Trocas gasosas nos animais Todos os seres aeróbios necessitam de um fluxo constante de oxigénio para as células e de uma remoção eficiente de dióxido de carbono formado durante a respiração. Os seres vivos têm diferentes necessidades de oxigénio. A quantidade de oxigénio necessária depende do nº de células e da sua atividade. Estas trocas gasosas são realizadas por difusão simples através das superfícies respiratórias. As trocas de gases podem ocorrer por dois processos: Difusão direta: os gases respiratórios difundem-se diretamente através da superfície respiratória para as células sem intervenção de um fluido de transporte. Ex: planária e insetos. Difusão indireta: os gases respiratórios difundem-se através da superfície respiratória para um fluido circulante, normalmente o sangue, que estabelece comunicação entre as células e o meio externo. Ex: minhoca e vertebrados. Características gerais das superfícies respiratórias: São superfícies húmidas, o que possibilita a difusão de oxigénio e dióxido de carbono, uma vez que estes gases têm que estar dissolvidos. São estruturas finas. Apresentam-se ricamente vascularizadas, no caso da difusão indireta. Possuem uma morfologia que lhes aumenta a área, sem grande aumento de volume, para assim possuir uma maior superfície de trocas. Vantagens das trocas gasosas com o ar em relação com o meio aquático: A água só possui 5% de oxigénio relativamente a igual volume de ar. O aumento da salinidade e da temperatura da água reduz ainda mais a quantidade de oxigénio dissolvido. As moléculas dos gases difundem-se muito mais rapidamente no ar do que na água. Vantagens das trocas gasosas no meio aquático em relação com o ar: O oxigénio e o dióxido de carbono só atravessam as membranas das superfícies respiratórias dissolvidos na água. Por esta razão, as superfícies respiratórias devem manter-se húmidas. 1
Dificuldades do ambiente terrestre para a realização das trocas gasosas: A água é o composto que existe nos seres vivos em maior quantidade. As células, quando expostas ao ar, perdem água, desidratando rapidamente. Alguns animais evitam a desidratação mantendo o tegumento húmido. A maioria dos animais possui superfície corporal impermeabilizada, o que reduz a perda de água por evaporação. Além disso, os gases respiratórios têm de estar dissolvidos na água para atravessarem as membranas das células das superfícies respiratórias. Por isso, os animais terrestres desenvolveram superfícies respiratórias invaginadas no interior do corpo, que reduzem significativamente as perdas de água e permitem que a superfície respiratória se mantenha húmida. Ex: traqueias dos insetos e pulmões dos vertebrados. 1. Tegumento como superfície respiratória Alguns animais podem utilizar como superfície respiratória o seu tegumento, não tendo para a realização das trocas gasosas uma superfície específica. Sem sistema respiratório e difusão direta ex: hidra e planária. Sem sistema respiratório e difusão indireta (hematose) a pele possui numerosas glândulas produtoras de muco que permitem manter a pele húmida; a pele é muito vascularizada ex: minhoca. 2. Brânquias como superfície respiratória As brânquias são evaginações da faringe. Difusão indireta (hematose). As brânquias podem ser internas (alojadas em cavidades branquiais) ou externas. As brânquias externas, sendo delicadas, podem ser danificadas. Nos peixes ósseos, as brânquias dispõem-se ao longo de arcos branquiais e estão protegidas por opérculos. Nos peixes cartilagíneos, as brânquias encontram-se em fendas branquiais. 2
A água entra pela boca, banha as brânquias (hematose branquial) e sai para o exterior pelo opérculo/fendas branquiais. O que torna as brânquias eficazes nas trocas gasosas? Apesar de a água só possuir 3 a 5 % de oxigénio disponível (em comparação com 21% que existe no ar atmosférico), as brânquias são muito eficientes na realização da hematose porque: Possuem grande superfície; São bastante finas e irrigadas; O sentido da circulação da água é contrário ao sentido de circulação do sangue mecanismo contracorrente.~ Mecanismo contracorrente: O mecanismo contracorrente permite que, em qualquer ponto de contacto entre o sangue e a água, esta possua sempre uma concentração superior de oxigénio relativamente ao sangue, possibilitando a difusão ao longo de todo o percurso e contribuindo para que o sangue que circula nas lamelas (brânquias) fique mais enriquecido em oxigénio. 3
À medida que o sangue flui através dos capilares, vai ficando cada vez mais rico em oxigénio e, dado que circula em sentido contrário ao da água, vai contactando com a água que é sucessivamente mais rica em oxigénio, permitindo que a sua difusão se continue a verificar. Simultaneamente, e pelo mesmo mecanismo, o dióxido de carbono difunde-se em sentido contrário. Este mecanismo é tão eficaz que o sangue retira da água cerca de 80% do oxigénio dissolvido transportado. 3. Traqueias como superfície respiratória Os insetos possuem um sistema respiratório traqueal, com um mecanismo de difusão direto. Sistema respiratório: espiráculos traqueia traquíola Todo o sistema traqueal encontra-se quitinizado as paredes possuem estruturas quitinosas enroladas em hélice de modo a impedir o fecho dos vasos. Nos insetos mais pequenos a difusão dos gases respiratórios através das traqueias é suficiente, não havendo ventilação ativa. Nos insetos voadores existem, junto aos músculos, sacos de ar que funcionam como reservas de ar e facilitam a ventilação. Esta é também assegurada por movimentos rítmicos do corpo. O sistema de traqueias não é compatível com animais com elevada massa corporal a velocidade de difusão dos gases ao longo destes canais até às células não seria suficiente para satisfazer as necessidades metabólicas. 4
4. Pulmões como superfície respiratória A hematose ocorre ao nível dos alvéolos pulmonares. Difusão indireta hematose pulmonar vertebrados terrestres. 4.1. Exemplo dos mamíferos: 5
Ventilação pulmonar: A renovação do ar alveolar é assegurada pela ventilação pulmonar, que se realiza através dos movimentos respiratórios: inspiração e expiração. As diferenças de pressão, entre o ar atmosférico e o interior pulmonar, possibilitam a realização da inspiração e expiração. Inspiração fase ativa durante a qual o ar entra nos pulmões. 1. Contração do diafragma e dos músculos intercostais; 2. O diafragma baixa, o esterno é projetado; as costelas movem-se para fora e para cima; 3. Aumenta o volume da caixa torácica; 4. Os pulmões dilatam e aumentam de volume; 5. A pressão interpulmonar diminui, ficando menor que a pressão atmosférica; 6. O ar entra para os pulmões. Expiração fase passiva durante a qual o ar é expulso para o exterior. 1. Relaxamento do diafragma e dos músculos intercostais; 2. O diafragma, o esterno e as costelas regressam à posição inicial; 3. Diminui o volume da caixa torácica; 4. Os pulmões diminuem de volume; 5. A pressão intrapulmonar aumenta, ficando maior que a pressão atmosférica; 6. O ar sai dos pulmões para o exterior. 6
Na difusão dos gases respiratórios o fator que determina a direção e a intensidade dessa difusão é a pressão parcial de cada um dos gases. 4.2. Exemplo das aves: As aves, para além dos pulmões, possuem expansões destes, chamados sacos aéreos. Os pulmões não são alveolares, como os dos mamíferos, possuindo parabrônquios (finos canais abertos nas 2 extremidades; onde ocorre a hematose). O ar nos parabrônquios flui num único sentido. Ventilação pulmonar nas aves: O ar circula apenas num sentido (sacos aéreos posteriores -> pulmões -> sacos aéreos anteriores) permitindo uma renovação completa do ar (não existindo ar residual nos pulmões) o que aumenta a eficiência das trocas gasosas. O ar circula nos pulmões no sentido oposto ao da corrente sanguínea mecanismo de contracorrente o que aumenta a eficácia da hematose. 7
Vantagens da existência de sacos aéreos: Como penetram no interior de determinados ossos, tornam o esqueleto mais leve e adaptado para o voo esqueleto pneumático; Apesar de não participarem nas trocas gasosas, contribuem para aumentar a ventilação pulmonar, fornecendo um suplemento de ar durante o voo; Devido ao ar contido no seu interior, os pulmões estão sempre na presença de ar oxigenado; Ajudam a dissipar o calor resultante do intenso metabolismo durante o voo. Resumo: Nos vertebrados terrestres verifica-se uma tendência evolutiva no sentido de um aumento da superfície do epitélio respiratório. Os anfíbios têm uns pulmões simples e também efetuam trocas gasosas através da pele. Os répteis, mais adaptados à vida terrestre, possuem pulmões um pouco mais desenvolvidos. As aves, para além dos pulmões, possuem sacos aéreos que constituem reservas de ar, melhorando a eficácia da ventilação; tornam as aves menos densas, facilitando-lhes o voo; e contribuem para a dissipação de calor resultante do metabolismo, sobretudo durante o voo. Os mamíferos apresentam uma superfície respiratória muito extensa; fina espessura da parede alveolar; milhões de alvéolos altamente irrigados. Transporte de gases respiratórios: Transporte de oxigénio: 1. Dissolvido no plasma (2%) 2. Combinado com a hemoglobina (98%) Hb + O 2 oxiemoglobina (HbO 2 ) Transporte de dióxido de carbono: 1. Dissolvido no plasma (8%) sob a forma de CO 2 2. Combinado com a hemoglobina (11%) Hb + CO 2 carbaminoemoglobina (HbCO 2 ) 3. Sob a forma de hidrogenocarbonato (81%) HCO - 3 (reação do CO 2 com a H 2 O do plasma) 8