La funzione principale dell'apparato respiratorio è di arricchire il sangue di ossigeno O2 e di eliminare l'anidride carbonica CO2. Esso contribuisce anche al mantenimento del PH del sangue (vedi il (**) nel § Introduzione del Sistema Cardiocircolatorio). I principali stadi implicati nel passaggio di O2 dalla atmosfera ai tessuti dell'individuo sono:
- ventilazione dell'alveolo polmonare. Poichè l'alveolo si trova all'interno del corpo (lontano dall'atmosfera) è necessario ricambiare attivamente l'aria negli alveoli. Questa attività si chiama ventilazione, mentre è improprio chiamarla respirazione.
- diffusione, ossia passaggio di O2 dall'alveolo al capillare e passaggio di CO2 dal capillare all'alveolo, avviene passivamente
- accoppiamento ventilazione/ flusso ematico: gli alveoli, oltre che ventilati, devono essere anche irrorati. Esistono però anche situazioni (non patologiche) nelle quali si può avere sono ventilazione o solo irrorazione.
- trasferimento di sostanze dai capillari alle cellule e viceversa, ciò avviene passivamente.
Durante lo studio dell'apparato respiratorio è bene ricordare che gli scambi respiratori sono passivi, ossia avvengono in seguito a determinate variazioni di pressione, mentre il trasporto dei gas (O2 e CO2) avviene attivamente. Tutti i meccanismi degli scambi respiratori possono essere descritti da alcune leggi dei gas, tra le quali:
- la legge dei gas ideali: Pressione * Volume = numero di moli * R (costante) * Temperatura - la legge di Dalton: pressione parziale = frazione molare * pressione totale, pi = xi * P - la legge di Henry: la concentrazione di un gas x disciolto in un liquido è direttamente proporzionale alla pressione del gas x soprastante il liquido.
La ventilazione polmonare
I polmoni non sono in grado di muovesti autonomamente. La cassa toracica ed i muscoli respiratori* hanno il compito di contrarre e distendere i polmoni. La cassa toracica è costituita da uno scheletro osseo (parte della colonna vertebrale, costole e sterno, quest'ultimo cartilagineo). Lo spazio intercostale è chiuso da muscoli intercostali, la parte inferiore è chiusa dal diaframma, quella superiore dai muscoli del collo, della trachea, dall'esofago e dai fasci vascolosi. L'unica apertura della cassa toracica è costituita dalla trachea.
(*) I muscoli respiratori possono essere divisi in muscoli obbligatori (vitali ) della ventilazione e accessori (non vitali). Fanno parte del primo gruppo il diaframma e gli intercostali. Fanno parte del secondo tutti i muscoli con una inserzione sulla gabbia toracica.
Il diaframma è necessario alla inspirazione, mentre non prende parte al processo di espirazione. E' formato da una lamina sottile, ed è inserito nella parte bassa della gabbia toracica. Ha la forma di una cupola rivolta verso l'alto, e centralmente possiede una zona tendinea, detta centro frenico, attraversata dall'esofago, dai grandi vasi eccetera. Il diaframma è innervato dal nervo frenico, che origina dai primi segmenti cervicali (i nervi dei muscoli intercostali invece escono dal midollo all'altezza dei muscoli stessi).
Il diaframma, nella ventilazione normale (eupnoica) contraendosi si abbassa di 2-3 cm, consentendo così un aumento del volume della cassa toracica pari a 250 ml circa.
Nella ventilazione il compito dei muscoli intercostali è quello di muovere le costole. Le costole sono articolate posteriormente con le vertebre, e anteriormente con lo sterno, e sono orientate verso l'avanti e verso il basso. L'articolazione costola-vertebra è una doppia articolazione, ossia una articolazione che permette quattro movimenti, che avvengono a due a due sempre insieme: apertura (= espansione toracica)/innalzamento e chiusura/abbassamento. Questi movimenti sono resi possibili dai muscoli intercostali e dal fatto che lo sterno è costituito da cartilagine, cosicché la parte anteriore delle costole risulta parzialmente mobile. I muscoli intercostali esterni sono responsabili dell'innalzamento delle costole, durante l'inspirazione, mentre gli intercostali interno sono responsabili dell'abbassamento delle costole, durante l'espirazione (ma come vedremo nel prossimo paragrafo il loro compito è solo parziale).