FISIOLOGIA UMANA

FISIOLOGIA UMANA (XV, p. 482)

Negli ultimi decenni si è andata affermando la f. dei sistemi, lo studio, cioè, delle modalità con cui l'attività di organi diversi è regolata, in modo integrato e reciproco, al fine di mantenere costante la composizione materiale e l'energia dell'ambiente interno (volume e osmolarità del sangue, pressione arteriosa, pressione parziale dei gas respiratori e pH del sangue, temperatura corporea, ecc.) oppure al fine di promuovere e controllare la produzione e gli scambi di energia e di lavoro con l'esterno. Non sono mancati, tuttavia, numerosi e importanti contributi riferibili alla f. degli organi e alla f. cellulare.

Hanno trovato utile applicazione, in questa fase, i concetti della "teoria dei sistemi", che descrive i rapporti e le interazioni tra i diversi componenti di macchine o apparati complessi; mentre si sono moltiplicati e approfonditi i punti di contatto tra la biologia e le scienze esatte con il progressivo trasferimento, alla f., dei metodi della chimica, della fisica e della matematica. Data la complessità dell'organizzazione biologica, condizione essenziale, e in una certa misura trainante, in questo processo è stato lo sviluppo del calcolo elettronico.

Enorme impulso ha avuto lo studio delle proprietà delle membrane cellulari, sia nelle cellule eccitabili (nervi e muscoli) sia nelle cellule adibite alla secrezione o al riassorbimento (cellule delle ghiandole esocrine, dei tubuli renali, dell'epitelio intestinale). Sostanziale è stato l'apporto delle tecniche microfisiologiche, tra cui quella di registrazione dei fenomeni elettrici di membrana per mezzo di microelettrodi intracellulari. Questo approccio ha consentito di scoprire come le membrane cellulari posseggano sia caratteri di permeabilità ionica selettiva sia la capacità di trasportare contro gradiente elettrochimico alcune specie di ioni. Queste proprietà delle membrane fanno sì che tra ambiente intra- ed extracellulare si mantenga un dislivello energetico che è misurabile, sotto forma di differenza di potenziale, in alcune decine di mV. La membrana cellulare è perciò, insieme, un generatore e un accumulatore di energia elettrochimica che è utilizzata per sostenere gli scambi di acqua, ioni, e sostanze organiche tra le cellule e l'ambiente, e, nelle cellule eccitabili, per generare e trasmettere informazioni.

Almeno comparabile, e in parte sovrapposta, è stata l'espansione della neurofisiologia (v. nervoso, sistema: Fisiologia, in questa App.).

L'analisi della funzione muscolare (v. muscolare, sistema, App. II, 11, p. 371; App. III, 11, p. 178) è progredita sino a livello molecolare, moltiplicando le osservazioni sulle proprietà biofisiche delle proteine contrattili, sulle loro modificazioni meccaniche durante la contrazione, sui meccanismi di attivazione della contrazione.

Il potenziale d'azione muscolare, generato a livello della placca motrice, si propaga lungo sottili introflessioni a dito di guanto della membrana cellulare che penetrano nell'intimo della cellula. Qui il potenziale d'azione provoca la liberazione di ioni calcio dai depositi intracellulari (speciali "cisterne" del reticolo endoplasmatico) in cui sono contenuti. Gli ioni calcio, a loro volta, attivano lo scorrimento, gli uni sugli altri, dei filamenti di actina e miosina di ogni sarcomero. L'energia necessaria è fornita dalla scissione dell'ATP (adenosintrifosfato). Moltiplicato per il numero di sarcomeri di una fibra muscolare, questo effetto si traduce nell'accorciamento della fibra. Nel rilasciamento, che è automatico se non intervengono altri comandi nervosi, il calcio viene recuperato nei depositi e l'ATP resintetizzato a spese del metabolismo. La struttura base e le proprietà fondamentali delle proteine contrattili del muscolo si sono ritrovate a sostegno di altri tipi di movimento cellulare (trasporto dei secreti, movimenti ciliari, movimenti degli organuli intracellulari).

Di notevole interesse, sia pure in fase ancora iniziale, sono le ricerche sulla meccanica degli orologi biologici che segnano il tempo delle oscillazioni periodiche (dette circadiane se di periodo prossimo alle 24 ore) di molte funzioni fisiologiche come il ritmo sonno-veglia, la regolazione della temperatura corporea, la secrezione ormonale e la sensibilità ai farmaci.

Promettenti, soprattutto per i riflessi clinici, sono infine gli studi sul controllo cosciente delle funzioni neurovegetative. Tali esperienze si fondano sulla possibilità, ormai ben documentata, di poter modificare parametri della vita vegetativa quali la pressione arteriosa oppure la motilità viscerale o il ritmo cardiaco, semplicemente attraverso il loro rilievo strumentale continuo, accompagnato dallo sforzo volontario d'influenzarli (tecniche di bio-feedback).

Per quanto riguarda la circolazione del sangue l'analisi reologica ha dimostrato che la viscosità sanguigna, variabile in rapporto alla velocità di scorrimento, dipende anche dal contenuto in globuli rossi, dalla loro rigidità (che aumenta con l'anossia, con l'acidosi e nelle malattie da emoglobine anomale) nonché dal contenuto plasmatico in fibrinogeno (che aumenta in tutte le malattie infettive e neoplastiche). L'azione combinata di questi fattori può condizionare, a livello della microcircolazione capillare, aumenti anche notevoli della viscosità del sangue, che possono rallentarne il moto e favorire la trombosi intravasale e l'arresto locale del flusso. La circolazione linfatica è stata rivalutata come via preferenziale (soprattutto nel distretto polmonare) per il drenaggio del liquido interstiziale, sostenuto da contrazioni attive della parete dei vasi (pompa linfatica). Sempre nell'ambito dell'apparato circolatorio sono stati descritti gli speciali caratteri di alcuni distretti vascolari. La circolazione coronarica è caratterizzata, per es., dall'arresto del flusso durante la sistole e dall'elevata estrazione dell'ossigeno dal sangue anche in condizioni di riposo. Dell'attività cardiaca sono stati chiariti i meccanismi, per la massima parte neurogeni, che garantiscono l'aumento della forza, della velocità e della frequenza delle contrazioni del cuore durante lo sforzo. Lo sviluppo delle tecniche elettrofisiologiche ha favorito l'analisi sia dei fenomeni di autoritmicità delle cellule pacemakers (segnapassi) del tessuto avviatore primario, sia della propagazione dell'eccitazione al miocardio contrattile.

Benché composto da cellule muscolari distinte, il miocardio si comporta funzionalmente come un sincizio, in cui la propagazione dell'eccitazione da cellula a cellula avviene per via diretta, elettrica, invece che per liberazione di mediatori chimici come nella trasmissione sinaptica. I progressi compiuti in questi settori hanno aperto la strada alla realizzazione delle "unità di cura intensiva", alle tecniche di stimolazione diretta del miocardio (pacemakers artificiali) per la cura delle malattie del tessuto di conduzione specifico, e alla chirurgia sul cuore aperto.

Dagli studi sulla meccanica respiratoria sono emerse: l'importanza della tensione superficiale dell'interfaccia aria-alveoli nel determinare le caratteristiche meccaniche del sistema respiratorio, nonché la funzione equilibratrice dell'espansione alveolare svolta da speciali sostanze tensioattive secrete dalle cellule di rivestimento degli alveoli. L'assenza di tali sostanze sarebbe la causa della "malattia delle membrane ialine" del neonato immaturo. Sempre nell'ambito della f. respiratoria, si è determinato come le strutture nervose del tronco encefalico deputate alla regolazione del respiro elaborino sia le informazioni provenienti dai meccanorecettori polmonari sia le informazioni relative alla pressione parziale dei gas respiratori, al pH del sangue e del liquido cefalo-rachidiano. Queste ultime provengono da chemo-recettori periferici situati nei glomi carotidei e aortici (i quali, durante l'ipossia cronica, produrrebbero anche un ormone emopoietostimolante) e da recettori centrali situati sulla superficie laterale del tronco dell'encefalo.

Dalle stime sull'efficacia relativa dei diversi tipi d'informazione, si è potuto concludere che il sistema di regolazione respiratoria è tarato per correggere con prontezza ogni deviazione della pressione parziale del CO₂ dai valori fisiologici (40 mm Hg nel sangue arterioso) e per opporsi alle modificazioni del pH. Il sistema è invece meno sensibile all'ipossia, che diventa stimolo potente per la ventilazione soltanto quando la pressione parziale dell'O₂ nel sangue arterioso scende a valori minimi.

Acquisizioni di grande rilievo concettuale e applicativo sono il frutto di complesse ricerche nell'ambito dell'endocronologia (v. ormone, in questa App.).

Lo studio della funzione renale è progredito attraverso l'analisi del trasporto di acqua, ioni e sostanze organiche attraverso l'epitelio tubulare. In particolare, si è riconosciuta l'importanza del trasporto attivo di ioni da parte della membrana esterna delle cellule tubulari in rapporto sia al recupero massivo di sodio, cloro e acqua filtrati dal glomerulo, sia alla secrezione di ioni potassio e idrogeno, scambiati con il sodio. Tali trasporti ionici sono regolati, attraverso la secrezione degli ormoni mineraloattivi della corteccia surrenale, in modo da mantenere costanti le concentrazioni degli ioni stessi nei liquidi extracellulari.

Il filtrato glomerulare (circa 150 litri al giorno) è riassorbito per l'80% nei tubuli prossimali, con il meccanismo sopra detto. L'acqua rimanente, salvo la quota persa con le orine (1-2 litri al giorno) è riassorbita nei tubuli distali e nei dotti collettori. Una porzione peculiare del tubulo renale, l'ansa di Henle, grazie alla sua struttura anatomica e ai caratteri funzionali delle cellule che la rivestono, opera come un moltiplicatore a controcorrente e mantiene un nucleo di iperosmoticità nell'interstizio delle papille renali. Qui la concentrazione dei soluti è 4 volte superiore a quella del plasma e della preorina. In presenza di ormone antidiuretico, che permeabilizza all'acqua le pareti dei tubuli distali e dei collettori, l'acqua endotubulare è attirata nell'interstizio iperosmotico e recuperata all'organismo mentre l'orina viene concentrata.

Entrambi i tipi di riassorbimento sono regolati per via ormonale e inseriti nei sistemi di controllo del volume dei liquidi extracellulari e della concentrazione dei soluti in essi disciolti.

Le variazioni della osmolarità (normalmente 300 milliOsmoli/litro) sono registrate da specifici recettori ipotalamici. La modulazione dell'attività dei recettori si riflette in variazioni proporzionali della neurosecrezione di ADH e, in definitiva, nel risparmio ovvero nell'eliminazione di acqua, ma non di soluti, da parte del rene; con il risultato finale di opporsi alla variazione originaria. Anche le variazioni del volume del sangue, segnalate da recettori situati nella parete delle grosse vene e degli atrii, vengono contrastate da variazioni inversamente proporzionali della secrezione di ADH. Le modificazioni del volume plasmatico attivano anche un secondo meccanismo per il recupero (o l'espulsione) di liquido isotonico invece che di sola acqua. Una caduta del volume plasmatico si riflette in una diminuzione della pressione nell'arteria renale, che induce un aumento della liberazione di renina-angiotensina. Quest'ultima stimola l'increzione di corticosteroidi mineraloattivi i quali accelerano il riassorbimento di sodio nel tubulo prossimale e incrementano così il recupero di liquido isotonico. L'opposto, culminante in una diuresi iso-osmotica, avviene in seguito all'aumento del volume del plasma. Parallelamente alla regolazione renale, entrambi i sistemi provvedono a modificare l'apporto idrico, modulando l'intensità della sete.

Il ruolo del rene nella regolazione dell'equilibrio acido-base è stato approfondito mettendo in evidenza come la secrezione renale di ioni idrogeno possa essere favorita dall'aumento della sintesi e della secrezione tubulare dell'ammoniaca.

Dagli studi di f. renale sono derivati concetti e metodi di grande utilità clinica, come quelli delle clearances, che permettono la misura del flusso di filtrazione glomerulare e del flusso plasmatico renale; nonché gl'indirizzi per la realizzazione di macchine capaci di vicariare la funzione renale (v. emodialisi extracorporea, in questa App.).

Bibl.: W. B. Mountcastle, Medical Physiology, St. Louis 1974¹³; G. Morin, Physiologie du system nerveux, Parigi 1974; T. C. Ruch, H. D. Patton, Physiology and Biophysics, Phyladelphia 1975²⁰; G. Moruzzi, Fisiologia della vita di relazione, Torino 1975.