4. Sistema Respiratorio Parte II

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16Sílvia Gonçalves - ESTM

4.2 Transferências gasosas na água

Diversidade na estrutura das brânquias

As Brânquias são órgãos respiratórios característicos dos animais aquáticos, formadas normalmente por evaginações da superfície do corpo e que se encontram suspensas na água.

� Podem apresentar diferentes graus de complexidade e diferentes localizações

� Normalmente restringem-se a uma região onde o epitélio éprofundamente dividido → superfície respiratória de grande área

Estrelas-do-mar e poliquetas : distribuídas em grande parte do corpo

Bivalves, lagostins e vários outros invertebrados aquáticos : restringidas a uma localização específica do corpo



Órgão respiratório requer:

� uma grande superfície

� uma cutícula fina

Problema: difícil providenciar rigidez que suporte as brânquias quando expostas ao ar!

Água como meio respiratório:

� Vantagem: as superfícies respiratórias estão sempre húmidas

� Desvantagem: a concentração de O2 na água é muito menor do que no ar (temperatura e sais influenciam a sua disponibilidade) → Brânquias têm que ser muito eficientes nas trocas gasosas!

Ventilação aumenta o fluxo do meio respiratório

Lagostins e Lagostas – apêndices em forma de pá que ventilam as brânquias

Peixes ósseos – brânquias ventiladas por uma corrente de água que entra pela boca e sai pelas cavidades operculares Consumo de energia no processo, pois:

- Densidade Água > Densidade Ar - Disponibilidade de O2 na água << no ar

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As Brânquias dos Peixes são normalmente ventiladas por um fluxo de água unidireccional .

Excepções : Lampreia e Esturjão

Lampreia

- Boca normalmente agarrada ao hospedeiro

- Brânquias no interior de bolsas, ventiladas apenas pelos movimentos da água através das aberturas das bolsas

- Relação com o seu modo de vida de parasita

- Larva da lampreia → fluxo de água unidireccional através das brânquias Não é parasita!

Esturjão

Torna-se uma excepção apenas quando procura comida e se está a alimentar:

- Ao colocar a boca no sedimento, pode gerar uma ventilação similar à das Lampreias adultas



Anatomia funcional das brânquias

A localização externa das brânquias pode ser problemática:

1) Atrai os predadores; 2) Dificultam a locomoção; 3) tornam-se vulneráveis a danos físicos provocados pelo ambiente biótico e abiótico.

Peixes

A evolução favoreceu as formas que apresentavam as brânquias alojadas emcavidades – cavidades brânquiais – podendo estas estruturas ficar protegidas por opérculos nos peixes ósseos.

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De forma a contrariar a baixa disponibilidade de O2 em meio aquático, a água que passa nas lamelas brânquiais cruza-se com o sangue dos capilares sanguíneos em sentido contrário – Mecanismo de Contracorrente

� Processo muito eficiente → retira da água 80-90% do seu conteúdo em O2

� O sangue dos capilares brânquiais encontra-se com água cada vez mais oxigenada → a água está a iniciar a sua passagem pelas lamelas

Ao longo de todo o comprimento destes capilares há u m gradiente de difusão que favorece a transferência de O 2 da água para o sangue!



Teleósteos Marinhos

O fluxo unidireccional de água através das brânquias é mantido pela acção conjunta de músculos esqueléticos das cavidades bucal e branquial, auxiliados por válvulas, produzindo um sistema que bombeia a água através das brânquias.

� Alguns peixes não conseguem respirar desta forma

Exemplo:

Os grandes Atuns nadam com a boca parcialmente aberta para garantir um fluxo contínuo de água nas brânquias. Não apresentam movimentos respiratórios.

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4.3 Transferências gasosas no ar

Os animais que respiram ar podem apresentar 3 tipos principais de órgãos respiratórios:

- Brânquias

Apesar de pouco apropriadas para respirar fora de água, alguns animais mantiveram estas estruturas. Exemplos: caranguejos e isópodes terrestres

Caranguejo dos Coqueiros

Bichos-da-conta – os melhor sucedidos têm as brânquias em cavidades similares a pulmões

- Traqueias

Características dos insectos. Sistema de tubos que fornece O2 directamente às células → não necessitam que o sistema circulatório faça o transporte dos gases

- Pulmões

Característicos dos vertebrados, surgindo contudo também em alguns invertebrados. Necessária uma renovação substancial e regular do ar dentro destes órgãos. Podem ser de difusão (invertebrados) ou de ventilação (vertebrados)



O Sistema Traqueal dos Insectos

Constituído por uma rede de Traqueias – tubos largos onde circula o ar – que se ramificam em canais cada vez mais finos, as Traquíolas , que estão em contacto directo com praticamente todas as células do corpo.

� Sacos de ar – Porções alargadas das traqueias junto aos órgãos com maiores necessidades em O2

� Espiráculos – aberturas das traqueias na superfície do corpo do animal, por onde o ar entra no sistema traqueal. Podem estar permanentemente abertos ou possuir válvulas accionadas por músculos.

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Anatomia funcional dos PulmõesOs Pulmões assemelham-se a sacos de ar. Constituem superfícies respiratórias internas, muito irrigadas, e surgiram há cerca de 450 M.A. por invaginação da parede do corpo.

Vertebrados

Rede complexa de tubos e sacos, cuja estrutura varia consideravelmente com a

espécie. A sua dimensão e complexidade está correlacionada com as taxas metabólicas dos animais (ex: endotérmicos vs ectotérmicos)

� Anfíbios

Pulmões pequenos → grande parte das trocas por difusão no tegumento, sendo uma excepção entre os vertebrados



Filogeneticamente, desde os anfíbios até aos mamíferos, verifica-se:

a) Aumento da compartimentação dos pulmões → aumenta a área de superfície respiratória/unidade de volume;

b) Maior especialização do sistema de ventilação;

c) Aumento da eficiência na circulação sanguínea.

� A área de superfície respiratória dos Mamíferos aumenta com o peso do corpo e com a taxa de consumo de O2

� Os peixes teleósteos possuem < superfície respiratória do que mamíferos com um peso corporal equivalente

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O Sistema Respiratório dos Mamíferos

Considerando a totalidade das vias respiratórias de um mamífero, estas assemelham-se a uma árvore invertida, cujo tronco é a traqueia.

- Na extremidade dos bronquíolos existem grupos de pequenos sacos de ar, os alvéolos , onde se processam as trocas gasosas com os capilares sanguíneos

Humanos – área total de ~100m2

Esquerda - Rede de capilares que envolve os alvéolos

Direita – Alvéolos em corte mostrando os espaços para o ar



Ventilação dos Pulmões

A ventilação dos pulmões dos Vertebrados é efectuada por movimentos respiratórios alternados de inspiração e expiração (respiração).

Anfíbios – ventilam através de uma pressão positiva na respiração

Mamíferos – ventilam através de uma pressão negativa na respiração, que funciona como uma bomba de sucção que puxa o ar para os pulmões.

Estruturas envolvidas:

- Músculos das costelas

- Diafragma

- Saco membranar que envolve os pulmões

Promovem alterações no volume dos pulmões e na Par dentro dos alvéolos

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Volume Corrente – volume de ar inalado e exalado na respiração normal de um animal (500 ml num humano em repouso).

Capacidade Vital – volume máximo de ar que um animal ventila durante respiração forçada (3400 ml a 4800 ml em Humanos jovens)

Ar Residual – volume de ar que permanece nos alvéolos mesmo após exalação forçada (~150 ml em Humanos)

Trocas gasosas nos Pulmões

Os gases respiratórios difundem-se sempre de acordo com os seus gradientes de Pparcial:

- Entre o sangue dos capilares alveolares e o ar inalado

- Entre o sangue arterial e o fluido intersticial que banha as células restantes do organismo



Controlo automático da respiração

O controlo automático da respiração assegura um trabalho coordenado do sistema respiratório e do sistema cardiovascular, de acordo com as necessidades metabólicas dos tecidos relativamente aos gases respiratórios. Envolve 2 regiões do cérebro: Medula Oblonga e Protuberância

� Medula oblonga, auxiliada pela protuberância – fixa o ritmo base da respiração

� Medula oblonga – ajuda a manter a homeostasiaao monitorizar o nível de CO2 no sangue →monitoriza e detecta alterações no pH do sangue e do fluido cérebro-espinal

Quando pH ↓ (↑CO2): ↑ profundidade e ritmo respiração

� A PO2 no sangue tem em geral pouco efeito nestes centros. Porém:

quando baixa severamente é detectada pelos sensores da aorta e das artérias carótidas no pescoço → o sinal é enviado para os centros que respondem aumentando a taxa de respiração

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Sistema respiratório das AvesApresentam um sistema respiratório e um processo de ventilação dos pulmões muito mais complexos que os mamíferos.

� Sacos aéreos – localizados no abdómen, pescoço e asas, encontram-se cheios de ar e podem variar em nº (8 a 9). Dividem-se em anteriores e posteriores . Desempenham um papel importante na ventilação dos pulmões (slide seguinte).

� Parabrônquios – finos canais abertos nas 2 extremidades que substituem nas aves os alvéolos. Responsáveis pelas trocas gasosas nos pulmões.

Outras vantagens associadas aos sacos aéreos:

� diminuem a densidade da ave

� ajudam a dissipar o calor metabólico, sobretudo ao nível dos músculos e durante o voo

� constituem reservas de ar enquanto o animal voa



Sistema respiratório das Aves – Ventilação dos pulmõe s

O ar apresenta um fluxo unidireccional através dos pulmões , graças à existência de um sistema de sacos aéreos agrupados anterior e posteriormente no corpo. A respiração envolve 2 ciclos de inspiração e expiração.

1º ciclo respiratório

1ª inspiração: sacos posteriores enchem-se com ar fresco

1ª expiração: o ar fresco é canalizado para os pulmões onde ocorrem as trocas respiratórias

� 2º ciclo respiratório2ª inspiração: sacos anteriores enchem-se com o ar jáempobrecido proveniente dos pulmões

2ª expiração: o ar empobrecido é conduzido até àatmosfera por contracção dos sacos aéreos

Inspirações – todos os sacos aéreos se expandem; expirações – todos se contraem; pulmões – comportamento inverso.

A cada respiração, o ar é completamente trocado nos pulmões → as taxas de O 2 obtidas nos pulmões

das aves são maiores que nos mamíferos!

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4.4 Respostas respiratórias a condições extremas

Níveis reduzidos de O 2 (Hipoxia)

Em meio aquático , a disponibilidade de O2 é muito mais variável no tempo e espaço do que em meio terrestre. Como conseguem os animais que respiram água suportar longos períodos de hipoxia?

� Utilizam uma grande variedade de mecanismos de metabolismo anaeróbio

� Ajustam os sistemas respiratório e circulatório de forma a manter a quantidade de O2 distribuída. Ex: muitos peixes aumentam a ventilação das brânquias →aumenta o fluxo de água, compensando a redução de O2 observada no meio

Mamíferos

Redução da PO2 do ar → reduz PO2 no sangue → Detectado pelos sensores da Aorta e das Carótidas → Centros resp. controlo promovem o aumento na ventilação pulmonar

Aumenta eliminação de CO2 nos pulmões → Diminui PCO2 no sangue → Aumenta pH fluido cérebro-espinal → Centros resp. controlo promovem uma diminuição na ventilação pulmonar! Atenua o aumento na ventilação provocado pela hipox ia


4.4 Respostas respiratórias a condições extremas

Mergulho em animais que respiram ar

O SNC dos mamíferos não consegue suportar a anóxia, necessitando de ser fornecido com O2 durante o mergulho. Como resolvem o problema?

� Armazenamento de O2 nos pulmões, sangue e tecidos, nomeadamente recorrendo à Hb e àMioglobina (nos músculos)

� O O2 é preferencialmente distribuído pelo cérebro e coração durante o mergulho → minimiza o consumo das reservas de O2

� Diminuição da taxa de batimento cardíaco e do débito cardíaco durante um mergulho prolongado

� Animais submersos durante muito tempo necessitam de um armazenamento de O2 suficiente para sustentar o metabolismo aeróbio → toleram apenas pequenas acumulações de ácido láctico

Os tecidos restantes podem mesmo adoptar o metabolismo anaeróbio!

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