BIO 101

Animali di ottenere 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 negli alimenti non sono immediatamente accessibili alle cellule. Ci sono una serie di processi che modificano il cibo all’interno del corpo animale al fine di rendere i nutrienti e le molecole organiche accessibili per la 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 varie esigenze dietetiche.

Erbivori, onnivori e carnivori

Gli erbivori sono animali la cui fonte primaria di cibo è a base vegetale. Esempi di erbivori, come mostrato in 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), nectivori (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 in 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 in Figura 2b. I carnivori obbligati sono quelli che si affidano interamente alla carne animale per ottenere i loro nutrienti; esempi di carnivori obbligati sono membri della famiglia dei gatti, come leoni e ghepardi. I carnivori facoltativi sono quelli che mangiano anche cibo non animale oltre al cibo animale. Si noti che non esiste una linea chiara che differenzia i carnivori facoltativi dagli onnivori; i cani sarebbero considerati carnivori facoltativi.

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

Sistemi digestivi vertebrati

I vertebrati hanno evoluto 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 a camera singola

Come suggerisce la parola monogastrico, questo tipo di sistema digestivo è costituito da una camera gastrica (“mono”) (“gastrica”). 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 di cibo. I denti svolgono un ruolo importante nella masticazione (masticazione) o nella rottura fisica del 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 ondulate, i muscoli dell’esofago spingono il cibo verso lo stomaco. Al fine di accelerare le azioni degli enzimi nello stomaco, lo stomaco è un ambiente estremamente acido, con un pH compreso tra 1,5 e 2,5. I succhi gastrici, che includono enzimi nello stomaco, agiscono sulle particelle di cibo e continuano il processo di digestione. Un’ulteriore ripartizione 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; viene immagazzinato fino a quando non viene escreto attraverso il retto.

Avian

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

Nel sistema digestivo aviario, il cibo passa dal raccolto al primo dei due stomaci, chiamato proventricolo, che contiene succhi digestivi che abbattono il cibo. Dal proventricolo, il cibo entra nel secondo stomaco, chiamato ventriglio, che macina il cibo. Alcuni uccelli ingoiano pietre o graniglia, che vengono memorizzati nel ventriglio, per aiutare il processo di macinazione. Gli uccelli non hanno aperture separate per espellere urina e feci. Invece, l’acido urico dai reni viene secreto nell’intestino crasso e combinato con i rifiuti del processo digestivo. Questo rifiuto viene espulso 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. Si sono evoluti sistemi digestivi che li aiutano a digerire grandi quantità di cellulosa. Una caratteristica interessante della bocca dei ruminanti è che non hanno i denti incisivi superiori. Usano i loro denti inferiori, la lingua e le labbra per strappare e masticare il loro cibo. Dalla bocca, il cibo viaggia verso l’esofago e 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. Queste camere contengono molti microbi che abbattono la cellulosa e fermentano il cibo ingerito. La camera gastrica a quattro compartimenti fornisce uno spazio più ampio 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 deve essere eliminata. Come in altri animali, l’intestino tenue svolge un ruolo importante nell’assorbimento dei nutrienti e l’intestino crasso aiuta nell’eliminazione dei rifiuti.

Pseudo-ruminanti

Alcuni animali, come cammelli e alpaca, sono pseudo-ruminanti. Mangiano molto materiale vegetale e foraggio grezzo. Digerire il materiale vegetale non è facile perché le pareti delle cellule vegetali contengono la cellulosa polimerica della molecola di zucchero. Gli enzimi digestivi di questi animali non possono abbattere la cellulosa, ma i microrganismi presenti nel sistema digestivo possono. Pertanto, il sistema digestivo deve essere in grado di gestire grandi quantità di foraggio grezzo e abbattere la cellulosa. Gli pseudo-ruminanti hanno uno stomaco a tre camere nel sistema digestivo. Tuttavia, il loro cieco-un organo a busta all’inizio dell’intestino crasso contenente molti microrganismi necessari per la digestione dei materiali vegetali—è grande ed è il sito in cui 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 viene suddiviso in particelle più piccole per masticazione, l’azione masticatoria dei denti. Tutti i mammiferi hanno i denti e possono masticare il loro cibo.

L’ampio processo chimico di digestione inizia in bocca. Mentre il cibo viene masticato, la saliva, prodotta dalle ghiandole salivari, si mescola con il cibo. La saliva è una sostanza acquosa prodotta nelle bocche di molti animali. Ci sono tre ghiandole principali che secernono la saliva: la parotide, la sottomandibolare e la sublinguale. 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 abbattere i trigliceridi. La lipasi linguale inizia la disgregazione dei componenti grassi nel cibo. L’azione masticatoria e bagnante fornita dai denti e dalla saliva prepara il cibo in una massa chiamata bolo per la deglutizione. La lingua aiuta a deglutire-spostando il bolo dalla bocca nella faringe. La faringe si apre a 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. Durante la deglutizione, l’epiglottide chiude la glottide e il cibo passa nell’esofago e non nella trachea. Questa disposizione consente 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 ingerito. I muscoli lisci dell’esofago subiscono una serie di movimenti ondulati chiamati peristalsi che spingono il cibo verso lo stomaco, come illustrato nella Figura 9. L’onda 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; si svolge in risposta all’atto di deglutizione.

Un muscolo ad anello chiamato sfintere forma 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 del 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 viaggiare fino all’esofago. Molti animali hanno un vero sfintere; tuttavia, negli esseri umani, non esiste un vero sfintere, ma l’esofago rimane chiuso quando non c’è azione di deglutizione. Reflusso acido o” bruciore di stomaco ” si verifica quando i succhi digestivi acidi fuoriescono nell’esofago.

Stomaco

Una gran parte della digestione si verifica nello stomaco, mostrato in Figura 10. Lo stomaco è un organo saclike che secerne succhi gastrici digestivi. Il pH nello stomaco è compreso tra 1,5 e 2,5. Questo ambiente altamente acido è necessario per la scomposizione chimica del cibo e l’estrazione di 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 sito principale per la digestione delle proteine in 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 nello 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, iniziando un meccanismo di feedback positivo che genera più pepsina. Un altro tipo di cellula-le cellule parietali-secernono ioni idrogeno e cloruro, che si combinano nel lume per formare acido cloridrico, il componente acido primario 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 dall’azione di zangolatura dello stomaco. La contrazione e il rilassamento della muscolatura liscia mescolano il contenuto dello stomaco circa ogni 20 minuti. Il cibo parzialmente digerito e la miscela di succo gastrico sono chiamati chimo. Il chimo passa dallo stomaco all’intestino tenue. Ulteriore digestione delle proteine avviene nell’intestino tenue. Lo svuotamento gastrico avviene entro due o sei ore dopo un pasto. Solo una piccola quantità di chimo viene rilasciata nell’intestino tenue alla volta. Il movimento del chimo dallo stomaco nell’intestino tenue è regolato dallo sfintere pilorico.

Quando si digeriscono proteine e alcuni grassi, il rivestimento dello stomaco deve essere protetto dall’essere digerito dalla pepsina. Ci sono due punti da considerare quando si descrive come il rivestimento dello stomaco è protetto. Innanzitutto, come accennato in precedenza, l’enzima pepsina viene sintetizzato nella forma inattiva. Questo protegge le cellule principali, perché il pepsinogeno non ha la stessa funzionalità enzimatica della pepsina. In secondo luogo, lo stomaco ha un rivestimento di muco denso 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 del muco si rompe e non riesce a riformarsi.

Intestino tenue

Il chimo si sposta dallo stomaco all’intestino tenue. L’intestino tenue è l’organo in cui è completata la digestione di proteine, grassi e carboidrati. L’intestino tenue è un lungo organo simile a un tubo con una superficie altamente piegata contenente 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 con cellule epiteliali sul lato luminale e consentono 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 dei nutrienti. I nutrienti assorbiti nel sangue vengono 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, tra cui droghe, 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 consentire al chimo di spostarsi dallo stomaco al duodeno. Nel duodeno, il chimo viene miscelato con 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 dal pancreas, dal fegato e dalla cistifellea, nonché dalle cellule della ghiandola della parete intestinale stessa, 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 abbattere le particelle di cibo nel chimo in glucosio, trigliceridi e aminoacidi. Alcuni digestione chimica del cibo avviene nel duodeno. L’assorbimento degli acidi grassi avviene anche nel duodeno.

La seconda parte dell’intestino tenue è chiamata digiuno, mostrata in Figura 10. Qui, l’idrolisi dei nutrienti viene continuata mentre la maggior parte dei carboidrati e degli amminoacidi vengono assorbiti attraverso il rivestimento intestinale. La maggior parte della digestione chimica e dell’assorbimento dei nutrienti si verifica nel digiuno.

L’ileo, illustrato anche in 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 attraverso movimenti peristaltici del muscolo. L’ileo termina e l’intestino crasso inizia alla valvola ileocecale. L’appendice vermiforme, “simile a un verme”, si trova alla valvola ileocecale. L’appendice dell’uomo 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 elabora il materiale di scarto. L’intestino crasso umano è molto più piccolo di lunghezza rispetto all’intestino tenue ma di diametro maggiore. Ha tre parti: il cieco, il colon e il retto. Il cieco si unisce l’ileo al colon ed è la sacca ricevente per la materia di scarto. Il colon è sede di 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 sigmoideo. 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 primario del retto è quello di conservare le feci fino alla defecazione. Le feci sono azionate usando movimenti peristaltici durante l’eliminazione. L’ano è un’apertura all’estremità del tubo digerente ed è il punto di uscita per il 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 tubo digerente attraverso i quali passa il cibo. Gli organi accessori sono organi che aggiungono secrezioni (enzimi) che catabolizzano il cibo in sostanze nutritive. 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 nell’uomo e svolge un ruolo molto importante nella digestione dei grassi e nel sangue disintossicante. Il fegato produce la bile, un succo digestivo 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 ghiandola importante che secerne i succhi digestivi. Il chimo prodotto dallo stomaco è altamente acido in natura; 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 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.

Riassunto della sezione

Diversi animali hanno evoluto diversi tipi di sistemi digestivi specializzati per soddisfare le loro esigenze alimentari. Gli esseri umani e molti altri animali hanno sistemi digestivi monogastrici con uno stomaco a camera singola. Gli uccelli hanno evoluto un sistema digestivo che include un ventriglio dove il cibo viene schiacciato in pezzi più piccoli. Questo compensa la loro incapacità di masticare. I ruminanti che consumano grandi quantità di materiale vegetale hanno uno stomaco multicamera che digerisce il foraggio grezzo. Gli pseudo-ruminanti hanno processi digestivi simili ai ruminanti ma non hanno lo stomaco a quattro compartimenti. La lavorazione del cibo comporta l’ingestione (mangiare), la digestione (rottura meccanica ed enzimatica di grandi molecole), l’assorbimento (assorbimento cellulare di nutrienti) e l’eliminazione (rimozione di rifiuti non digeriti come feci).

Molti organi lavorano insieme per digerire il cibo e assorbire i nutrienti. La bocca è il punto di ingestione e il luogo in cui inizia la rottura meccanica e chimica del cibo. La saliva contiene un enzima chiamato amilasi che scompone i carboidrati. Il bolo alimentare viaggia attraverso l’esofago con movimenti peristaltici allo stomaco. Lo stomaco ha un ambiente estremamente acido. Un enzima chiamato pepsina digerisce le proteine nello stomaco. Ulteriore digestione e assorbimento avvengono nell’intestino tenue. L’intestino crasso riassorbe l’acqua dal cibo non digerito e immagazzina i rifiuti fino all’eliminazione.