De ce animalele și oamenii trebuie să respire? Explicația unui biolog pe înțelesul tuturor
Redactor specializat
Biochimist, psihoterapeut, formare nutriție și terapii complementare
Studii: Facultatea de Biologie și Masterul în Biochimie.
Alte formări: cursuri acreditate de Lucrător Social, Manager proiect și Antreprenoriat, Hipnoză Clinică, Relaxare și Terapie Ericksoniană.
Respirația este unul dintre cele mai obișnuite procese; cu toții respirăm și, de obicei, nu ne întrebăm de ce facem acest lucru. ”Dacă nu respiri, mori!” acesta este răspunsul pe care oricine ți l-ar da la întrebarea de ce oamenii trebuie să respire. Cu toate acestea, nu este un răspuns suficient, pentru că nu explică importanța respirației pentru organism. Ne-am putea întreba mai departe: ”De ce mori, dacă nu respiri?” Care este, de fapt, legătura dintre respirație și viață?
Pentru a putea descifra de ce animalele și oamenii trebuie să respire, trebuie să privim mai în amănunt acest proces incredibil care este respirația. Trebuie să înțelegem câte ceva din structura aparatului respirator și etapele respirației, în special ultima dintre ele, respirația celulară. Articolul de față prezintă explicațiile pe care Christina S. Baer, profesor asistent de Științe Biologice, la Universitatea Binghamton din New York le-a dat ca răspuns la întrebarea unui copil de 7 ani: ”De ce oamenii și animalele trebuie să respire?” Sunt explicații pe înțelesul tuturor ce deslușesc o parte din misterul procesului respirator.
Cum obține organismul energia pentru viață
”Trebuie să respiri din același motiv pentru care trebuie să mănânci: te ajută să produci energia necesară corpului tău. Probabil știi deja că mâncarea este combustibil pentru corpul tău. Când mănânci, mâncarea se descompune în stomac și nutrienții intră în sânge. De acolo, sunt livrați în celulele tale. În interiorul celulelor tale se află structuri și mai mici numite mitocondrii, care sunt motoarele ce alimentează întregul corp. Mitocondriile folosesc nutrienții din alimente drept combustibil. Dar, pentru a transforma hrana în energie, au nevoie de încă un ingredient – oxigenul.”, explică biologul Christina S. Baer.
Cu alte cuvinte, animalele și oamenii trebuie să respire pentru a furniza organismului un element esențial, care transformă alimentele (combustibilul) în energie vitală. Acest element esențial, echivalent în mod metaforic cu un foc ce arde combustibilul, este oxigenul.
Toate organismele vii au nevoie de energie pentru a crește și a se reproduce, pentru a-și menține structurile și pentru a răspunde la mediul lor ambiant. Metabolismul este ansamblul proceselor chimice care susțin viața, ce permit organismelor să transforme energia chimică stocată în molecule în energie care poate fi utilizată pentru procesele celulare. Animalele consumă hrană pentru a reface energia pe care o înmagazinează în celule; metabolismul lor descompune carbohidrații, lipidele, proteinele și acizii nucleici pentru a furniza energie chimică necesară proceselor din organism.
Desigur că procesele implicate sunt mult mai vaste și implică relații chimice complexe, dar este important să reținem faptul că majoritatea organismelor vii, inclusiv oamenii trebuie să respire pentru putea obține și organiza energia necesară vieții
Fiecare sarcină îndeplini pe care o îndeplinește o ființă vie necesită energie. Oamenii trebuie să respire pentru a obține energia necesară efectuării mișcărilor, diferitelor tipuri de activități și exercițiilor fizice, dar folosesc, de asemenea, o mare cantitate de energie pentru procese ce nu implică mișcare, precum gândirea sau chiar somnul. Pentru fiecare acțiune, au loc multiple reacții chimice ce furnizează energie chimică sistemelor corpului, inclusiv mușchilor, nervilor, inimii, plămânilor și creierului.
Celulele vii ale fiecărui organism folosesc în mod constant energia pentru a supraviețui și a crește. Celulele descompun carbohidrații complecși în zaharuri simple, pe care le pot folosi pentru energie. Celulele musculare pot consuma energie pentru a construi lanțuri proteice lungi din molecule mici de aminoacizi. Moleculele pot fi modificate și transportate în jurul celulei sau pot fi distribuite întregului organism. La fel cum este nevoie de energie atât pentru a construi, cât și pentru a demola o clădire, energia în organism este necesară atât pentru sinteza, cât și pentru descompunerea moleculelor.
Care este importanța oxigenului pentru organism
Un prim răspuns la întrebarea de ce oamenii trebuie să respire este faptul că prin respirație aducem în corpul nostru oxigenul.
Oxigenul gazos este esențial pentru toate animalele aerobe, pentru că grație lui pot avea loc două procese fundamentale: respirația mitocondrială și fosforilarea oxidativă prin care se eliberează, respectiv se înmagazinează energie în organism.
Pentru a înțelege mai bine rolul oxigenului în organism, este necesar să reamintim structura respirației. Respirația este un proces care se desfășoară în 3 etape:
1. Etapa pulmonară sau respirația pulmonară, care cuprinde, la rândul său:
– Ventilația pulmonară cu cele două procese, inspirația și expirația
– Perfuzia pulmonară și difuziunea alveolo- capilară (schimbul de gaze)
În cadrul acestei etape, oxigenul din aerul exterior pătrunde în plămâni, prin inspirație și trece în sânge, la nivelul alveolelor pulmonare. Dioxidul de carbon rezultat la nivel celular trece din sânge în plămâni și este eliminat la exterior prin expirație.
2. Etapa sanguină sau funcția respiratorie a sângelui: prin aceasta se realizează transportul oxigenului spre țesuturi și al dioxidului de carbon spre plămâni.
3. Etapa tisulară sau respirația tisulară (respirația celulară) reprezintă asigurarea unui aport continuu de oxigen pentru că celulele să poată realiza oxidarea substratelor necesară activității lor.
De fapt, rolul central al oxigenului se desfășoară la nivelul celulelor, unde are loc respirația mitocondrială și formarea ATP (adenozintrifosfat) prin fosforilarea oxidativă. ATP este acumulatorul de energie necesară pentru celule, care stochează energia rezultată în urma reacțiilor biochimice de la nivelul celulei și o eliberează în funcție de necesitățile biologice ale organismului. Energia stocată în ATP este utilizată pentru procesele de contracție musuclară, transport activ și toate procesele fiziologice consumatoare de energie din organism.
Respirația mitocondrială, care necesită prezența oxigenului, este fundamentală pentru toate organismele aerobe, oxidarea glucozei și a acizilor grași din nutrienții alimentari necesitând furnizarea continuă de oxigen. Cu alte cuvinte, animalele și oamenii trebuie să respire pentru ca oxigenul să ajungă la celule și să oxideze nutrienții alimentari, permițând eliberarea energiei necesare vieții.
Fosforilarea oxidativă mitocondrială presupune mai multe procese complexe, precum glicoliza, glicogenoliza, lipoliza și ciclul acidului tricarboxilic (ciclul Krebs), care sunt foarte complexe și necesită cunoștințe mai ample profunde de biochimie pentru a fi înțelese.
Ideea centrală care trebuie reținută și pe care o evidențiază biologul Christina S. Baer este că oamenii trebuie să respire pentru ca în organismele lor să pătrundă oxigenul, unul dintre componenții fundamentali ai proceselor energetice din organism. De fapt, respirația și digestia sunt strâns legate. Dacă am face o analogie destul de generală, nutrienții rezultați în urma digestiei sunt asemeni unui combustibil necesar pentru a încălzi o casă, în vreme ce oxigenul este asemeni focului care arde combustibilul, pentru a se elibera căldură= energie.
Pentru a înțelege importanța oxigenului, este suficient să observăm ce se întâmplă atunci când aportul de oxigen este insuficient.
Primele efecte ale reducerii aportului oxigenului sunt resimțite de creier. Chiar și reduceri minore (hipoxie ușoară) se pot manifesta prin dezorientare, confuzie și reducerea funcției executive superioare. Deprivarea de oxigen pe termen lung poate provoca și leziuni ale altor organe, în special ale inimii și rinichilor, dar principalul care este afectat rămâne creierul.
Necesarul de oxigen al organismului se modifică în funcție de activitatea depusă. Oamenii trebuie să respire mai intens atunci când fac efort.
Când utilizăm mușchii scheletici, folosim mai multă energie și, prin urmare, avem nevoie de mai multă glucoză și oxigen. Pe măsură ce mușchii se mișcă mai mult, de exemplu, dacă trecem de la mers la alergat, inima pompează mai repede (ritmul cardiac crește) pentru a crește aportul de sânge și respirăm mai repede (ritmul respirator crește) pentru a introduce mai mult oxigen în sânge.
Frecvența respiratorie poate fi crescută sau redusă pentru a se potrivi cu cantitatea de oxigen necesară. Pentru a crește ritmul respirator, efectorii din plămâni sunt declanșați să ventileze mai repede, astfel încât dioxidul de carbon este îndepărtat și oxigenul este adus mai repede. În același timp, creierul trimite mesaje către inimă pentru a bate mai repede, pompând sângele oxigenat către celule mai rapid. Profunzimea respirației poate fi, de asemenea, modificată, astfel încât un volum mai mare sau mai mic de aer să fie preluat în plămâni.
”Structura aparatului respirator este bine adaptată schimburilor gazoase, care pot crește de 20 de ori în timpul efortului fizic. în repaus doar bazele plămânilor sunt perfuzate. În timpul efortului fizic, odată cu creșterea presiunii arteriale, apexul pulmonar devine și el perfuzat, cu scopul de a crește capacitatea de difuziune a oxigenului. Sportivii de mare performanță au o capacitate aerobă superioară, care rezultă din creșterea debitului cardiac, augmentarea suprafeței de schimb alveolo-capilară și scăderea rezistențelor la difuziune.”, subliniază dr. Ioana Bădeanu și dr. Alin Popescu, medici cu specializarea medicină sportivă, pe revistagalenus.ro.
Cum se desfășoară respirația
Respirația normală este definită, în general, ca mișcarea aerului în și din plămâni. De fapt, așa cum am văzut mai sus, acest mod de a percepe respirația se referă, mai degrabă, la respirația exterioară, respectiv la ventilația pulmonară. Respirația normală este o funcție autonomă, efectuată fără efort conștient, deși oamenii pot prelua controlul conștient pentru acțiuni precum ținerea respirației, vorbirea, cântatul, înotul și exercițiile fizice.
Fizica respirației normale se bazează pe diferența de presiune dintre aerului din plămâni și cel din atmosfera ambiantă. Pe măsură ce diafragma (principalul mușchi respirator) se contractă, cutia toracică se extinde, plămânii o urmează și aerul pătrunde în plămâni, pentru a echilibra presiunea între cele două medii.
Când mușchii intercostali se contractă, se deplasează în sus și se îndepărtează de cavitatea toracică. Când diafragma se contractă, se deplasează în jos spre abdomen. Această mișcare a mușchilor face ca plămânii să se extindă și să se umple cu aer, ca un burduf (inhalare). În schimb, atunci când mușchii se relaxează, cavitatea toracică se micșorează, volumul plămânilor scade și aerul este expulzat (exhalare).
Când mușchii toracici se contractă, volumul plămânilor se extinde, astfel încât există brusc mai puțină presiune în interiorul lor. Aerul care se află deja în plămâni are mai mult spațiu, așa că nu împinge pereții plămânilor cu aceeași presiune. Pentru a egaliza presiunea, aerul intră până când presiunea este aceeași în interior și în exterior. Dimpotrivă, atunci când mușchii se relaxează, volumul plămânilor scade, aerul din plămâni are mai puțin spațiu și apasă cu o presiune mai mare asupra pereților, ceea ce determină expulzarea aerului, până când presiunea este egalată.
În timpul inhalării, aerul cu oxigen pătrunde în căile respiratorii, trecând de la căile respiratorii superioare (cavitate nazală, faringe, laringe) către trahee și bronhii, care se ramifică progresiv până la nivelul bronhiolelor ce transportă aerul în alveolele pulmonare (mici saci membranoși de aer).
La acest nivel are loc schimbul de oxigen și de dioxid de carbon, produs rezidual ce rezultă în urma arderilor celulare.
La intrarea în plămâni, oxigenul trece în alveole care sunt foarte vascularizate și permit deplasarea rapidă a gazului prin difuzie simplă, mai întâi prin epiteliul alveolar și apoi prin celulele endoteliale ale capilarelor alveolare.
Fiecare dintre alveolele pulmonare este înconjurată de capilare sanguine, care sunt legate de arterele pulmonare ce ies din inimă. Alveolele sunt menținute deschise de secreții lichide (surfactant pulmonar), astfel încât să nu se lipească atunci când aerul este expulzat din plămâni.
În timpul inhalării, fiecare alveolă primește aer care conține diverse gaze: azot (aproape 80%), oxigen (în jur de 21%) și alte gaze inclusiv 0,04% dioxid de carbon. Apoi are loc schimbul gazos extern, folosind principiul difuziei:
- Oxigenul difuzează din alveole în capilarele pulmonare deoarece există o concentrație mare de oxigen în plămâni și o concentrație scăzută în sânge;
- Dioxidul de carbon difuzează din capilarele pulmonare în alveole deoarece există o concentrație mare de dioxid de carbon în sânge și o concentrație scăzută în plămâni;
- Azotul difuzează în ambele sensuri.
Cu alte cuvinte: inspirăm, concentrații mari de oxigen care apoi difuzează din plămâni în sânge, în timp ce concentrații mari de dioxid de carbon difuzează din sânge în plămâni și expirăm. Odată ajuns în sânge, oxigenul este legat de hemoglobina din globulele roșii, dus prin vena pulmonară până la inimă, pompat în sistemul vascular sistemic și, în final, dus la toate celulele corpului,unde este utilizat pentru arderile celulare, iar dioxidul de carbon rezultat este eliminat prin expirația și ciclul începe din nou.
Este important de subliniat că aerul pe care îl inspirăm conține doar 21% oxigen, iar aerul expirat conține 16% oxigen și 5% CO2. Pentru că este nevoie de mult oxigen pentru metabolismul celular, oamenii trebuie să respire continuu, iar plămânii au nevoie de o suprafață foarte mare pentru ca oxigenarea și eliminarea dioxidului de carbon să se realizeze eficient.
”Pentru ca schimbul de gaze respiratorii să fie eficient și să îndeplinească nevoile organismului, este necesară o suprafață mare de schimb. Un număr mare de alveole crește de foarte multe ori această suprafață. În ambii plămâni se găsesc între 300 și 500 de milioane de alveole, iar suprafața lor poate ajunge până la 140 de metri pătrați. Grupurile de alveole seamană cu chiorchinele de struguri și reprezintă motivul pentru care suprafața este atât de mare.”, precizează dr. Bianca Cucoș pe raportuldegarda.ro
Frecvența respiratorie sau numărul de respirații efectuate pe minut în condiții normale este de aproximativ 12-18 respirații pe minut, în vreme ce volumul curent de aer, respectiv cantitatea de aer inhalată și expirată pe respirație este de aproximativ 500 ml la adulți.
În funcție de nevoile energetice, oamenii trebuie să respire mai repede, frecvența respiratorie putând să ajungă la aproximativ 50-60 de respirații pe minut, în cazul unor eforturi intense, iar volumul curent poate să crească de 6-7 ori. Ventilația se poate amplifica de la 6-7 litri/minut la peste 150 de litri/minut.
De ce animalele și oamenii trebuie să respire
Așa cum am arătat deja, nutrienții din alimente ajung în celule după ce suferă o serie de descompuneri la nivelul aparatului digestiv. Aminoacizii rezultați din descompunerea proteinelor, acizii grași rezultați din descompunerea lipidelor și monozaharidele (glucoză, fructoză) rezultate din descompunerea carbohidraților sunt rezultatele finale ale procesului de digestie.
”Metabolismul glucidic ocupă un loc primordial în organism deoarece glucidele reprezintă principala sursă de energie. Glucidele sunt: glucoza, fructoza, galactoza, zaharoză, maltoza, lactoza, celuloza şi amidonul, iar metabolismul glucidic cuprinde: digestia, absorbţia, transportul, depozitarea, metabolizarea şi excreţia glucidelor.”, precizează nutriționist-dietetician Trâmbițaș Andreea pe site-ul medlife.ro.
Toate monozaharidele se transformă în glucoză la nivelul ficatului, astfel că glucoza este singura formă circulantă a glucidelor în organism, de aceea metabolismul glucidic se referă, în primul rând, la metabolismul glucozei.
Procesul de degradare a glucozei poartă numele de glicoliză și cuprinde o serie de reacții de oxidare, prin care glucoza se transformă într-un compus mai simplu, numit piruvat și se eliberează energie, înmagazinată sub formă de ATP. La rândul său, piruvatul trece în mitocondrii unde este oxidat la CO2 și H2O, iar dioxidul de carbon este eliberat din organism prin respirație. Metabolismul glucidic necesită o cantitate mare de oxigen, care este furnizat prin procesul de respirație.
Deși ingerarea și digestia alimentelor se realizează doar de câteva ori pe zi, respirația are loc permanent.
”Unul dintre motive este că aerul pe care îl inspirăm conține doar 21% oxigen, restul este în mare parte azot. Acest lucru înseamnă că trebuie să inspirăm de cel puțin cinci ori, doar pentru a obține echivalentul unui plin complet de oxigen.De asemenea, atunci când respirăm, doar o parte din oxigen ajunge în sânge. Chiar dacă există proteine specializate pentru a prelua și transporta oxigenul, acestea au o capacitate limitată de a reține mai mult oxigen simultan. Pentru a menține nivelul de oxigen al corpului suficient de ridicat ca să poată alimenta toate celulele, respirația trebuie ă se desfășoare continuu.”, explică biologii.
Spre deosebire de nutrienții din hrană, necesarul de O2 este practic continuu la animalele superioare și la om. Absența oxigenului, chiar și pentru câteva minute, are efecte ireversibile asupra creierului și, în final, duce la moarte. Acest lucru reflectă atât nevoia metabolică constantă de oxigen cât și faptul că nu sunt stocate rezerve semnificative de oxigen în organism. Există o oarecare stocare limitată la nivelul mușchilor scheletici, pentru uz local, într-o formă legată de mioglobină, o proteină care conține fier, dar aceasta nu este o caracteristică generală a tuturor animalelor, apare mai ales la animalele marine, cum ar fi balenele, care suferă de apnee în timpul scufundărilor. Oamenii își pot ține respirația, în medie, timp de 30- 90 secunde, dar nu au rezerve de oxigen în corp pentru a putea rezista mai multă vreme.
Interesant este faptul că nevoia de a respira nu este declanșată, de fapt, de insuficiența oxigenului, ci de acumularea în țesuturi a dioxidului de carbon, rezultat al arderilor celulare. Cu alte cuvinte, controlul procesului respirator se face prin intermediul nivelului de dioxid de carbon din sânge.
Când mușchii noștri desfășoară diferite activități, oxigenul este consumat și dioxidul de carbon – produsul rezidual – se acumulează în celule. Creșterea activității musculare înseamnă utilizarea crescută a oxigenului, creșterea producției de ATP care formează glucoză și, prin urmare, niveluri crescute de dioxid de carbon.
Dioxidul de carbon difuzează din celule în sânge. Sângele dezoxigenat este transportat de vene către inimă. Acesta intră în partea dreaptă a inimii și este pompat în sistemul pulmonar. Dioxidul de carbon difuzează în plămâni și este expulzat pe măsură ce expirăm.
În timp ce sângele deoxigenat călătorește prin vene, detectoarele din creier și vasele de sânge ( numite chemoreceptori) măsoară pH-ul sângelui, care scade atunci când se acumulează CO2.
Chemoreceptorii periferici sunt sensibili atât la nivelurile de oxigen din sânge, cât și la modificări ale nivelurilor de dioxid de carbon și ale pH-ului. Chemoreceptorii centrali, localizați în creier, constituie centrele de control ale respirației. Aceștia sunt deosebit de sensibili la modificările pH-ului din sânge. Pe măsură ce nivelul de dioxid de carbon crește, pH-ul sângelui scade; acesta este un semnal preluat de chemoreceptorii centrali și declanșează mecanisme de feedback, prin care sunt trimise semnale ce determină organismul să respire.
Așa cum se poate observa, faptul că oamenii trebuie să respire este determinat de procese complexe, ce implică metabolismul glucozei și modificările pH-ului sanguin, determinate de acumularea dioxidului de carbon în sânge. Practic, respirația implică acești trei actori principali, glucoza, oxigenul și dioxidul de carbon, dar și multe alte molecule și reacții chimice din organism.
Surse:
- https://www.revistagalenus.ro/practica-medicala/sistemul-respirator-si-efortul-fizic/
- https://raportuldegarda.ro/lectia-de-medicina-cum-arata-cum-functioneaza-si-cum-se-aud-plamanii-tai/
- http://suportcursonline.umfcv.ro/CursuriOnline/Medicina/AN%201/BIOCHIMIE%20II/Curs%202,3%20sem%20II.pdf
- https://www.medlife.ro/articole-medicale/cum-functioneaza-si-ce-ne-influenteaza-metabolismul.html
- https://theconversation.com/why-do-people-and-animals-need-to-breathe-a-biologist-explains-why-you-need-a-constant-source-of-oxygen-219169
- https://www.wonderopolis.org/wonder/why-do-we-need-to-breathe
- https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8672270/
- https://www.nursingtimes.net/clinical-archive/respiratory-clinical-archive/every-breath-you-take-the-process-of-breathing-explained-08-01-2018/
- https://bio.libretexts.org/Bookshelves/Introductory_and_General_Biology/Book%3A_General_Biology_(Boundless)/06%3A_Metabolism/6.01%3A_Energy_and_Metabolism_-_The_Role_of_Energy_and_Metabolism
- https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6379287/