Digestione

I sistemi digestivi hanno molte forme. C’è una distinzione fondamentale tra digestione interna ed esterna. La digestione esterna si è sviluppata prima nella storia evolutiva, e la maggior parte dei funghi fa ancora affidamento su di essa. In questo processo, gli enzimi sono secreti nell’ambiente che circonda l’organismo, dove scompongono un materiale organico, e alcuni dei prodotti si diffondono di nuovo nell’organismo. Gli animali hanno un tubo (tratto gastrointestinale) in cui avviene la digestione interna, che è più efficiente perché più prodotti scomposti possono essere catturati, e l’ambiente chimico interno può essere controllato in modo più efficiente.

Alcuni organismi, compresi quasi tutti i ragni, semplicemente secernono biotossine e sostanze chimiche digestive (ad esempio, enzimi) nell’ambiente extracellulare prima di ingerire la conseguente “zuppa”. In altri, una volta che i potenziali nutrienti o il cibo sono all’interno dell’organismo, la digestione può essere condotta in una vescicola o in una struttura simile a un sacco, attraverso un tubo, o attraverso diversi organi specializzati volti a rendere più efficiente l’assorbimento dei nutrienti.

Disegno schematico della coniugazione batterica. 1- La cellula donatrice produce il pilus. 2- Il pilus si attacca alla cellula ricevente, unendo le due cellule. 3- Il plasmide mobile viene intaccato e un singolo filamento di DNA viene trasferito alla cellula ricevente. 4- Entrambe le cellule ricircolano i loro plasmidi, sintetizzano secondi filamenti e riproducono i pili; entrambe le cellule sono ora donatori vitali.

Sistemi di secrezione

I batteri usano diversi sistemi per ottenere nutrienti da altri organismi negli ambienti.

Sistema di trasporto a canali

In un sistema di trasporto a canali, diverse proteine formano un canale contiguo che attraversa le membrane interne ed esterne dei batteri. Si tratta di un sistema semplice, che consiste solo di tre subunità proteiche: la proteina ABC, la proteina di fusione di membrana (MFP) e la proteina di membrana esterna (OMP). Questo sistema di secrezione trasporta varie molecole, da ioni, farmaci, a proteine di varie dimensioni (20-900 kDa). Le molecole secrete variano in dimensione dal piccolo peptide V di Escherichia coli, (10 kDa) alla proteina di adesione cellulare LapA di Pseudomonas fluorescens di 900 kDa.

Siringa molecolare

Un sistema di secrezione di tipo III significa che viene utilizzata una siringa molecolare attraverso la quale un batterio (ad esempio alcuni tipi di Salmonella, Shigella, Yersinia) può iniettare nutrienti nelle cellule protiste. Uno di questi meccanismi è stato scoperto per la prima volta in Y. pestis e ha dimostrato che le tossine possono essere iniettate direttamente dal citoplasma batterico nel citoplasma delle cellule del suo ospite piuttosto che essere semplicemente secrete nel mezzo extracellulare.

Macchina di coniugazione

La macchina di coniugazione di alcuni batteri (e flagelli archei) è capace di trasportare sia DNA che proteine. È stato scoperto nell’Agrobacterium tumefaciens, che utilizza questo sistema per introdurre il plasmide Ti e le proteine nell’ospite, che sviluppa il fiele della corona (tumore). Il complesso VirB di Agrobacterium tumefaciens è il sistema prototipico.

Le rizobie fissatrici di azoto sono un caso interessante, dove gli elementi coniugativi si impegnano naturalmente nella coniugazione inter-kingdom. Elementi come i plasmidi Ti o Ri di Agrobacterium contengono elementi che possono essere trasferiti alle cellule vegetali. I geni trasferiti entrano nel nucleo delle cellule vegetali e trasformano efficacemente le cellule vegetali in fabbriche per la produzione di opine, che i batteri usano come fonte di carbonio e di energia. Le cellule vegetali infettate formano tumori della corona o delle radici. I plasmidi Ti e Ri sono quindi endosimbionti dei batteri, che a loro volta sono endosimbionti (o parassiti) della pianta infetta. Il trasferimento di Ti e Ri tra i batteri utilizza un sistema indipendente (l’operone tra, o di trasferimento) da quello per il trasferimento inter-kingdom (l’operone vir, o di virulenza). Tale trasferimento crea ceppi virulenti da Agrobacteria precedentemente avirulenti.

Rilascio di vescicole di membrana esterna

In aggiunta all’uso dei complessi multiproteici elencati sopra, i batteri Gram-negativi possiedono un altro metodo per il rilascio di materiale: la formazione di vescicole di membrana esterna. Porzioni della membrana esterna si staccano, formando strutture sferiche fatte di un bilayer lipidico che racchiude materiali periplasmatici. Le vescicole di un certo numero di specie batteriche sono state trovate per contenere fattori di virulenza, alcune hanno effetti immunomodulatori, e alcune possono aderire direttamente alle cellule ospiti e intossicarle. Mentre il rilascio di vescicole è stato dimostrato come una risposta generale alle condizioni di stress, il processo di caricamento delle proteine di carico sembra essere selettivo.

Venus Flytrap (Dionaea muscipula) leaf

Cavità gastrovascolare

La cavità gastrovascolare funziona come uno stomaco sia nella digestione che nella distribuzione dei nutrienti a tutte le parti del corpo. La digestione extracellulare avviene all’interno di questa cavità centrale, che è rivestita dal gastroderma, lo strato interno dell’epitelio. Questa cavità ha solo un’apertura verso l’esterno che funziona sia come bocca che come ano: i rifiuti e la materia non digerita vengono espulsi attraverso la bocca/ano, che può essere descritto come un intestino incompleto.

In una pianta come la Venus Flytrap che può produrre il proprio cibo attraverso la fotosintesi, non mangia e digerisce le sue prede per i tradizionali obiettivi di raccolta di energia e carbonio, ma estrae le prede principalmente per i nutrienti essenziali (azoto e fosforo in particolare) che sono in carenza nel suo habitat paludoso e acido.

Trofozoiti di Entamoeba histolytica con eritrociti ingeriti

Fagosoma

Un fagosoma è un vacuolo formato attorno a una particella assorbita per fagocitosi. Il vacuolo è formato dalla fusione della membrana cellulare intorno alla particella. Un fagosoma è un compartimento cellulare in cui i microrganismi patogeni possono essere uccisi e digeriti. Phagosomes fuse with lysosomes in their maturation process, forming phagolysosomes. In humans, Entamoeba histolytica can phagocytose red blood cells.

Specialised organs and behaviours

To aid in the digestion of their food, animals evolved organs such as beaks, tongues, radulae, teeth, crops, gizzards, and others.

Beaks

Birds have bony beaks that are specialised according to the bird’s ecological niche. For example, macaws primarily eat seeds, nuts, and fruit, using their beaks to open even the toughest seed. First they scratch a thin line with the sharp point of the beak, then they shear the seed open with the sides of the beak.

The mouth of the squid is equipped with a sharp horny beak mainly made of cross-linked proteins. Viene utilizzato per uccidere e fare a pezzi la preda. Il becco è molto robusto, ma non contiene minerali, a differenza dei denti e delle mascelle di molti altri organismi, comprese le specie marine. Il becco è l’unica parte indigesta del calamaro.

Lingua

La lingua è un muscolo scheletrico sul pavimento della bocca della maggior parte dei vertebrati, che manipola il cibo per masticare (masticazione) e deglutire (deglutizione). È sensibile e mantenuta umida dalla saliva. La parte inferiore della lingua è coperta da una membrana mucosa liscia. La lingua ha anche un senso tattile per localizzare e posizionare le particelle di cibo che richiedono ulteriore masticazione. La lingua è utilizzata per arrotolare le particelle di cibo in un bolo prima di essere trasportate nell’esofago attraverso la peristalsi.

La regione sublinguale sotto la parte anteriore della lingua è un luogo dove la mucosa orale è molto sottile, e sotto un plesso di vene. Questa è una posizione ideale per introdurre alcuni farmaci nel corpo. La via sublinguale sfrutta la qualità altamente vascolare della cavità orale, e permette la rapida applicazione di farmaci nel sistema cardiovascolare, bypassando il tratto gastrointestinale.

Denti

I denti (dente singolare) sono piccole strutture biancastre che si trovano nelle mascelle (o bocche) di molti vertebrati e sono usati per strappare, raschiare, mungere e masticare il cibo. I denti non sono fatti di osso, ma piuttosto di tessuti di varia densità e durezza, come smalto, dentina e cemento. I denti umani hanno un apporto di sangue e nervi che permette la propriocezione. Questa è l’abilità della sensazione durante la masticazione, per esempio se dovessimo mordere qualcosa di troppo duro per i nostri denti, come un piatto scheggiato misto a cibo, i nostri denti mandano un messaggio al nostro cervello e ci rendiamo conto che non può essere masticato, così smettiamo di provare.

Le forme, le dimensioni e il numero dei tipi di denti degli animali sono legati alle loro diete. Per esempio, gli erbivori hanno un certo numero di molari che servono a macinare la materia vegetale, che è difficile da digerire. I carnivori hanno denti canini che sono usati per uccidere e strappare la carne.

Crop

Un crop, o croup, è una porzione espansa a parete sottile del tratto alimentare usata per la conservazione del cibo prima della digestione. In alcuni uccelli è una sacca muscolare espansa vicino all’esofago o alla gola. Nei colombi e nei piccioni adulti, il gozzo può produrre latte di gozzo per nutrire gli uccelli appena nati.

Alcuni insetti possono avere un gozzo o un esofago allargato.

Illustrazione approssimativa dell’apparato digerente dei ruminanti

Abomaso

Gli erbivori hanno evoluto il cieco (o l’abomaso nel caso dei ruminanti). I ruminanti hanno uno stomaco anteriore con quattro camere. Queste sono il rumine, il reticolo, l’omaso e l’abomaso. Nelle prime due camere, il rumine e il reticolo, il cibo è mescolato con la saliva e si separa in strati di materiale solido e liquido. I solidi si raggruppano per formare il cud (o bolo). Il cud viene poi rigurgitato, masticato lentamente per mescolarlo completamente con la saliva e per rompere la dimensione delle particelle.

Le fibre, specialmente la cellulosa e l’emicellulosa, sono principalmente scomposte in acidi grassi volatili, acido acetico, acido propionico e acido butirrico in queste camere (il reticolo-rumeno) da microbi: (batteri, protozoi e funghi). Nell’omaso, l’acqua e molti degli elementi minerali inorganici sono assorbiti nel flusso sanguigno.

L’abomaso è il quarto e ultimo comparto dello stomaco nei ruminanti. È un equivalente stretto di uno stomaco monogastrico (ad esempio, quelli degli esseri umani o dei maiali), e il digestato viene elaborato qui in modo molto simile. Serve principalmente come sito per l’idrolisi acida delle proteine microbiche e alimentari, preparando queste fonti proteiche per un’ulteriore digestione e assorbimento nell’intestino tenue. Il digestato viene infine spostato nell’intestino tenue, dove avviene la digestione e l’assorbimento dei nutrienti. Anche i microbi prodotti nel reticolo-rumore vengono digeriti nell’intestino tenue.

Una mosca della carne che “soffia una bolla”, forse per concentrare il suo cibo facendo evaporare l’acqua

Comportamenti specializzati

Il rigurgito è stato menzionato sopra sotto abomaso e raccolto, riferendosi al latte di gozzo, una secrezione del rivestimento del gozzo di piccioni e colombe con cui i genitori nutrono i loro piccoli per rigurgito.

Molti squali hanno la capacità di rivoltare lo stomaco e di estrarlo dalla bocca per liberarsi del contenuto indesiderato (forse sviluppato come un modo per ridurre l’esposizione alle tossine).

Altri animali, come conigli e roditori, praticano comportamenti di coprofagia – mangiare feci specializzate per ridigerire il cibo, specialmente nel caso di foraggio grezzo. Capibara, conigli, criceti e altre specie affini non hanno un sistema digestivo complesso come fanno, per esempio, i ruminanti. Invece estraggono più nutrimento dall’erba dando al loro cibo un secondo passaggio attraverso l’intestino. Morbide palline fecali di cibo parzialmente digerito vengono espulse e generalmente consumate immediatamente. Producono anche escrementi normali, che non vengono mangiati.

I giovani elefanti, panda, koala e ippopotami mangiano le feci della madre, probabilmente per ottenere i batteri necessari per digerire correttamente la vegetazione. Quando nascono, i loro intestini non contengono questi batteri (sono completamente sterili). Senza di essi, non sarebbero in grado di ottenere alcun valore nutritivo da molti componenti vegetali.

Nei lombrichi

Il sistema digestivo di un lombrico consiste in una bocca, faringe, esofago, gozzo, ventriglio e intestino. La bocca è circondata da forti labbra, che agiscono come una mano per afferrare pezzi di erba morta, foglie ed erbacce, con pezzi di terra per aiutare la masticazione. Le labbra rompono il cibo in pezzi più piccoli. Nella faringe, il cibo è lubrificato da secrezioni di muco per facilitare il passaggio. L’esofago aggiunge carbonato di calcio per neutralizzare gli acidi formati dalla decomposizione della materia alimentare. L’immagazzinamento temporaneo avviene nel gozzo dove il cibo e il carbonato di calcio sono mescolati. I potenti muscoli del ventriglio sfornano e mescolano la massa di cibo e sporcizia. Quando la zangolatura è completa, le ghiandole nelle pareti del ventriglio aggiungono enzimi alla pasta spessa, che aiuta la scomposizione chimica della materia organica. Con la peristalsi, la miscela viene inviata all’intestino dove i batteri amici continuano la scomposizione chimica. Questo rilascia carboidrati, proteine, grassi e varie vitamine e minerali per l’assorbimento nel corpo.