Gli uccelli sono animali impegnati. Considerate i pigliamosche che catturano gli insetti, gli uccelli costieri che volano lontano e i colibrì che si librano, e avrete un quadro di quanto possano essere attivi gli uccelli. Ecco perché favoriscono cibi ad alta energia e hanno alti tassi metabolici che richiedono enormi livelli di ossigeno.
I sistemi respiratori dei mammiferi sono tristemente inadeguati a fornire le quantità di ossigeno che gli uccelli richiedono.
Negli esseri umani, per esempio, un tubo chiamato trachea collega il nostro naso e la parte posteriore della bocca ai nostri polmoni. La trachea si divide in due bronchi primari che entrano nei polmoni, dove si dividono in bronchi secondari, che a loro volta si ramificano in bronchi terziari. Questi danno origine a piccoli tubi chiamati bronchioli, che terminano in grappoli dalle pareti sottili e simili a chicchi d’uva chiamati alveoli (mostrati in basso a sinistra nel diagramma qui sopra). Circondati da reti capillari, gli alveoli sono i siti per lo scambio di gas. A causa delle differenze di pressione, l’ossigeno si diffonde dagli alveoli nei capillari sanguigni, e l’anidride carbonica si diffonde dai capillari sanguigni negli alveoli.
La natura a cul-de-sac dei nostri polmoni significa che l’aria scorre normalmente in due direzioni – cioè dalle nostre narici attraverso la trachea agli alveoli e indietro di nuovo attraverso gli stessi condotti. Ne consegue che la prima aria respirata negli alveoli è residua e stantia, avendo ceduto la maggior parte del suo ossigeno prima dell’ultima espirazione. Il flusso d’aria bidirezionale, quindi, è inefficiente.
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Un sistema più efficiente
Gli uccelli impiegano un sistema più efficiente, uno in cui i sacchi d’aria a parete sottile sono collegati ai polmoni. Come mostrato nell’illustrazione del cardinale, i sacchi d’aria riempiono la cavità del corpo. Non sono coinvolti direttamente nello scambio di gas, ma funzionano come mantici per dirigere il flusso d’aria attraverso i polmoni in una direzione, dalla parte posteriore a quella anteriore. Questo aumenta l’efficienza polmonare.
Un’altra grande differenza tra i mammiferi e gli uccelli è che gli alveoli a forma di uva sono sostituiti da strutture tubolari a parete sottile chiamate parabronchi (mostrati in basso a destra nel diagramma). Come gli alveoli umani, i parabronchi aviari sono coperti da una ricca riserva di capillari e sono i siti per lo scambio di gas. I parabronchi si trovano in tutti i polmoni tra i bronchi secondari. Proprio come l’aria si muove in una direzione attraverso i polmoni, essa scorre anche in una direzione attraverso i parabronchi, da un bronco secondario all’altro.
La genialità dei sacchi d’aria è che essi permettono un flusso continuo a senso unico sia durante l’inspirazione che l’espirazione. I sacchi d’aria sono disposti in due gruppi: uno proveniente dalla parte anteriore dei polmoni (anteriore) e l’altro dalla parte posteriore dei polmoni (posteriore). Ecco come funziona il sistema:
Durante l’ispirazione, i sacchi d’aria posteriori si espandono, tirando l’aria nei bronchi primari, che terminano vicino all’estremità dei polmoni. Mentre una parte dell’aria viene deviata attraverso i bronchi secondari vicino alla parte posteriore dei polmoni e nei parabronchi, la maggior parte passa direttamente nel gruppo posteriore dei sacchi d’aria. Allo stesso tempo, i sacchi aerei anteriori si espandono, tirando l’aria dai parabronchi attraverso i bronchi secondari. Questo crea il flusso unidirezionale avanti-indietro attraverso i polmoni.
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Flusso unidirezionale
Durante l’espirazione, i sacchi d’aria si contraggono, forzando l’aria da entrambi i gruppi di sacchi d’aria. L’aria dai sacchi d’aria posteriori si muove attraverso i parabronchi, mentre l’aria dai sacchi d’aria anteriori si muove nei bronchi primari e nella trachea e poi fuori dal corpo. Un po’ di aria stantia rimane nel sistema, ma non abbastanza da diminuire significativamente l’efficienza complessiva. Notate che sia durante l’inspirazione che l’espirazione, l’aria fluisce in una direzione attraverso i parabronchi.
Gli uccelli respirano diversamente dai mammiferi perché non hanno il diaframma. Muovono l’aria dentro e fuori i loro polmoni e sacchi d’aria per mezzo di muscoli speciali che muovono le costole e lo sterno verso il basso e in avanti, espandendo la cavità corporea e causando l’inspirazione, e poi verso l’alto e indietro, contraendo la cavità corporea e causando l’espirazione.
La termoregolazione è un’altra funzione essenziale dei sacchi d’aria. L’alto livello di attività aviaria genera un calore eccessivo che deve essere dissipato. Gli uccelli, tuttavia, non hanno le ghiandole sudoripare che dissipano il calore che noi possediamo.
Ricordiamo che le ghiandole sudoripare raffreddano producendo una secrezione salata che evapora dalla pelle. Il calore necessario per cambiare il sudore da liquido a vapore proviene dalla pelle, raffreddandola così. Gli uccelli cambiano l’acqua in vapore in modo simile nei sacchi d’aria, tranne che il calore necessario per vaporizzare l’acqua proviene dagli organi e dai tessuti che circondano i sacchi d’aria.
Un sistema respiratorio finemente sintonizzato che muove l’aria in una direzione permette l’alto livello di attività degli uccelli. E i sacchi d’aria aiutano a regolare la temperatura fornendo un meccanismo per dissipare il calore corporeo in eccesso. Il sistema è un altro esempio della sorprendente biologia degli uccelli.
Questo articolo della rubrica di Eldon Greij “Amazing Birds” è apparso nel numero di marzo/aprile 2014 di BirdWatching.