pois estes seres são os mais evoluídos que existem. Os pulmões destes seres apresentam maiores tamanhos e conseqüentemente, maiores superfícies para as trocas gasosas. Os pulmões são invaginações, ao contrário das brânquias que são evaginações. Os pulmões são estruturas que possuem uma ou mais câmaras formadas por um imenso número de pequeníssimos sacos chamados alvéolos, que se revestem no seu interior por um epitélio bastante úmido e vascularizado. São nos alvéolos, onde ocorrem as trocas gasosas entre o ar atmosférico e os capilares pulmonares. Nota este texto é, na realidade, uma breve introdução, por isso queremos esclarecer aos interessados no assunto, que para obter o texto na íntegra (total), basta solicitá-lo, que atenderemos todos os pedidos e enviaremos os mesmos pelos Correios e Telégrafos; portanto, entre em contato conosco através dos nossos telefones ou e-mail. À Direção. Maceió, Janeiro de 2.012 Autor: Mário Jorge Martins. Prof. Adjunto de Saúde Coletiva da Universidade Estadual de Ciências da Saúde de Alagoas (UNCISAL). Mestre em Parasitologia pela Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). Médico da Fundação Nacional de Saúde (FUNASA).