Biologia per i maggiori II

Compara e contrasta i diversi tipi di sistemi digestivi

Gli animali ottengono il loro nutrimento dal consumo di altri organismi. A seconda della loro dieta, gli animali possono essere classificati nelle seguenti categorie: mangiatori di piante (erbivori), mangiatori di carne (carnivori) e quelli che mangiano sia piante che animali (onnivori). I nutrienti e le macromolecole presenti nel cibo non sono immediatamente accessibili alle cellule. Ci sono una serie di processi che modificano il cibo all’interno del corpo animale per rendere i nutrienti e le molecole organiche accessibili alla funzione cellulare. Man mano che gli animali si sono evoluti in complessità di forma e funzione, anche i loro sistemi digestivi si sono evoluti per soddisfare le loro diverse esigenze alimentari.

Erbivori, Carnivori e onnivori

Gli erbivori sono animali la cui fonte primaria di cibo è di origine vegetale. Esempi di erbivori, come mostrato nella figura 1, includono vertebrati come cervi, koala e alcune specie di uccelli, così come invertebrati come grilli e bruchi. Questi animali hanno evoluto sistemi digestivi in grado di gestire grandi quantità di materiale vegetale. Gli erbivori possono essere ulteriormente classificati in frugivori (mangiatori di frutta), granivori (mangiatori di semi), nectivores (mangiatori di nettare) e folivori (mangiatori di foglie).

I carnivori sono animali che mangiano altri animali. La parola carnivoro deriva dal latino e significa letteralmente “mangiatore di carne”. I gatti selvatici come i leoni, mostrati nella Figura 2a e le tigri sono esempi di carnivori vertebrati, così come i serpenti e gli squali, mentre i carnivori invertebrati includono stelle marine, ragni e coccinelle, mostrati nella Figura 2b. I carnivori obbligati sono quelli che si basano interamente sulla carne animale per ottenere le loro sostanze nutritive; esempi di carnivori obbligati sono i membri della famiglia dei gatti, come i leoni e i ghepardi. I carnivori facoltativi sono quelli che mangiano anche cibo non animale oltre a quello animale. Si noti che non c’è una linea chiara che differenzia i carnivori facoltativi dagli onnivori; i cani sarebbero considerati carnivori facoltativi.

Gli onnivori sono animali che mangiano sia cibo di origine vegetale che animale. In latino, onnivoro significa mangiare tutto. Gli esseri umani, gli orsi (mostrati nella Figura 3a) e i polli sono esempi di onnivori vertebrati; gli onnivori invertebrati includono scarafaggi e gamberi (mostrati nella Figura 3b).

I sistemi digestivi degli invertebrati

Gli animali hanno sviluppato diversi tipi di sistemi digestivi per aiutare la digestione dei diversi cibi che consumano. L’esempio più semplice è quello di una cavità gastrovascolare e si trova in organismi con una sola apertura per la digestione. Platyhelminthes (vermi piatti), Ctenophora (gelatine a pettine), e Cnidaria (coralli, meduse e anemoni di mare) usano questo tipo di digestione. Le cavità gastrovascolari, come mostrato nella figura 4a, sono tipicamente un tubo cieco o una cavità con una sola apertura, la “bocca”, che serve anche come “ano”. Il materiale ingerito entra nella bocca e passa attraverso una cavità tubolare. Le cellule all’interno della cavità secernono enzimi digestivi che scompongono il cibo. Le particelle di cibo sono inghiottite dalle cellule che rivestono la cavità gastrovascolare.

Il canale alimentare, mostrato nella figura 4b, è un sistema più avanzato: consiste in un tubo con una bocca ad un’estremità e un ano all’altra. I lombrichi sono un esempio di animale con un canale alimentare. Una volta che il cibo viene ingerito attraverso la bocca, passa attraverso l’esofago e viene immagazzinato in un organo chiamato gozzo; poi passa nel ventriglio dove viene frullato e digerito. Dal ventriglio, il cibo passa attraverso l’intestino, i nutrienti vengono assorbiti, e i rifiuti vengono eliminati come feci, chiamate getti, attraverso l’ano.

Sistemi digestivi dei serbati

I serbati hanno sviluppato sistemi digestivi più complessi per adattarsi alle loro esigenze alimentari. Alcuni animali hanno un solo stomaco, mentre altri hanno stomaci a più camere. Gli uccelli hanno sviluppato un sistema digestivo adattato a mangiare cibo non masticato.

Monogastrico: Stomaco monocamerale

Come suggerisce la parola monogastrico, questo tipo di sistema digestivo consiste di una (“mono”) camera dello stomaco (“gastrico”). Gli esseri umani e molti animali hanno un sistema digestivo monogastrico, come illustrato nella figura 5a e 5b. Il processo di digestione inizia con la bocca e l’assunzione del cibo. I denti giocano un ruolo importante nel masticare o scomporre fisicamente il cibo in particelle più piccole. Gli enzimi presenti nella saliva iniziano anche a scomporre chimicamente il cibo. L’esofago è un lungo tubo che collega la bocca allo stomaco. Usando la peristalsi, o contrazioni muscolari lisce simili a onde, i muscoli dell’esofago spingono il cibo verso lo stomaco. Per accelerare l’azione degli enzimi nello stomaco, lo stomaco è un ambiente estremamente acido, con un pH tra 1,5 e 2,5. I succhi gastrici, che includono gli enzimi nello stomaco, agiscono sulle particelle di cibo e continuano il processo di digestione. Un’ulteriore scomposizione del cibo avviene nell’intestino tenue dove gli enzimi prodotti dal fegato, dall’intestino tenue e dal pancreas continuano il processo di digestione. I nutrienti vengono assorbiti nel flusso sanguigno attraverso le cellule epiteliali che rivestono le pareti dell’intestino tenue. Il materiale di scarto viaggia verso l’intestino crasso dove l’acqua viene assorbita e il materiale di scarto più secco viene compattato nelle feci; esso viene immagazzinato fino a quando viene espulso attraverso il retto.

Aviano

Gli uccelli affrontano sfide speciali quando si tratta di ottenere nutrimento dal cibo. Non hanno denti e quindi il loro sistema digestivo, mostrato nella figura 6, deve essere in grado di elaborare il cibo non masticato. Gli uccelli si sono evoluti in una varietà di tipi di becchi che riflettono la grande varietà della loro dieta, che va da semi e insetti a frutta e noci. Poiché la maggior parte degli uccelli vola, i loro tassi metabolici sono alti per elaborare in modo efficiente il cibo e mantenere basso il loro peso corporeo. Lo stomaco degli uccelli ha due camere: il proventricolo, dove vengono prodotti i succhi gastrici per digerire il cibo prima che entri nello stomaco, e il ventriglio, dove il cibo viene immagazzinato, bagnato e macinato meccanicamente. Il materiale non digerito forma pellet di cibo che a volte vengono rigurgitati. La maggior parte della digestione chimica e dell’assorbimento avviene nell’intestino e i rifiuti vengono espulsi attraverso la cloaca.

Nel sistema digestivo aviario, il cibo passa dal gozzo al primo dei due stomaci, chiamato proventricolo, che contiene succhi digestivi che scompongono il cibo. Dal proventricolo, il cibo entra nel secondo stomaco, chiamato ventriglio, che macina il cibo. Alcuni uccelli ingoiano pietre o grana, che sono immagazzinati nel ventriglio, per aiutare il processo di macinazione. Gli uccelli non hanno aperture separate per espellere l’urina e le feci. Invece, l’acido urico dei reni viene secreto nell’intestino crasso e combinato con i rifiuti del processo digestivo. Questi rifiuti vengono espulsi attraverso un’apertura chiamata cloaca.

Ruminanti

I ruminanti sono principalmente erbivori come mucche, pecore e capre, la cui intera dieta consiste nel mangiare grandi quantità di foraggio grezzo o fibre. Hanno evoluto sistemi digestivi che li aiutano a digerire grandi quantità di cellulosa. Una caratteristica interessante della bocca dei ruminanti è che non hanno denti incisivi superiori. Usano i loro denti inferiori, la lingua e le labbra per strappare e masticare il cibo. Dalla bocca, il cibo viaggia verso l’esofago e poi verso lo stomaco.

Per aiutare a digerire la grande quantità di materiale vegetale, lo stomaco dei ruminanti è un organo a più camere, come illustrato nella figura 7. I quattro compartimenti dello stomaco sono chiamati rumine, reticolo, omaso e abomaso. Queste camere contengono molti microbi che scompongono la cellulosa e fermentano il cibo ingerito. L’abomaso è il “vero” stomaco ed è l’equivalente della camera dello stomaco monogastrico dove vengono secreti i succhi gastrici. La camera gastrica a quattro scomparti fornisce uno spazio maggiore e il supporto microbico necessario per digerire il materiale vegetale nei ruminanti. Il processo di fermentazione produce grandi quantità di gas nella camera dello stomaco, che devono essere eliminate. Come in altri animali, l’intestino tenue gioca un ruolo importante nell’assorbimento dei nutrienti, e l’intestino crasso aiuta nell’eliminazione dei rifiuti.

Seudo-ruminanti

Alcuni animali, come i cammelli e gli alpaca, sono pseudo-ruminanti. Mangiano molto materiale vegetale e foraggio grezzo. Digerire il materiale vegetale non è facile perché le pareti cellulari delle piante contengono la molecola di zucchero polimerico cellulosa. Gli enzimi digestivi di questi animali non possono scomporre la cellulosa, ma i microrganismi presenti nel sistema digestivo possono farlo. Pertanto, l’apparato digerente deve essere in grado di gestire grandi quantità di foraggio grezzo e scomporre la cellulosa. Gli pseudo-ruminanti hanno uno stomaco a tre camere nel sistema digestivo. Tuttavia, il loro cieco – un organo a sacchetto all’inizio dell’intestino crasso che contiene molti microrganismi necessari per la digestione dei materiali vegetali – è grande ed è il luogo dove il foraggio grezzo viene fermentato e digerito. Questi animali non hanno un rumine ma hanno un omaso, un abomaso e un reticolo.

Parti del sistema digestivo

Il sistema digestivo dei vertebrati è progettato per facilitare la trasformazione della materia alimentare nei componenti nutritivi che sostengono gli organismi.

Cavità orale

La cavità orale, o bocca, è il punto di ingresso del cibo nel sistema digestivo, illustrato nella Figura 8. Il cibo consumato è rotto in particelle più piccole dalla masticazione, l’azione masticatoria dei denti. Tutti i mammiferi hanno i denti e possono masticare il loro cibo.

Il vasto processo chimico della digestione inizia nella bocca. Mentre il cibo viene masticato, la saliva, prodotta dalle ghiandole salivari, si mescola al cibo. La saliva è una sostanza acquosa prodotta nella bocca di molti animali. Ci sono tre ghiandole principali che secernono la saliva: la parotide, la sottomandibolare e la sottolinguale. La saliva contiene muco che inumidisce il cibo e tampona il pH del cibo. La saliva contiene anche immunoglobuline e lisozimi, che hanno un’azione antibatterica per ridurre la carie inibendo la crescita di alcuni batteri.

La saliva contiene anche un enzima chiamato amilasi salivare che inizia il processo di conversione degli amidi nel cibo in un disaccaride chiamato maltosio. Un altro enzima chiamato lipasi è prodotto dalle cellule della lingua. Le lipasi sono una classe di enzimi che possono scomporre i trigliceridi. La lipasi linguale inizia la scomposizione dei componenti grassi nel cibo.

L’azione masticatoria e umettante fornita dai denti e dalla saliva prepara il cibo in una massa chiamata bolo per la deglutizione. La lingua aiuta nella deglutizione, spostando il bolo dalla bocca alla faringe. La faringe si apre su due passaggi: la trachea, che porta ai polmoni, e l’esofago, che porta allo stomaco. La trachea ha un’apertura chiamata glottide, che è coperta da un lembo cartilagineo chiamato epiglottide. Quando si deglutisce, l’epiglottide chiude la glottide e il cibo passa nell’esofago e non nella trachea. Questa disposizione permette di tenere il cibo fuori dalla trachea.

Esofago

L’esofago è un organo tubolare che collega la bocca allo stomaco. Il cibo masticato e ammorbidito passa attraverso l’esofago dopo essere stato inghiottito. I muscoli lisci dell’esofago subiscono una serie di movimenti ondulatori chiamati peristalsi che spingono il cibo verso lo stomaco, come illustrato nella Figura 9. L’onda di peristalsi è unidirezionale – sposta il cibo dalla bocca allo stomaco, e il movimento inverso non è possibile. Il movimento peristaltico dell’esofago è un riflesso involontario; ha luogo in risposta all’atto della deglutizione.

Un muscolo ad anello chiamato sfintere forma delle valvole nel sistema digestivo. Lo sfintere gastro-esofageo si trova all’estremità dello stomaco dell’esofago. In risposta alla deglutizione e alla pressione esercitata dal bolo di cibo, questo sfintere si apre e il bolo entra nello stomaco. Quando non c’è azione di deglutizione, questo sfintere è chiuso e impedisce al contenuto dello stomaco di risalire l’esofago. Molti animali hanno un vero sfintere; tuttavia, negli esseri umani, non c’è un vero sfintere, ma l’esofago rimane chiuso quando non c’è azione di deglutizione. Il reflusso acido o “bruciore di stomaco” si verifica quando i succhi digestivi acidi sfuggono nell’esofago.

Stomaco

Una gran parte della digestione avviene nello stomaco, mostrato nella Figura 10. Lo stomaco è un organo simile a una sacca che secerne succhi gastrici. Il pH nello stomaco è tra 1,5 e 2,5. Questo ambiente altamente acido è necessario per la scomposizione chimica del cibo e l’estrazione delle sostanze nutritive. Quando è vuoto, lo stomaco è un organo piuttosto piccolo; tuttavia, può espandersi fino a 20 volte la sua dimensione di riposo quando è pieno di cibo. Questa caratteristica è particolarmente utile per gli animali che hanno bisogno di mangiare quando il cibo è disponibile.

Lo stomaco è anche il principale sito di digestione delle proteine negli animali diversi dai ruminanti. La digestione delle proteine è mediata da un enzima chiamato pepsina nella camera dello stomaco. La pepsina è secreta dalle cellule principali dello stomaco in una forma inattiva chiamata pepsinogeno. La pepsina rompe i legami peptidici e scinde le proteine in polipeptidi più piccoli; aiuta anche ad attivare più pepsinogeno, avviando un meccanismo di feedback positivo che genera più pepsina. Un altro tipo di cellule – le cellule parietali – secernono ioni idrogeno e cloruro, che si combinano nel lume per formare acido cloridrico, il principale componente acido dei succhi gastrici. L’acido cloridrico aiuta a convertire il pepsinogeno inattivo in pepsina. L’ambiente altamente acido uccide anche molti microrganismi nel cibo e, combinato con l’azione dell’enzima pepsina, provoca l’idrolisi delle proteine nel cibo. La digestione chimica è facilitata dal movimento dello stomaco. La contrazione e il rilassamento dei muscoli lisci mescolano il contenuto dello stomaco ogni 20 minuti circa. La miscela di cibo parzialmente digerito e succo gastrico è chiamata chimo. Il chimo passa dallo stomaco all’intestino tenue. Un’ulteriore digestione delle proteine avviene nell’intestino tenue. Lo svuotamento gastrico avviene da due a sei ore dopo un pasto. Solo una piccola quantità di chimo viene rilasciata nell’intestino tenue alla volta. Il movimento del chimo dallo stomaco all’intestino tenue è regolato dallo sfintere pilorico.

Quando si digeriscono le proteine e alcuni grassi, il rivestimento dello stomaco deve essere protetto dalla digestione della pepsina. Ci sono due punti da considerare quando si descrive come il rivestimento dello stomaco è protetto. In primo luogo, come già detto, l’enzima pepsina è sintetizzato in forma inattiva. Questo protegge le cellule del capo, perché il pepsinogeno non ha la stessa funzionalità enzimatica della pepsina. In secondo luogo, lo stomaco ha uno spesso rivestimento di muco che protegge il tessuto sottostante dall’azione dei succhi digestivi. Quando questo rivestimento di muco si rompe, si possono formare ulcere nello stomaco. Le ulcere sono ferite aperte in o su un organo causate da batteri (Helicobacter pylori) quando il rivestimento di muco è rotto e non riesce a riformarsi.

Intestino tenue

Il siero passa dallo stomaco all’intestino tenue. L’intestino tenue è l’organo dove si completa la digestione delle proteine, dei grassi e dei carboidrati. L’intestino tenue è un lungo organo tubolare con una superficie molto ripiegata che contiene proiezioni simili a dita chiamate villi. La superficie apicale di ogni villo ha molte proiezioni microscopiche chiamate microvilli. Queste strutture, illustrate nella Figura 11, sono rivestite da cellule epiteliali sul lato luminale e permettono ai nutrienti di essere assorbiti dal cibo digerito e assorbiti nel flusso sanguigno dall’altro lato. I villi e i microvilli, con le loro numerose pieghe, aumentano la superficie dell’intestino e aumentano l’efficienza di assorbimento delle sostanze nutritive. I nutrienti assorbiti nel sangue sono trasportati nella vena porta epatica, che porta al fegato. Lì, il fegato regola la distribuzione dei nutrienti al resto del corpo e rimuove le sostanze tossiche, comprese le droghe, l’alcol e alcuni agenti patogeni.

L’intestino tenue umano è lungo oltre 6 metri ed è diviso in tre parti: il duodeno, il digiuno e l’ileo. La parte fissa a forma di “C” dell’intestino tenue è chiamata duodeno ed è mostrata nella figura 10. Il duodeno è separato dallo stomaco dallo sfintere pilorico che si apre per permettere al chimo di passare dallo stomaco al duodeno. Nel duodeno, il chimo si mescola con i succhi pancreatici in una soluzione alcalina ricca di bicarbonato che neutralizza l’acidità del chimo e funge da tampone. I succhi pancreatici contengono anche diversi enzimi digestivi. I succhi digestivi provenienti dal pancreas, dal fegato e dalla cistifellea, così come dalle cellule ghiandolari della stessa parete intestinale, entrano nel duodeno. La bile è prodotta nel fegato e immagazzinata e concentrata nella cistifellea. La bile contiene sali biliari che emulsionano i lipidi mentre il pancreas produce enzimi che catabolizzano amidi, disaccaridi, proteine e grassi. Questi succhi digestivi scompongono le particelle di cibo nel chimo in glucosio, trigliceridi e aminoacidi. Una parte della digestione chimica del cibo avviene nel duodeno. Anche l’assorbimento degli acidi grassi avviene nel duodeno.

La seconda parte dell’intestino tenue è chiamata digiuno, mostrato nella figura 10. Qui, l’idrolisi dei nutrienti continua mentre la maggior parte dei carboidrati e degli aminoacidi sono assorbiti attraverso il rivestimento intestinale. Il grosso della digestione chimica e dell’assorbimento dei nutrienti avviene nel digiuno.

L’ileo, anch’esso illustrato nella Figura 10 è l’ultima parte dell’intestino tenue e qui i sali biliari e le vitamine vengono assorbiti nel flusso sanguigno. Il cibo non digerito viene inviato al colon dall’ileo tramite movimenti peristaltici del muscolo. L’ileo finisce e l’intestino crasso inizia alla valvola ileocecale. L’appendice vermiforme, “vermiforme”, si trova alla valvola ileocecale. L’appendice umana non secerne enzimi e ha un ruolo insignificante nell’immunità.

Intestino crasso

L’intestino crasso, illustrato nella Figura 12, riassorbe l’acqua dal materiale alimentare non digerito e processa il materiale di scarto. L’intestino crasso umano è molto più piccolo in lunghezza rispetto all’intestino tenue, ma più grande in diametro. Ha tre parti: il cieco, il colon e il retto. Il cieco unisce l’ileo al colon ed è la sacca di ricezione dei rifiuti. Il colon ospita molti batteri o “flora intestinale” che aiutano nei processi digestivi. Il colon può essere diviso in quattro regioni, il colon ascendente, il colon trasverso, il colon discendente e il colon sigmoide. Le funzioni principali del colon sono di estrarre l’acqua e i sali minerali dal cibo non digerito e di immagazzinare il materiale di scarto. I mammiferi carnivori hanno un intestino crasso più corto rispetto ai mammiferi erbivori a causa della loro dieta.

Retto e ano

Il retto è l’estremità terminale dell’intestino crasso, come mostrato nella figura 12. Il ruolo principale del retto è quello di conservare le feci fino alla defecazione. Le feci sono spinte con movimenti peristaltici durante l’eliminazione. L’ano è un’apertura all’estremità del tratto digestivo ed è il punto di uscita del materiale di scarto. Due sfinteri tra il retto e l’ano controllano l’eliminazione: lo sfintere interno è involontario e lo sfintere esterno è volontario.

Organi accessori

Gli organi discussi sopra sono gli organi del tratto digestivo attraverso cui passa il cibo. Gli organi accessori sono organi che aggiungono secrezioni (enzimi) che catabolizzano il cibo in nutrienti. Gli organi accessori includono le ghiandole salivari, il fegato, il pancreas e la cistifellea. Il fegato, il pancreas e la cistifellea sono regolati da ormoni in risposta al cibo consumato.

Il fegato è il più grande organo interno dell’uomo e svolge un ruolo molto importante nella digestione dei grassi e nella disintossicazione del sangue. Il fegato produce la bile, un succo digestivo che è necessario per la scomposizione dei componenti grassi del cibo nel duodeno. Il fegato elabora anche le vitamine e i grassi e sintetizza molte proteine plasmatiche.

Il pancreas è un’altra importante ghiandola che secerne succhi digestivi. Il chimo prodotto dallo stomaco è di natura altamente acida; i succhi pancreatici contengono alti livelli di bicarbonato, un alcali che neutralizza il chimo acido. Inoltre, i succhi pancreatici contengono una grande varietà di enzimi che sono necessari per la digestione di proteine e carboidrati.

La cistifellea è un piccolo organo che aiuta il fegato immagazzinando la bile e concentrando i sali biliari. Quando il chimo contenente acidi grassi entra nel duodeno, la bile viene secreta dalla cistifellea nel duodeno.

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