Wikibooks:Deposito/Moduli/Introduzione alla fisiologia

Fisiologia generale

La fisiologia è una delle scienze della vita che si occupa di come funzionano gli esseri viventi. Secondo una definizione più moderna, la fisiologia è lo studio dell'omeostasi e dei meccanismi di controllo (cibernetica) che operano per realizzare e conservare l'omeostasi.

Il termine omeostasi è stato coniato dal fisiologo americano W. B. Cannon (1871-1945) che lo riferì alla costanza delle condizioni interne di un organismo vivente, mantenute contro le numerose forze che tendono a modificarle. Oggi, sapendo che per mantenere tale stabilità è necessaria un'attività continua da parte dell'organismo, qualcuno suggerisce i termini omeocinesi (kinesis = lavoro) e omeodinamica (dynamis = forza). L'omeostasi, e le modalità della sua conservazione, sono in generale un adatto argomento unificante per la biologia, poiché la condizione di salute riflette il corretto operare secondo questi principi mentre una condizione patologica indica un' alterazione dei meccanismi di controllo.

Alcuni fisiologi sostengono che tutte le spiegazioni dei fenomeni fisiologici possono essere fatte, in ultima analisi, in termini di principi chimici, fisici e matematici: hanno cioè un punto di vista meccanicistico della vita. Contrariamente a questo, il punto di vista vitalistico sostiene che alla creazione e al funzionamento degli organismi viventi presiedono delle forze vitali misteriose e spesso soprannaturali. In molti casi (nei vari aspetti delle funzioni cerebrali, nei fattori che costituiscono l'intelligenza o il comportamento morale, ad esempio) non è possibile interpretare i fenomeni in modo meccanicistico e si può continuare ad avere una visione vitalistica finché non sia sostituita da dati sperimentati (meccanicisti).

Oltre a far uso della chimica, fisica e matematica, la fisiologia si serve dell'anatomia come base strutturale per la comprensione delle funzioni; della biochimica per conoscere le reazioni chimiche che hanno luogo dentro e fuori le cellule; della biofisica per spiegare i fenomeni elettrici e meccanici del corpo; della genetica ed embriologia per spiegare l'ereditarietà, la crescita, la differenziazione e lo sviluppo. In questo modo la fisiologia unifica, in un insieme integrato, le informazioni fornite da molte altre discipline.

L'organizzazione del corpo umano

Le cellule

Gli organismi viventi sono costituiti da una o più unità che svolgono le attività minime necessarie per la sopravvivenza degli organismi stessi come individui e come specie. Queste unità fondamentali di struttura e funzione sono chiamate cellule. Tra le attività minime che una cellula deve svolgere per sopravvivere, vanno considerate le seguenti:

Assunzione (ingestione): essa consiste nell'introduzione di sostanze da utilizzare come fonte di energia o come materiale grezzo per la sintesi di nuove sostanze. Esempi di sostanze assunte come materiale grezzo sono il glucosio e gli aminoacidi.
Estrusione (egestione): questa attività si riferisce alla eliminazione dalle cellule dei rifiuti metabolici e alla 1iberazione di sostanze sintetizzate da utilizzare in altre parti del corpo. Esempi di sostanze estruse sono l'anidride carbonica, gli enzimi, gli ormoni.
Metabolismo: il termine descrive il complesso delle reazioni chimiche che hanno luogo nella cellula. Le reazioni anaboliche (che immagazzinano energia) sono generalmente associate alla sintesi di nuove sostanze da parte della cellula, mentre le reazioni cataboliche (che liberano energia) sono associate alla loro demolizione.
Riproduzione di nuove unità: il rinnovamento delle cellule ed i fenomeni di rimarginazione (negli organismi pluricellulari) hanno luogo mediante il processo della mitosi. La continuazione di molti organismi come specie è assicurata dalla produzione di cellule sessuali nel processo della meiosi e dalla loro fusione per formare nuovi individui.
Crescita: la crescita consiste in un aumento delle dimensioni cellulari mediante la formazione di nuove sostanze o in un incremento delle dimensioni dell'organismo, dovuto ad un aumento delle dimensioni o del numero delle cellule.
Movimento: le sostanze possono muoversi all'interno delle singole cellule o l'intero organismo può muoversi nel suo ambiente.
Eccitabilità: questa proprietà si riferisce alla capacità delle cellule di reagire ai cambiamenti ambientali e costituisce una caratteristica fondamentale di tutta la sostanza vivente.

Poiché gli organismi pluricellulari sono formati da singole cellule, l'attività dell'organismo nel suo insieme è il risultato dell'attività delle sue cellule; di conseguenza, le caratteristiche elencate sono anche proprie dell'organismo. In un organismo quale un essere umano alcune cellule particolari acquistano altre proprietà e, come conseguenza della specializzazione e della divisione del lavoro, tra le cellule si stabilisce una forma di interdipendenza. Ad esempio, il muscolo si specializza nella contrazione o accorciamento e dall'attività muscolare dipende il movimento delle sostanze nel corpo (il cibo nell'intestino, il sangue nei vasi); gli eritrociti (o globuli rossi) si specializzano nel trasporto di ossigeno a tutte le cellule del corpo. Questo spiega perché nei casi in cui vengono meno certe funzioni sia l'intero organismo a soffrirne.

I tessuti

Il secondo livello di organizzazione del corpo, dopo quello cellulare, è quello dei tessuti. Un tessuto consiste di un gruppo di cellule simili per struttura e funzione e di tutto il materiale che si trova negli spazi intracellulari.

I tessuti epiteliali rivestono efficacemente l'interno e l'esterno del corpo e delle sue diverse parti, in quanto le cellule epiteliali sono strettamente addensate e non lasciano praticamente spazio intercellulare disponibile per le diverse sostanze. I tessuti epiteliali non contengono dei propri vasi sanguigni, ma sono nutriti dai vasi del tessuto connettivo sottostante. Le cellule di un epitelio possono essere provviste di speciali modificazioni che aumentano la loro capacità di protezione e di assorbimento (la cheratina nelle cellule della pelle, i prolungamenti citoplasmatici, detti microvilli, nell'apparato digerente).
I tessuti connettivi sono esattamente l'opposto dei tessuti epiteliali, essendo formati da cellule disperse in grandi quantità di sostanza intercellulare. Questa può contenere delle fibre che impartiscono resistenza al tessuto (tendini) o elasticità (le pareti delle grosse arterie); nell'osso, la sostanza intercellulare è calcificata e questo conferisce al tessuto notevoli capacità di sostegno e protezione. È stato giustamente detto che un organismo umano, senza tessuto connettivo, sarebbe una massa informe di parecchie migliaia di miliardi di cellule.
Il tessuto muscolare ha la capacità di contrarsi; in questo modo può provocare variazioni di tensione o di pressione, e assicurare per esempio lo spostamento delle sostanze più diverse all'interno dell'organismo e il movimento del corpo nello spazio.
Il tessuto nervoso dà origine agli impulsi nervosi e provvede a trasmetterli a tutto il corpo; questi impulsi provocano risposte da parte degli effettori (muscoli e ghiandole) che sono interessati al mantenimento e al controllo delle funzioni dell'organismo.

Gli organi

Gli organi sono costituiti da due o più tipi di tessuti disposti in modo tale da svolgere una funzione particolare. Così il rene, costituito da epitelio, tessuto connettivo e fornito di vasi sanguigni di calibro finemente regolabile, controlla la composizione dei fluidi del corpo; il fegato con il suo epitelio epatico e la sua trama di tessuto connettivo, fabbrica nuove sostanze, ne immagazzina altre e rende innocue, all'interno dell'organismo, quelle eventualmente nocive.

I sistemi

I sistemi sono costituiti da diversi organi strutturalmente ordinati in modo da esercitare funzioni più ampie nell'organismo. Il cuore e i vasi sanguigni formano un sistema per la circolazione del sangue; la bocca, l'esofago, lo stomaco, l'intestino, il fegato e altri organi formano il sistema digestivo che ha lo scopo di ridurre le complesse molecole presenti negli alimenti a dimensioni utilizzabili dalle cellule e di assorbire questi prodotti finali. I sistemi del corpo sono un argomento di primaria importanza nello studio della fisiologia e l'integrazione delle loro attività costituisce una delle basi per la comprensione dell'omeostasi. Una classificazione funzionale dei sistemi del corpo può servire a specificare ulteriormente le loro relazioni di reciprocità.

Sistemi di controllo: servono a controllare e a coordinare le attività dell'organismo e il suo sviluppo iniziale.
- Il sistema nervoso è in grado di seguire e riconoscere i cambiamenti che avvengono all'interno e all'esterno del corpo, di interpretare e coordinare le informazioni ricevute e di dare inizio alle risposte che servono a mantenere o ripristinare l'omeostasi.
- Il sistema endocrino è, in larga misura, controllato dal sistema nervoso e produce delle sostanze chimiche dette ormoni. Gli ormoni sono immessi nella corrente sanguigna e tramite questa raggiungono tutte le cellule, comprese quelle del sistema nervoso, per influenzare processi come la crescita, il metabolismo, la riproduzione e la differenziazione.
Sistemi della vita vegetativa: tra questi sono compresi quei sistemi responsabili dell'assunzione, trasformazione, assorbimento e distribuzione delle sostanze nutritive essenziali per le funzioni dell'organismo. Questi sistemi inoltre provvedono all'eliminazione o escrezione dei rifiuti del metabolismo in modo da poter mantenere costante la composizione dell'ambiente interno.
- Il sistema digerente rappresenta il normale ingresso per il cibo e i liquidi ingeriti; esso riduce le molecole alimentari a prodotti finali facilmente assorbibili; l'assorbimento di questi prodotti e l'eliminazione attraverso le feci dei materiali non utilizzabili è sempre compito del sistema digerente.
- Il sistema respiratorio, insieme con i muscoli della respirazione, provvede all'assunzione dell'ossigeno e all'eliminazione dell'anidride carbonica. L'equilibrio acido-base del corpo si basa in gran parte sulla eliminazione dell'anidride carbonica da parte dei polmoni, a dimostrare ancora una volta la dipendenza reciproca dei sistemi.
- Il sistema urinario elimina le sostanze di rifiuto solubili del metabolismo e l'acqua; esso regola la composizione del sangue e di tutti i liquidi del corpo.
- Il sistema circolatorio trasporta sostanze a tutte le diverse parti dell'organismo; in questo modo esso collega reciprocamente tutti i sistemi del corpo.
Sistemi protettivi: comprendono il sistema tegumentario (pelle e strutture annesse) e il sistema reticolo-endoteliale. Anche il sistema linfatico e il sangue concorrono alla protezione dell'organismo.
- Il sistema tegumentario rappresenta un ostacolo meccanico all'entrata dei microrganismi e impedisce la perdita dei costituenti essenziali dall'interno dell'organismo. Le ghiandole sudoripare e i vasi sanguigni cutanei contribuiscono, inoltre, al controllo della temperatura corporea.
- Il sistema reticolo-endoteliale (o sistema dei fagociti mononucleati) è costituito dai macrofagi fissi e liberi del corpo (fagociti) e dalle plasmacellule che producono anticorpi contro le sostanze chimiche estranee. Queste cellule formano un unico sistema funzionale e si trovano in molti organi e sistemi diversi. Il sistema reticolo-endoteliale costituisce la base della difesa immunitaria dell'organismo.
- Il sistema linfatico produce molte cellule del sistema reticolo-endoteliale, alcune cellule del sangue e fa rifluire, filtrato, il liquido tissutale ai vasi sanguigni.
- Il sangue contiene molte cellule fagocitarie che formano un'ultima linea di difesa contro i microrganismi e le sostanze chimiche estranee.
Sistema muscolo-scheletrico: lo scheletro dà sostegno e protezione a molti organi, forma le leve su cui agiscono i muscoli per provocare i movimenti del corpo, serve a immagazzinare i minerali, e contiene il midollo osseo che produce molte delle cellule del sangue. Il sistema muscolare comprende i muscoli che si inseriscono sullo scheletro e lo fanno muovere.
Sistema riproduttivo: questo sistema assicura la continuazione della specie mediante la produzione delle cellule uovo e degli spermatozoi. Alcuni organi del sistema riproduttivo sintetizzano ormoni che sono essenziali per la crescita e la maturazione del corpo; alcuni organi del sistema riproduttivo femminile danno protezione e nutrimento alla progenie.

L'ambiente interno

Si pensa che la vita si sia originata nel mare e che il mare abbia fornito le sostanze nutritive per gli organismi che vivevano in esso e sia servito come mezzo per eliminare i rifiuti metabolici prodotti dagli stessi. Mano a mano che si svilupparono, gli organismi pluricellulari provvidero a racchiudere all'interno delle loro strutture corporee matrici fluide che continuarono la funzione svolta dal mezzo acquatico originario; i liquidi interni all'organismo permisero che avvenisse il passaggio delle forme viventi dall'acqua alla terra. I liquidi del corpo, in particolare quelli che si trovano all'esterno delle cellule, costituiscono l'ambiente esterno dell'organismo. Poiché questi liquidi sono a contatto diretto con le cellule, la loro composizione e le loro caratteristiche devono essere mantenute entro limiti ristretti, secondo il principio fondamentale dell'omeostasi.

Meccanismi di controllo

Perché si possa esercitare una forma di controllo sull'ambiente interno e sugli organi e sistemi del corpo, è necessario riconoscere i cambiamenti che avvengono e dare corso alle risposte appropriate. L'identificazione dei cambiamenti è compito delle strutture nervose che seguono l'andamento della pressione, della temperatura, del pH, dell'attività degli organi e di molti altri fattori sia interni che esterni all'organismo.

All'identificazione dei cambiamenti, che avviene generalmente all'interno del sistema nervoso centrale (cervello e midollo spinale), seguono i segnali (impulsi nervosi o secrezioni ormonali) che stimolano o inibiscono l'attività di un organo che esercita il controllo omeostatico di quel fattore particolare.

La stimolazione o inibizione di un'attività mediante l'intermediazione di un dispositivo di controllo costituisce un feedback. L'operazione che un termostato compie nel controllare una caldaia è un esempio di feedback negativo. Una diminuzione della temperatura fa sì che la caldaia continui a funzionare, riscaldi l'aria fino a che, raggiunto un determinato valore della temperatura, il funzionamento non sia arrestato (inibizione). In questo modo, poiché la temperatura dell'aria varia entro i limiti stabiliti dal termostato, si ottiene un controllo omeostatico della temperatura. Si ha un feedback positivo quando il dispositivo di controllo fa aumentare una certa attività (stimolazione), come avviene per esempio nel processo di depolarizzazione di una membrana cellulare. In questa situazione, la depolarizzazione determina una maggiore permeabilità della membrana agli ioni sodio che, a sua volta, provoca un'ulteriore depolarizzazione e, di conseguenza, una permeabilità maggiore e così via. Il feedback positivo non provoca fluttuazioni entro limiti definiti e non è in genere utilizzato dai meccanismi di controllo omeostatici.

I meccanismi di controllo sono essenzialmente di natura chimica e utilizzano messaggeri prodotti dal sistema nervoso, endocrino o da altri sistemi del corpo. Gli acidi nucleici, essi stessi sostanze chimiche, rappresentano il controllo definitivo, genetico, di tutte le funzioni dell'organismo.