Circulația

Circulația este funcția de nutriție prin care substanțele nutritive, gazele respiratorii, produșii de excreție și alte substanțe sunt transportate în interiorul organismului. La plante, transportul se face prin țesuturile conducătoare; la animale, prin lichide circulante (hemolimfă, sânge, limfă), puse în mișcare de inimă.

Circulația la plante

Plantele nu au inimă și vase de sânge, ci țesuturi conducătoare: xilemul (lemnul), prin care circulă seva brută, și floemul (liberul), prin care circulă seva elaborată. Cele două țesuturi alcătuiesc împreună fasciculele conducătoare.

Absorbția apei și a sărurilor minerale

Plantele absorb apa din sol mai ales prin perișorii absorbanți ai rădăcinii. Aceștia sunt prelungiri ale celulelor epidermei din zona piliferă și măresc mult suprafața de absorbție. Apa pătrunde în rădăcină în principal prin osmoză, deoarece sucul celular al perișorilor este mai concentrat decât soluția solului, apoi trece din celulă în celulă până la vasele lemnoase.

Sărurile minerale sunt absorbite sub formă de ioni, prin difuziune sau prin transport activ, cu consum de energie, independent de absorbția apei.

Transportul sevei brute (seva ascendentă)

Seva brută este o soluție diluată de apă și săruri minerale absorbite din sol. Ea circulă prin vasele lemnoase (xilem), de la rădăcină spre frunze, adică de jos în sus.

Mecanismele transportului ascendent

1. Presiunea radiculară: celulele rădăcinii absorb activ ionii minerali, iar apa le urmează prin osmoză; rădăcina împinge astfel seva brută în vase, dar numai pe distanțe mici. Dovezi ale presiunii radiculare sunt lăcrimarea (scurgerea sevei din tulpina tăiată, de exemplu la vița-de-vie primăvara) și gutația (eliminarea apei sub formă de picături la vârful sau pe marginea frunzelor).
2. Forța de sucțiune a frunzelor: prin transpirație, frunzele pierd apă sub formă de vapori, iar în vasele lemnoase se creează o forță de aspirare (o tensiune) care trage seva în sus. Este principalul mecanism al transportului ascendent, mai ales la arbori.
3. Forțele de coeziune și adeziune: moleculele de apă sunt atrase între ele prin legături de hidrogen (coeziune) și aderă la pereții vaselor (adeziune), așa că în vase se menține o coloană continuă de apă, pe care forța de sucțiune o poate trage până la frunze.
4. Capilaritatea: contribuie la urcarea apei în vasele foarte subțiri, dar efectul ei este limitat la câțiva centimetri.

Structura xilemului

Xilemul este alcătuit din:

• Trahee (vase perfecte): tuburi continue formate din celule moarte, cu pereți lignificați, ai căror pereți transversali au dispărut
• Traheide (vase imperfecte): celule moarte, alungite, cu pereți lignificați, care își păstrează pereții transversali; apa trece de la o celulă la alta prin punctuații
• Fibre lemnoase: au rol de susținere
• Parenchim lemnos: celule vii, cu rol de depozitare

Transportul sevei elaborate

Seva elaborată este o soluție de substanțe organice (în principal zaharoză, dar și aminoacizi și hormoni vegetali) produse în frunze prin fotosinteză. Ea circulă prin vasele liberiene (floem), de la frunze (organele producătoare) spre organele consumatoare sau de depozitare (rădăcini, fructe, semințe, muguri, vârfurile de creștere). De aceea, seva elaborată poate circula atât în jos, cât și în sus.

Mecanismul transportului: teoria fluxului sub presiune (Münch)

Teoria propusă de Ernst Münch explică transportul prin floem (pentru aprofundare):

1. În frunze: zaharoza produsă prin fotosinteză este introdusă activ în tuburile ciuruite. Concentrația ridicată de zaharoză atrage apa prin osmoză din xilemul vecin, iar presiunea din tuburi crește.
2. În organele consumatoare (rădăcini, fructe): zaharoza este scoasă din tuburile ciuruite și consumată sau depozitată. Concentrația scade, apa iese prin osmoză, iar presiunea scade.
3. Curgerea sevei: diferența de presiune dintre cele două capete determină curgerea continuă a sevei elaborate prin tuburile ciuruite, dinspre zona cu presiune mare spre cea cu presiune mică.

Structura floemului

Floemul este alcătuit din:

• Tuburi ciuruite: celule vii, alungite, cu pereții transversali perforați (plăci ciuruite), prin care trece seva; la maturitate își pierd nucleul și majoritatea organitelor
• Celule anexe: celule vii, cu nucleu și multe mitocondrii, care furnizează energia necesară încărcării și descărcării zaharozei
• Fibre liberiene: au rol de susținere
• Parenchim liberian: celule vii, cu rol de depozitare

Comparație între xilem și floem

Circulația la animale

La animale, sistemul circulator transportă oxigenul, substanțele nutritive, hormonii și produșii de excreție în tot corpul. Există două tipuri principale de sisteme circulatorii: deschis și închis.

Sistemul circulator deschis

În sistemul circulator deschis, lichidul circulant, numit hemolimfă, nu rămâne tot timpul în vase. Inima pompează hemolimfa în vase scurte, din care aceasta se revarsă în lacune (spații din cavitatea corpului) și scaldă direct organele. Schimburile de substanțe au loc direct între hemolimfă și celule. Hemolimfa revine apoi în inimă prin niște orificii numite ostiole.

Caracteristici:

• presiune scăzută
• circulație lentă
• la insecte, hemolimfa transportă puțin oxigen, deoarece aerul ajunge direct la celule prin trahee
• volum mare de hemolimfă

Exemple de animale cu sistem circulator deschis:

• Artropodele: insectele (greierele, albina, fluturele), crustaceele (racul, crabul), arahnidele (păianjenul)
• Majoritatea moluștelor: melcul, scoica (excepție fac cefalopodele, care au sistem închis)

La insecte, inima este un tub dorsal împărțit în mai multe camere, care pompează hemolimfa spre partea anterioară a corpului. Hemolimfa scaldă organele din cavitatea corpului (hemocel) și revine în inimă prin ostiole.

Sistemul circulator închis

În sistemul circulator închis, sângele circulă tot timpul în vase de sânge (artere, capilare, vene) și nu vine în contact direct cu celulele. Schimburile de substanțe au loc la nivelul capilarelor, prin pereții lor foarte subțiri.

Caracteristici:

• presiune ridicată
• circulație rapidă și eficientă
• transport eficient al oxigenului (la vertebrate, prin hemoglobina din hematii)
• volum de sânge mai mic decât volumul hemolimfei din sistemele deschise

Exemple de animale cu sistem circulator închis:

• Anelidele: râma (Lumbricus terrestris) are un vas dorsal și unul ventral, legate prin vase inelare; cinci perechi de vase inelare din partea anterioară sunt contractile și funcționează ca niște inimi
• Cefalopodele: caracatița, calmarul, cu trei inimi (una care pompează sângele în corp și două care îl pompează spre branhii)
• Toate vertebratele: peștii, amfibienii, reptilele, păsările, mamiferele

Evoluția sistemului circulator la vertebrate

Sistemul circulator al vertebratelor a devenit treptat mai eficient:

Pești: inimă cu 2 camere (1 atriu și 1 ventricul), prin care trece doar sânge neoxigenat; circulație simplă, cu un singur circuit (inimă → branhii → corp → inimă), deci sângele trece o singură dată prin inimă la o parcurgere completă.

Amfibieni: inimă cu 3 camere (2 atrii și 1 ventricul); circulație dublă și incompletă, deoarece sângele oxigenat și cel neoxigenat se amestecă parțial în ventricul.

Reptile: inimă cu 3 camere, cu un sept incomplet în ventricul (excepție fac crocodilii, cu 4 camere); circulație dublă și incompletă, cu amestec redus de sânge.

Păsări și mamifere: inimă cu 4 camere (2 atrii și 2 ventricule), complet separate; circulație dublă și completă, fără amestec între sângele oxigenat și cel neoxigenat. Astfel, organele primesc mult oxigen, necesar metabolismului intens al animalelor homeoterme.

Sângele

Sângele face parte din mediul intern al organismului, alături de limfă și de lichidul interstițial. El este format din plasmă și elemente figurate:

• Plasma (aproximativ 55% din volumul sângelui) conține circa 90% apă, în care sunt dizolvate proteine (albumine, globuline, fibrinogen), glucoză, lipide, săruri minerale, hormoni și produși de excreție.
• Hematiile (eritrocitele, globulele roșii), circa 4,5–5 milioane/mm³, sunt la mamifere celule fără nucleu, în formă de disc biconcav, încărcate cu hemoglobină, proteina cu fier care transportă oxigenul.
• Leucocitele (globulele albe), câteva mii/mm³, sunt celule cu nucleu care apără organismul prin fagocitoză și prin reacții imunitare.
• Trombocitele (plachetele sanguine), circa 150 000–300 000/mm³, sunt fragmente celulare fără nucleu care participă la coagularea sângelui.

Sistemul circulator la mamifere

La mamifere, sistemul circulator este format din inimă și vase de sânge:

• Inima se află în cavitatea toracică, între plămâni, și are patru camere. Atriul drept primește sângele neoxigenat prin venele cave, iar ventriculul drept îl pompează în trunchiul pulmonar. Atriul stâng primește sângele oxigenat prin venele pulmonare, iar ventriculul stâng, cu peretele cel mai gros, îl pompează în aortă. Între atrii și ventricule se află valvele atrioventriculare (tricuspidă în dreapta, bicuspidă în stânga), iar la ieșirea arterelor din ventricule, valvele semilunare; ele asigură circulația sângelui într-un singur sens.
• Arterele duc sângele de la inimă spre organe, venele îl aduc înapoi la inimă, iar capilarele fac legătura dintre ele și permit schimburile cu țesuturile.

Sângele parcurge două circuite:

• Circulația mică (pulmonară): ventriculul drept → trunchiul pulmonar → plămâni, unde sângele se oxigenează → venele pulmonare → atriul stâng
• Circulația mare (sistemică): ventriculul stâng → aorta → organe → venele cave → atriul drept

Bolile sistemului circulator din programă sunt varicele, ateroscleroza, hipertensiunea arterială, infarctul miocardic și accidentul vascular cerebral.

Comparație între sistemul circulator deschis și închis

Transportul sevelor la plante, compoziția sângelui și circulația la mamifere sunt teme importante ale funcțiilor de nutriție și apar des în subiectele de Bacalaureat.