Come funzionano i polmoni
Ogni 24 ore noi immettiamo nel nostro corpo 13 mila litri di
aria e altrettanta ne espelliamo: se solo per qualche minuto manca l'ossigeno,
la macchina del corpo umano si ferma, definitivamente. La respirazione per noi
è un'azione banale, che eseguiamo senza neppure pensarci ma è un
processo che ogni volta attiva sistemi molto complessi. Nella respirazione non
entrano in gioco soltanto i polmoni, contenuti nella gabbia toracica, ma anche
molte altre strutture. I nostri polmoni sono racchiusi in una specie di
giubbotto corazzato formato dalle costole perché sono organi molto vulnerabili
che vanno perciò salvaguardati da urti e traumi. Il sistema è
elastico: infatti le costole, muovendosi per l'azione dei muscoli respiratori,
consentono e accomno l'espansione dei polmoni durante la respirazione. La
capacità polmonare, a massima estensione, è di circa 6,5 litri
nella donna, 7,5 litri nell'uomo. Si calcola che nel corso della vita un
individuo compia circa mezzo miliardo di respiro, dal primo della nascita
all'ultimo della morte, con un ritmo di 12-l5 al minuto. In questo modo vengono
ossigenati circa 300 milioni di litri di sangue, l'equivalente di un piccolo
lago. Ma procediamo con ordine, seguendo il percorso dell'aria che entra dalla
bocca. Il primo ostacolo che l'aria incontra sul suo passaggio è il
velopendulo, un'appendice di tessuto che si trova all'ingresso della gola e che
è uno dei responsabili del russare: durante il sonno, infatti, i tessuti
si rilassano, il velopendulo si affloscia e l'aria è costretta a passare
attraverso una strettoia, producendo rumori, che in taluni risuonano più
forte di altri. Procedendo verso la laringe l'aria incontra un bivio, che da un
lato porta allo stomaco e dall'altro ai polmoni: una specie di valvola,
l'epiglottide, smista l'aria da una parte e il cibo dall'altra, comportandosi
come uno scambio ferroviario che entra in azione ogniqualvolta viene ingerito
del cibo, deviandolo verso l'esofago. Al passaggio del cibo l'epiglottide si
piega all'indietro, verso il basso, proteggendo così le vie
respiratorie; il suo movimento è automatico (movimento riflesso) e
avviene ogni volta che deglutiamo. Questo sistema di chiusura è solo
umano: gli scimpanzé, per esempio, usano i due canali (laringe ed esofago)
contemporaneamente e anche i neonati umani, nei primi mesi di vita, hanno la
capacità di bere il latte e respirare nello stesso tempo. È nella
zona dell'epiglottide che avviene la formazione dei suoni che consentono il
linguaggio: l'aria, che esce dai polmoni, viene, infatti, qui "modulata" dalle
corde musicali. Queste ultime sono in realtà come delle labbra molto
sottili, attraverso le quali passa l'aria che proviene dai polmoni: sono
costituite da un tessuto perfettamente elastico, proprio perché devono potersi
contrarre per permettere la formazione dei suoni. La zona è
particolarmente ricca di muscoli e legamenti proprio per rispondere meglio ai
segnali inviati dal cervello, che ordina alle corde vocali di contrarsi nel
modo giusto. La qualità della voce dipende dalla lunghezza e dalla
tensione delle corde vocali, il tono e il timbro sono modulati dal "tubo di
risonanza" della laringe, che contribuisce anche all'articolazione delle
vocali. L'intensità dei suoni, invece, dipende dalla pressione dell'aria
che esce dai polmoni. Gli uomini hanno voci più basse delle donne e dei
bambini, perché durante la pubertà gli ormoni sessuali maschili
provocano un rapido allungamento delle corde vocali. A seconda della fessura si
hanno dunque suoni differenti: le vocali dipendono dalla forma del tubo di
risonanza e dai movimenti di laringe, dorso della lingua e labbra. Il principio
è abbastanza semplice, tant'è vero che
può essere riprodotto artificialmente: uno strumento curioso, esposto
all'Exploratorium di San Francisco, mostra, appunto,
come si possono ottenere le 5 vocali. Per le consonanti le cose sono invece un
po' più complicate perché entrano in gioco la lingua e le labbra.
L'intero apparato vocale rimane dunque azionato dal cervello: tutti gli ordini
di movimento e contrazione provengono dalla corteccia cerebrale, dai cosiddetti
centri del linguaggio. Questa comunicazione avviene grazie a un fitta rete
nervosa che collega le due zone. Nell'uomo il sistema è molto evoluto: i
collegamenti nervosi sono complicati e coinvolgono più strutture
cerebrali. In uno scimpanzé, invece, la rete nervosa è molto più
limitata e le possibilità di movimento delle corde sono assai
rudimentali. Il linguaggio serve inoltre a veicolare invenzioni, idee, immaginazioni
e questo richiese un cervello molto sviluppato.
Proseguendo oltre le corde vocali, l'aria si dirige verso i
polmoni attraversando la trachea, che è, in pratica, il tubo che collega
i polmoni all'esterno. Le pareti della trachea sono molto lisce, umide e
ricoperte da numerosissime cellule cigliate che trattengono ed espellono i
corpi estranei, che arrivano nelle vie aeree trasportati dall'aria e che
rimangono invischiati nel muco secreto da altre cellule che si trovano sulla
parete. Questo canale funzione anche come una specie di camere di compensazione
per regolare la temperatura e l'umidità dell'aria che giunge
dall'esterno. È proprio a livello della trachea che i chirurghi, in caso
di soffocamento, praticano un'apertura a valle del punto ostruito, la tracheotomia,
che ha la funzione di fare entrare l'aria direttamente dall'esterno.
Continuando a seguire il viaggio dell'aria, si scende nei bronchi e nei
polmoni, incaricati di rifornire l'organismo di ossigeno e liberarlo
dall'anidride carbonica. Se volessimo paragonare la trachea al tronco di un
albero rovesciato, i bronchi rappresenterebbero i rami, grandi e piccoli, gli
alveoli le foglie. Gli alveoli prendono infatti origine dalle ultime
diramazione bronchiali. I polmoni ospitano altri 2 tronchi pieni di
ramificazione e rametti: l'arteria e le vene polmonari che, ramificandosi in
sterminati rivoli di capillari, fanno scorrere il sangue a stretto contatto con
le pareti degli alveoli. È appunto qui che avviene lo scambio dei gas. I
polmoni sono i contenitori di tutto il sistema, grazie ad un sacco elastico e a
una rete di fibre che funzionano da tiranti. Per rimanere in tensione e non
afflosciarsi i polmoni fanno affidamento su due pareti, dette pleure: la pleura
esterna riveste il torace e tende ad espandersi sotto l'azione dei muscoli
inspiratori, la pleura interna è in pratica incollata all'altra grazie
ad un liquido vischioso. Nel sottilissimo spazio fra le due pareti si crea una
pressione negativa, che impedisce al polmone di afflosciarsi e permette al
polmone di aumentare di volume durante l'inspirazione. Ecco perché, se si
bucano queste pleure, il polmone rischia di collassare.
L'intera struttura dei polmoni può essere vista come una serie di
biforcazioni successive, dando così origine ad quella straordinaria arborizzazione, sempre più fitta e fine, che
permette al sangue di arrivare a contatto con le sottilissime membrane degli
alveoli polmonari. Ed è proprio negli alveoli che avviene lo scambio
dell'ossigeno e dell'anidride carbonica. Questa struttura a "cellette" è
il solito trucco messo in atto dall'organo per aumentare la sua superficie
interna, senza aumentare il volume. Infatti, grazie alla loro struttura ad
alveare, la superficie interna dei polmoni diventa di circa 77 m2:
il sangue ha dunque un'enorme superficie per ossigenarsi. Il segreto della
respirazione risiede proprio nella struttura della parete che separa l'alveolo
dal sangue che gli scorre a fianco: si tratta di una parete sottilissima che
permette lo scambio di gas (cioè di molecole molto piccole) mentre impedisce
il passaggio dei globuli rossi, molto più grandi. È così
che entrano nel sangue le molecole di ossigeno, di cui l'aria inspirata
è ricca, ed escono quelle di anidride carbonica qui trasportate dal
sangue. Lo scambio avviene perché negli alveoli c'è maggiore tensione di
ossigeno, e nei capillari maggiore tensione di anidride carbonica. Si crea
così un gradiente che funzione come una spintarella nei due sensi,
grazie alla diffusione molecolare. In questo modo il sangue cede le sue scorie
di anidride carbonica e si arricchisce di ossigeno che, una volta entrato nei
capillari, viene saldamente incorporato dai globuli rossi. All'interno dei
globuli rossi, infatti, si trovano le molecole di emoglobina, che hanno proprio
la specifica capacità di incorporare l'ossigeno e trasportarlo, per poi
cederlo ai vari tessuti dell'organismo. Il ritmo della respirazione può
essere regolato volontariamente perché noi possiamo decidere di accelerare e
diminuire il ritmo, ma solo entro limiti precisi. C'è, infatti, un meccanismo
di sopravvivenza comandato dal centro respiratorio del cervello che regolare la
respirazione in modo automatico: è per questo che respiriamo anche
quando dormiamo ed è impossibile "dimenticarsi" di respirare. Il fatto
curioso nel processo degli scambi gassosi respiratori è che l'aria che
respiriamo è composta solo per un quinto da ossigeno; i restanti quattro
quinti sono invece di azoto (misto a vapore acqueo e trascurabili parti di
anidride carbonica). L'80% dell'aria che inspiriamo è dunque formata da
azoto che noi, praticamente, non utilizziamo, perché è un gas inerte e
anche poco solubile. La sua funzione nei polmoni è sia di stabilizzatore
del volume di aria, sia, soprattutto, di diluente dell'ossigeno, in quanto in
alte percentuali sarebbe tossico, se non addirittura letale, per le cellule
dell'apparato respiratorio. L'ossigeno, proprio per le sue proprietà
ossidanti, costituiva, infatti, un gas velenoso agli albori della vita e, come
tale, non utilizzato fino al momento in cui vero organismi in grado di
sfruttarlo come fonte energetica tramite il circolo sanguigno e i globuli
rossi. Essi viaggiano nella sterminata rete del sistema circolatorio e portano
l'ossigeno ovunque sia necessario: da solo il cervello consuma quasi un quarto
di tutto l'ossigeno disponibile e non può rimanerne privo per più
di qualche minuto. Possediamo un numero sterminato di globuli rossi (5 milioni
ogni millimetro cubo di sangue maschile, 4 milioni in quello femminile).
Disporre di un sistema efficiente per far circolare l'ossigeno non è
solo un problema dell'uomo: la selezione naturale ha inventato soluzioni molto
diverse per risolvere lo stesso problema. Da quando, 2 miliardi di anni fa, l'ossigeno
cominciò ad essere usato come "carburante", sono stati affinati vari
sistemi per immagazzinare e utilizzare l'ossigeno e i polmoni sono soltanto
l'ultimo modello. All'inizio gli organismi unicellulari assorbivano l'ossigeno
disciolto nell'acqua direttamente, attraverso la membrana cellulare. Quando
però gli esseri viventi diventarono più grandi e complessi furono
costretti a sviluppare organi specializzati: ben preso molti animali marini
spostarono le loro appendici respiratorie all'interno del corpo, in modo da
poterle sfruttare anche da fermi. I primi animali ad abbandonare l'acqua e ad
imparare a respirare l'aria furono gli insetti che, per non morire disidratati,
si ricoprirono di una pelle impermeabile che però li costrinse a dotarsi
di una serie di aperture disposte lungo tutti il corpo (come prese d'aria).
Questo sistema diventa meno efficiente man mano che le dimensione
dell'organismo aumentano e dunque non esistono insetti più lunghi di 30
cm e più pesanti di 100 grammi. Polmoni simili ai nostri ebbero
un'origine diversa: sappiamo che ci vollero molti milioni di anni prima che la
vescica natatoria dei pesci si trasformasse in polmoni veri e propri. Per molto
tempo la vita rimase legata alla presenza dell'acqua, come avviene oggi per
rane e salamandre i cui polmoni sono ancora primitiva, cosicché devono
assorbire l'ossigeno attraverso la pelle, che deve essere mantenuta sempre
bagnata. Fu solo più tardi, quando riuscirono a dotarsi di polmoni
efficienti e di una pelle impermeabile, che i vertebrati furono in grado di
tagliare il cordone ombelicale con l'ambiente acquatico. La terra ferma divenne
però pericolosa per alcune specie, come le tartarughe, che si
rifugiarono di nuovo in mare e che mantengono tutt'oggi
i polmoni. La loro capacità polmonaria permette loro di nuotare
sott'acqua per più di un'ora senza dover riemergere e uno speciale
sistema muscolare consente di regolare la dilatazione della massa polmonare
modificando il peso specifico del corpo: in questo modo una tartaruga
può risalire alla superficie senza battere un solo colpo di pinna. I
cetacei hanno saputo fare ancora meglio: possono rimanere in immersione per 90
minuti e la loro respirazione non richiede più di 2 secondi, brevissimo
intervallo durante il quale riescono a rinnovare, attraverso lo stretto
sfiatatoio, almeno 2000 litri d'aria e ad espellere il 90% dell'aria contenuta
nei polmoni (l'uomo non arriva al 15%). Per quanto meraviglio, il sistema
polmonare può anche entrare in crisi: i polmoni sono infatti a contatto
continuo con l'aria esterna e possono essere aggrediti da ogni tipo di sostanza
volatile o microrganismo. Bronchiti e polmoniti, ad esempio, sono il risultato
di queste aggressioni.
