Variazione del sistema circolatorio negli animali
Il sistema circolatorio varia da sistemi semplici negli invertebrati a sistemi più complessi nei vertebrati. Gli animali più semplici, come le spugne (Porifera) e i rotiferi (Rotifera), non hanno bisogno di un sistema circolatorio perché la diffusione permette un adeguato scambio di acqua, nutrienti e rifiuti, così come di gas dissolti, come mostrato in (Figura)a. Gli organismi che sono più complessi ma hanno ancora solo due strati di cellule nel loro piano corporeo, come le gelatine (Cnidaria) e le gelatine a pettine (Ctenophora) usano anche la diffusione attraverso la loro epidermide e internamente attraverso il compartimento gastrovascolare. Sia i loro tessuti interni che quelli esterni sono immersi in un ambiente acquoso e scambiano fluidi per diffusione su entrambi i lati, come illustrato in (Figura)b. Lo scambio di fluidi è assistito dal pulsare del corpo della medusa.
Per gli organismi più complessi, la diffusione non è efficiente per far circolare efficacemente gas, nutrienti e rifiuti attraverso il corpo; perciò si sono evoluti sistemi circolatori più complessi. La maggior parte degli artropodi e molti molluschi hanno sistemi circolatori aperti. In un sistema aperto, un cuore battente allungato spinge l’emolinfa attraverso il corpo e le contrazioni muscolari aiutano a muovere i fluidi. I crostacei più grandi e complessi, comprese le aragoste, hanno sviluppato vasi simili alle arterie per spingere il sangue attraverso il corpo, mentre i molluschi più attivi, come i calamari, hanno sviluppato un sistema circolatorio chiuso e sono in grado di muoversi rapidamente per catturare le prede. I sistemi circolatori chiusi sono una caratteristica dei vertebrati; tuttavia, ci sono differenze significative nella struttura del cuore e nella circolazione del sangue tra i diversi gruppi di vertebrati a causa dell’adattamento durante l’evoluzione e delle differenze anatomiche associate. (Figura) illustra i sistemi circolatori di base di alcuni vertebrati: pesci, anfibi, rettili e mammiferi.
Come illustrato in (Figura)a. I pesci hanno un unico circuito per il flusso di sangue e un cuore a due camere che ha un solo atrio e un solo ventricolo. L’atrio raccoglie il sangue che è tornato dal corpo e il ventricolo pompa il sangue alle branchie dove avviene lo scambio di gas e il sangue viene riossigenato; questa è chiamata circolazione branchiale. Il sangue continua poi attraverso il resto del corpo prima di arrivare di nuovo all’atrio; questa è chiamata circolazione sistemica. Questo flusso unidirezionale di sangue produce un gradiente di sangue ossigenato e deossigenato nel circuito sistemico del pesce. Il risultato è un limite nella quantità di ossigeno che può raggiungere alcuni organi e tessuti del corpo, riducendo la capacità metabolica complessiva dei pesci.
Negli anfibi, nei rettili, negli uccelli e nei mammiferi, il flusso di sangue è diretto in due circuiti: uno attraverso i polmoni e di nuovo al cuore, che è chiamato circolazione polmonare, e l’altro in tutto il resto del corpo e i suoi organi, compreso il cervello (circolazione sistemica). Negli anfibi, lo scambio di gas avviene anche attraverso la pelle durante la circolazione polmonare e viene chiamato circolazione pulmocutanea.
Come mostrato in (Figura)b, gli anfibi hanno un cuore a tre camere che ha due atri e un ventricolo piuttosto che il cuore a due camere dei pesci. I due atri (camere cardiache superiori) ricevono il sangue dai due diversi circuiti (i polmoni e i sistemi), e poi c’è una certa miscelazione del sangue nel ventricolo del cuore (camera cardiaca inferiore), che riduce l’efficienza dell’ossigenazione. Il vantaggio di questa disposizione è che l’alta pressione nei vasi spinge il sangue verso i polmoni e il corpo. La miscelazione è mitigata da una cresta all’interno del ventricolo che devia il sangue ricco di ossigeno attraverso il sistema circolatorio sistemico e il sangue deossigenato al circuito pulmocutaneo. Per questo motivo, gli anfibi sono spesso descritti come aventi una doppia circolazione.
La maggior parte dei rettili ha anche un cuore a tre camere simile a quello degli anfibi che dirige il sangue verso i circuiti polmonare e sistemico, come mostrato in (Figura)c. Il ventricolo è diviso più efficacemente da un setto parziale, il che comporta una minore mescolanza di sangue ossigenato e deossigenato. Alcuni rettili (alligatori e coccodrilli) sono gli animali più primitivi che presentano un cuore a quattro camere. I coccodrilli hanno un meccanismo circolatorio unico in cui il cuore smista il sangue dai polmoni verso lo stomaco e altri organi durante lunghi periodi di immersione, per esempio, mentre l’animale aspetta una preda o rimane sott’acqua in attesa che la preda si decomponga. Un adattamento comprende due arterie principali che lasciano la stessa parte del cuore: una porta il sangue ai polmoni e l’altra fornisce un percorso alternativo per lo stomaco e altre parti del corpo. Altri due adattamenti includono un foro nel cuore tra i due ventricoli, chiamato forame di Panizza, che permette al sangue di muoversi da un lato del cuore all’altro, e tessuto connettivo specializzato che rallenta il flusso di sangue ai polmoni. Insieme questi adattamenti hanno reso i coccodrilli e gli alligatori uno dei gruppi animali di maggior successo evolutivo sulla terra.
Nei mammiferi e negli uccelli, il cuore è anche diviso in quattro camere: due atri e due ventricoli, come illustrato in (Figura)d. Il sangue ossigenato è separato dal sangue deossigenato, il che migliora l’efficienza della doppia circolazione ed è probabilmente necessario per lo stile di vita a sangue caldo di mammiferi e uccelli. Il cuore a quattro camere degli uccelli e dei mammiferi si è evoluto indipendentemente da un cuore a tre camere. L’evoluzione indipendente dello stesso tratto biologico o di un tratto biologico simile viene definita evoluzione convergente.