Biologie pentru specializări II

Comparați și puneți în contrast diferite tipuri de sisteme digestive

Animalele își obțin nutriția din consumul altor organisme. În funcție de regimul lor alimentar, animalele pot fi clasificate în următoarele categorii: cele care se hrănesc cu plante (erbivore), cele care se hrănesc cu carne (carnivore) și cele care se hrănesc atât cu plante, cât și cu animale (omnivore). Nutrienții și macromoleculele prezente în alimente nu sunt imediat accesibile celulelor. Există o serie de procese care modifică alimentele în interiorul corpului animal pentru a face nutrienții și moleculele organice accesibile pentru funcția celulară. Pe măsură ce animalele au evoluat în ceea ce privește complexitatea formei și a funcțiilor, sistemele lor digestive au evoluat, de asemenea, pentru a se adapta la diferitele lor nevoi alimentare.

Herbivore, carnivore și omnivore

Herbivorele sunt animale a căror sursă principală de hrană este vegetală. Exemple de erbivore, așa cum se arată în figura 1, includ vertebrate precum căprioarele, koala și unele specii de păsări, precum și nevertebrate precum greierii și omizile. Aceste animale au dezvoltat sisteme digestive capabile să manipuleze cantități mari de materie vegetală. Ierbivorele pot fi clasificate în continuare în frugivore (consumatoare de fructe), granivore (consumatoare de semințe), nectivore (consumatoare de nectar) și folivore (consumatoare de frunze).

Carnivorele sunt animale care mănâncă alte animale. Cuvântul carnivor este derivat din latină și înseamnă literalmente „mâncător de carne”. Felinele sălbatice, cum ar fi leii, prezentate în figura 2a, și tigrii sunt exemple de carnivore vertebrate, la fel ca șerpii și rechinii, în timp ce carnivorele nevertebrate includ stelele de mare, păianjenii și gărgărițele, prezentate în figura 2b. Carnivorele obligatorii sunt cele care se bazează în întregime pe carnea de animal pentru a-și obține substanțele nutritive; exemple de carnivore obligatorii sunt membrii familiei pisicilor, cum ar fi leii și gheparzii. Carnivorele facultative sunt cele care, pe lângă hrana de origine animală, consumă și hrană non-animală. Rețineți că nu există o linie clară care să diferențieze carnivorele facultative de omnivore; câinii ar fi considerați carnivore facultative.

Omnivorele sunt animale care consumă atât hrană de origine vegetală, cât și de origine animală. În latină, omnivor înseamnă a mânca de toate. Oamenii, urșii (prezentați în figura 3a) și găinile sunt exemple de omnivore vertebrate; omnivorele nevertebrate includ gândacii și racii de mare (prezentați în figura 3b).

Sistemele digestive ale nevertebratelor

Animalele au evoluat diferite tipuri de sisteme digestive pentru a ajuta la digestia diferitelor alimente pe care le consumă. Cel mai simplu exemplu este cel al unei cavități gastrovasculare și se găsește la organismele cu o singură deschidere pentru digestie. Platyhelminthes (viermi plați), Ctenophora (jeleuri cu pieptene) și Cnidaria (corali, meduze și anemone de mare) folosesc acest tip de digestie. Cavitățile gastrovasculare, așa cum se arată în figura 4a, sunt de obicei un tub sau o cavitate oarbă cu o singură deschidere, „gura”, care servește, de asemenea, drept „anus”. Materialul ingerat intră în gură și trece printr-o cavitate tubulară goală. Celulele din interiorul cavității secretă enzime digestive care descompun alimentele. Particulele de alimente sunt înghițite de celulele care căptușesc cavitatea gastrovasculară.

Canalul alimentar, prezentat în figura 4b, este un sistem mai avansat: este format dintr-un singur tub cu o gură la un capăt și un anus la celălalt. Râmele sunt un exemplu de animal cu un canal alimentar. Odată ce hrana este ingerată prin gură, trece prin esofag și este depozitată într-un organ numit gușă; apoi trece în pipotă, unde este bătută și digerată. Din gamelă, alimentele trec prin intestin, nutrienții sunt absorbiți, iar deșeurile sunt eliminate sub formă de fecale, numite ghips, prin anus.

Sistemele digestive ale vertebratelor

Vertebratele au evoluat sisteme digestive mai complexe pentru a se adapta la nevoile lor alimentare. Unele animale au un singur stomac, în timp ce altele au stomacuri cu mai multe camere. Păsările au dezvoltat un sistem digestiv adaptat pentru a mânca alimente nemestecate.

Monogastric: Stomac cu o singură cameră

După cum sugerează cuvântul monogastric, acest tip de sistem digestiv este format dintr-o singură („mono”) cameră a stomacului („gastric”). Oamenii și multe animale au un sistem digestiv monogastric, așa cum este ilustrat în figurile 5a și 5b. Procesul de digestie începe cu gura și cu ingerarea alimentelor. Dinții joacă un rol important în masticația (mestecarea) sau în descompunerea fizică a alimentelor în particule mai mici. Enzimele prezente în salivă încep, de asemenea, să descompună chimic alimentele. Esofagul este un tub lung care leagă gura de stomac. Cu ajutorul peristaltismului, sau al contracțiilor musculare netede asemănătoare unor valuri, mușchii esofagului împing alimentele spre stomac. Pentru a accelera acțiunea enzimelor din stomac, stomacul este un mediu extrem de acid, cu un pH între 1,5 și 2,5. Sucurile gastrice, care includ enzimele din stomac, acționează asupra particulelor de alimente și continuă procesul de digestie. O altă descompunere a alimentelor are loc în intestinul subțire, unde enzimele produse de ficat, de intestinul subțire și de pancreas continuă procesul de digestie. Nutrienții sunt absorbiți în fluxul sanguin prin intermediul celulelor epiteliale care căptușesc pereții intestinului subțire. Materiile reziduale călătoresc mai departe spre intestinul gros, unde apa este absorbită, iar materiile reziduale mai uscate sunt compactate în fecale; acestea sunt stocate până când sunt excretate prin rect.

Aviare

Păsările se confruntă cu provocări speciale atunci când vine vorba de obținerea nutriției din hrană. Ele nu au dinți și, prin urmare, sistemul lor digestiv, prezentat în figura 6, trebuie să fie capabil să proceseze alimentele nemasticate. Păsările au evoluat o varietate de tipuri de ciocuri care reflectă marea varietate a dietei lor, de la semințe și insecte la fructe și nuci. Deoarece majoritatea păsărilor zboară, ratele lor metabolice sunt ridicate pentru a procesa eficient hrana și pentru a-și menține greutatea corporală scăzută. Stomacul păsărilor are două camere: proventriculul, în care se produc sucurile gastrice pentru a digera alimentele înainte ca acestea să intre în stomac, și mocirla, unde alimentele sunt depozitate, înmuiate și măcinate mecanic. Materialul nedigerat formează granule de hrană care sunt uneori regurgitate. Cea mai mare parte a digestiei chimice și a absorbției are loc în intestin, iar deșeurile sunt excretate prin cloacă.

În sistemul digestiv aviar, alimentele trec din crop în primul dintre cele două stomacuri, numit proventriculus, care conține sucuri digestive care descompun alimentele. Din proventriculus, alimentele intră în cel de-al doilea stomac, numit pipotă, care macină alimentele. Unele păsări înghit pietre sau pietricele, care sunt stocate în pipotă, pentru a ajuta la procesul de măcinare. Păsările nu au deschideri separate pentru a excreta urina și fecalele. În schimb, acidul uric de la rinichi este secretat în intestinul gros și combinat cu deșeurile din procesul digestiv. Aceste deșeuri sunt excretate printr-o deschidere numită cloacă.

Rumegătoare

Rumegătoarele sunt în principal ierbivore, cum ar fi vacile, oile și caprele, a căror întreagă dietă constă în consumul unor cantități mari de furaje grosiere sau fibre. Ele au evoluat sisteme digestive care le ajută să digere cantități mari de celuloză. O caracteristică interesantă a gurii rumegătoarelor este faptul că nu au dinți incisivi superiori. Aceștia își folosesc dinții inferiori, limba și buzele pentru a-și rupe și mesteca hrana. Din gură, mâncarea călătorește spre esofag și apoi spre stomac.

Pentru a ajuta la digerarea cantității mari de materie vegetală, stomacul rumegătoarelor este un organ cu mai multe camere, așa cum este ilustrat în figura 7. Cele patru compartimente ale stomacului se numesc rumen, reticulum, omasum și abomasum. Aceste camere conțin numeroși microbi care descompun celuloza și fermentează alimentele ingerate. Abomasul este „adevăratul” stomac și este echivalentul camerei stomacale monogastrice în care se secretă sucurile gastrice. Camera gastrică cu patru compartimente oferă un spațiu mai mare și suportul microbian necesar pentru a digera materia vegetală la rumegătoare. Procesul de fermentare produce cantități mari de gaze în camera gastrică, care trebuie eliminate. Ca și la alte animale, intestinul subțire joacă un rol important în absorbția nutrienților, iar intestinul gros ajută la eliminarea deșeurilor.

Pseudo-ruminante

Câteva animale, cum ar fi cămilele și alpaca, sunt pseudo-ruminante. Ele mănâncă multă materie vegetală și furaje grosiere. Digerarea materialului vegetal nu este ușoară deoarece pereții celulelor vegetale conțin molecula polimerică de zahăr celuloză. Enzimele digestive ale acestor animale nu pot descompune celuloza, dar microorganismele prezente în sistemul digestiv o pot face. Prin urmare, sistemul digestiv trebuie să fie capabil să manipuleze cantități mari de furaje grosiere și să descompună celuloza. Pseudo-ruminantele au un stomac cu trei camere în sistemul digestiv. Cu toate acestea, cecum-ul lor – un organ cu pungă la începutul intestinului gros care conține multe microorganisme necesare pentru digestia materiilor vegetale – este mare și este locul unde furajele grosiere sunt fermentate și digerate. Aceste animale nu au rumen, dar au omasum, abomasum și reticulum.

Părți ale sistemului digestiv

Sistemul digestiv al vertebratelor este conceput pentru a facilita transformarea materiei alimentare în componentele nutritive care susțin organismele.

Cavitatea orală

Cavitatea orală, sau gura, este punctul de intrare a alimentelor în sistemul digestiv, ilustrat în figura 8. Alimentele consumate sunt sparte în particule mai mici prin masticație, acțiunea de mestecare a dinților. Toate mamiferele au dinți și își pot mesteca hrana.

Procesul chimic extins al digestiei începe în gură. În timp ce alimentele sunt mestecate, saliva, produsă de glandele salivare, se amestecă cu alimentele. Saliva este o substanță apoasă produsă în gura multor animale. Există trei glande majore care secretă salivă – parotida, submandibulară și sublinguală. Saliva conține mucus care umezește alimentele și amortizează pH-ul acestora. Saliva conține, de asemenea, imunoglobuline și lizozime, care au acțiune antibacteriană pentru a reduce cariile dentare prin inhibarea creșterii unor bacterii.

Saliva conține, de asemenea, o enzimă numită amilază salivară care începe procesul de transformare a amidonului din alimente într-o dizaharidă numită maltoză. O altă enzimă numită lipază este produsă de celulele din limbă. Lipazele sunt o clasă de enzime care pot descompune trigliceridele. Lipaza linguală începe descompunerea componentelor grase din alimente.

Acțiunea de mestecare și umezire asigurată de dinți și salivă pregătesc alimentele într-o masă numită bolus pentru înghițire. Limba ajută la înghițire – deplasarea bolusului din gură în faringe. Faringele se deschide către două căi de trecere: traheea, care duce la plămâni, și esofagul, care duce la stomac. Traheea are o deschidere numită glotă, care este acoperită de o clapetă cartilaginoasă numită epiglotă. La înghițire, epiglota închide glota, iar alimentele trec în esofag și nu în trahee. Acest aranjament permite ca alimentele să fie ținute în afara traheei.

Esofagul

Esofagul este un organ tubular care leagă gura de stomac. Alimentele mestecate și înmuiate trec prin esofag după ce sunt înghițite. Mușchii netezi ai esofagului suferă o serie de mișcări asemănătoare unor valuri, numite peristaltism, care împing alimentele spre stomac, așa cum este ilustrat în figura 9. Unda de peristaltism este unidirecțională – deplasează alimentele dinspre gură spre stomac, iar mișcarea inversă nu este posibilă. Mișcarea peristaltică a esofagului este un reflex involuntar; are loc ca răspuns la actul de înghițire.

Un mușchi asemănător unui inel numit sfincter formează supape în sistemul digestiv. Sfincterul gastroesofagian este situat la capătul stomacal al esofagului. Ca răspuns la înghițire și la presiunea exercitată de bolul de alimente, acest sfincter se deschide, iar bolul intră în stomac. Atunci când nu există nicio acțiune de înghițire, acest sfincter este închis și împiedică conținutul stomacului să urce în esofag. Multe animale au un sfincter adevărat; cu toate acestea, la om, nu există un sfincter adevărat, dar esofagul rămâne închis atunci când nu există nicio acțiune de înghițire. Refluxul acid sau „arsurile la stomac” apar atunci când sucurile digestive acide scapă în esofag.

Stomac

O mare parte a digestiei are loc în stomac, prezentat în figura 10. Stomacul este un organ în formă de sac care secretă sucurile digestive gastrice. pH-ul din stomac este cuprins între 1,5 și 2,5. Acest mediu foarte acid este necesar pentru descompunerea chimică a alimentelor și pentru extragerea substanțelor nutritive. Când este gol, stomacul este un organ destul de mic; cu toate acestea, se poate extinde până la de 20 de ori dimensiunea sa de repaus atunci când este umplut cu alimente. Această caracteristică este deosebit de utilă pentru animalele care trebuie să mănânce atunci când hrana este disponibilă.

Stomacul este, de asemenea, locul principal de digestie a proteinelor la alte animale decât rumegătoarele. Digestia proteinelor este mediată de o enzimă numită pepsină în camera gastrică. Pepsina este secretată de către celulele principale din stomac într-o formă inactivă numită pepsinogen. Pepsina rupe legăturile peptidice și scindează proteinele în polipeptide mai mici; de asemenea, ajută la activarea mai mult pepsinogen, pornind un mecanism de feedback pozitiv care generează mai multă pepsină. Un alt tip de celule – celulele palatine – secretă ioni de hidrogen și clorură, care se combină în lumen pentru a forma acid clorhidric, componenta acidă primară a sucurilor gastrice. Acidul clorhidric ajută la transformarea pepsinogenului inactiv în pepsină. Mediul foarte acid ucide, de asemenea, multe microorganisme din alimente și, combinat cu acțiunea enzimei pepsină, duce la hidroliza proteinelor din alimente. Digestia chimică este facilitată de acțiunea de agitare a stomacului. Contracția și relaxarea mușchilor netezi amestecă conținutul stomacului cam la fiecare 20 de minute. Amestecul de alimente parțial digerate și suc gastric se numește chim. Chima trece din stomac în intestinul subțire. În intestinul subțire are loc o digestie suplimentară a proteinelor. Golirea gastrică are loc între două și șase ore după o masă. Doar o cantitate mică de chim este eliberată în intestinul subțire la un moment dat. Mișcarea chimului din stomac în intestinul subțire este reglată de sfincterul piloric.

La digerarea proteinelor și a unor grăsimi, mucoasa stomacului trebuie să fie protejată pentru a nu fi digerată de pepsină. Există două aspecte care trebuie luate în considerare atunci când se descrie modul în care este protejată mucoasa stomacului. În primul rând, după cum s-a menționat anterior, enzima pepsină este sintetizată în formă inactivă. Acest lucru protejează celulele șefului, deoarece pepsinogenul nu are aceeași funcționalitate enzimatică a pepsinei. În al doilea rând, stomacul are o mucoasă groasă care protejează țesutul subiacent de acțiunea sucurilor digestive. Atunci când această mucoasă este ruptă, se pot forma ulcere în stomac. Ulcerele sunt răni deschise în sau pe un organ cauzate de bacterii (Helicobacter pylori) atunci când mucoasa este ruptă și nu reușește să se reformeze.

Intestin subțire

Chima se deplasează din stomac în intestinul subțire. Intestinul subțire este organul în care se finalizează digestia proteinelor, grăsimilor și carbohidraților. Intestinul subțire este un organ lung, asemănător unui tub, cu o suprafață foarte pliată care conține proiecții asemănătoare unor degete, numite vilozități. Suprafața apicală a fiecărei vilozități are numeroase proiecții microscopice numite microvilli. Aceste structuri, ilustrate în figura 11, sunt căptușite cu celule epiteliale pe partea luminală și permit ca substanțele nutritive să fie absorbite din alimentele digerate și absorbite în fluxul sanguin pe cealaltă parte. Vilozitățile și microvilozitățile, cu numeroasele lor pliuri, măresc suprafața intestinului și sporesc eficiența absorbției substanțelor nutritive. Nutrienții absorbiți în sânge sunt transportați în vena portală hepatică, care duce la ficat. Acolo, ficatul reglează distribuția substanțelor nutritive către restul corpului și elimină substanțele toxice, inclusiv medicamentele, alcoolul și unii agenți patogeni.

Instinctul subțire uman are o lungime de peste 6 m și este împărțit în trei părți: duodenul, jejunul și ileonul. Partea fixă, în formă de „C”, a intestinului subțire se numește duoden și este prezentată în figura 10. Duodenul este separat de stomac prin sfincterul piloric, care se deschide pentru a permite ca chimul să se deplaseze de la stomac la duoden. În duoden, chimul este amestecat cu sucurile pancreatice într-o soluție alcalină bogată în bicarbonat care neutralizează aciditatea chimului și acționează ca un tampon. Sucurile pancreatice conțin, de asemenea, mai multe enzime digestive. Sucurile digestive provenite de la pancreas, ficat și vezica biliară, precum și de la celulele glandelor din peretele intestinal propriu-zis, intră în duodenum. Bila este produsă în ficat și depozitată și concentrată în vezica biliară. Bila conține săruri biliare care emulsionează lipidele, în timp ce pancreasul produce enzime care catabolizează amidonul, dizaharidele, proteinele și grăsimile. Aceste sucuri digestive descompun particulele alimentare din chimen în glucoză, trigliceride și aminoacizi. O parte din digestia chimică a alimentelor are loc în duodenum. Absorbția acizilor grași are loc, de asemenea, în duodenum.

A doua parte a intestinului subțire se numește jejun, prezentată în figura 10. Aici, hidroliza substanțelor nutritive este continuată, în timp ce majoritatea carbohidraților și aminoacizilor sunt absorbiți prin mucoasa intestinală. Cea mai mare parte a digestiei chimice și a absorbției nutrienților are loc în jejun.

Ieleul, ilustrat și el în figura 10, este ultima parte a intestinului subțire și aici sărurile biliare și vitaminele sunt absorbite în fluxul sanguin. Alimentele nedigerate sunt trimise spre colon din ileon prin mișcări peristaltice ale mușchiului. Ileonul se termină și intestinul gros începe la valva ileocecală. Apendicele vermiform, „ca un vierme”, este situat la nivelul valvei ileocecale. Apendicele de la om nu secretă enzime și are un rol nesemnificativ în imunitate.

Intestin gros

Instinctul gros, ilustrat în figura 12, reabsoarbe apa din materiile alimentare nedigerate și procesează materiile reziduale. Intestinul gros uman este mult mai mic în lungime în comparație cu intestinul subțire, dar mai mare în diametru. Acesta are trei părți: cecum, colon și rect. Cecul unește ileonul cu colonul și este punga de primire a materiilor reziduale. Colonul găzduiește numeroase bacterii sau „flora intestinală” care ajută la procesele digestive. Colonul poate fi împărțit în patru regiuni: colonul ascendent, colonul transvers, colonul descendent și colonul sigmoid. Principalele funcții ale colonului sunt de a extrage apa și sărurile minerale din alimentele nedigerate și de a stoca deșeurile. Mamiferele carnivore au un intestin gros mai scurt în comparație cu mamiferele erbivore, din cauza regimului lor alimentar.

Rectul și anusul

Rectul este capătul terminal al intestinului gros, așa cum se arată în figura 12. Rolul principal al rectului este de a stoca materiile fecale până la defecație. Fecalele sunt propulsate cu ajutorul mișcărilor peristaltice în timpul eliminării. Anusul este o deschidere aflată la capătul extrem al tubului digestiv și reprezintă punctul de ieșire a materiilor reziduale. Doi sfinctere între rect și anus controlează eliminarea: sfincterul intern este involuntar, iar sfincterul extern este voluntar.

Organe accesorii

Organele discutate mai sus sunt organele tubului digestiv prin care trec alimentele. Organele accesorii sunt organe care adaugă secreții (enzime) care catabolizează alimentele în substanțe nutritive. Printre organele accesorii se numără glandele salivare, ficatul, pancreasul și vezica biliară. Ficatul, pancreasul și vezica biliară sunt reglate de hormoni ca răspuns la alimentele consumate.

Fătul este cel mai mare organ intern la om și joacă un rol foarte important în digestia grăsimilor și în detoxifierea sângelui. Ficatul produce bilă, un suc digestiv care este necesar pentru descompunerea componentelor grase ale alimentelor din duoden. Ficatul procesează, de asemenea, vitaminele și grăsimile și sintetizează multe proteine plasmatice.

Pancreasul este o altă glandă importantă care secretă sucuri digestive. Chimul produs de stomac este de natură foarte acidă; sucurile pancreatice conțin niveluri ridicate de bicarbonat, un alcalin care neutralizează chimul acid. În plus, sucurile pancreatice conțin o mare varietate de enzime care sunt necesare pentru digestia proteinelor și a carbohidraților.

Viaza biliară este un mic organ care ajută ficatul prin stocarea bilei și concentrarea sărurilor biliare. Când chimul care conține acizi grași intră în duoden, bila este secretată din vezica biliară în duoden.

Verifică-ți înțelegerea

Răspundeți la întrebarea (întrebările) de mai jos pentru a vedea cât de bine ați înțeles subiectele abordate în secțiunea anterioară. Acest test scurt nu contează pentru nota dumneavoastră la curs și îl puteți relua de un număr nelimitat de ori.

Utilizați acest test pentru a vă verifica înțelegerea și a decide dacă (1) să studiați în continuare secțiunea anterioară sau (2) să treceți la secțiunea următoare.

.