Come il cuore e i polmoni lavorano insieme

Nel 1616, presso il Royal College of Physicians di Londra, William Harvey fece scivolare un laccio emostatico di cuoio sull'avambraccio nudo di un volontario e premette sulle vene gonfie. Stava dimostrando qualcosa che suona quasi troppo semplice per avere importanza: che il sangue venoso si muove in una sola direzione, indietro verso il cuore e mai lontano da esso. Spingi un dito lungo una vena in rilievo verso la mano, e il vaso resta vuoto; il sangue non rifluirà all'indietro per riempirlo di nuovo. Dodici anni dopo, nel 1628, Harvey pubblicò l'argomentazione completa a Francoforte con il titolo De Motu Cordis (Sul movimento del cuore), e la medicina occidentale non fu più la stessa.

Ciò che rende notevole la scena è quello che essa sostituì. Per circa millecinquecento anni i medici colti avevano creduto qualcosa di completamente diverso riguardo al sangue, e il discreto esperimento di Harvey con una striscia di cuoio fu sufficiente a cominciare ad abbattere l'intero edificio. Per capire perché la sua dimostrazione fu importante, e per comprendere l'apparato di organi che hai nel petto, partiamo da ciò che i medici sbagliarono per così tanto tempo.

Cosa credevano i medici prima di Harvey

Prima del 1628, la medicina europea si basava su un modello ereditato dal medico greco Galeno, che aveva esercitato nel secondo secolo e la cui autorità rimase sostanzialmente incontestata per i millecinquecento anni successivi. Nella visione di Galeno, il sangue non veniva affatto pompato in un circuito. Il fegato produceva continuamente sangue fresco a partire dal cibo digerito, e questo sangue filtrava lentamente verso l'esterno attraverso il corpo in una sorta di marea a senso unico, dove i tessuti lo consumavano come un fuoco consuma la legna. Il sangue veniva prodotto, consumato e prodotto di nuovo. Per spiegare come il sangue passasse dal lato destro del cuore al lato sinistro, Galeno ipotizzava la presenza di pori invisibili nella parete muscolare tra le cavità.

La mossa decisiva di Harvey non fu anatomica ma aritmetica. Stimò quanto sangue il cuore espelle a ogni battito e moltiplicò per il numero di battiti in un'ora, e il totale risultò enormemente più grande di quanto il corpo potesse mai produrre dal cibo in quel tempo. Il fegato semplicemente non poteva produrre sangue abbastanza in fretta da essere consumato e scartato a quel ritmo. L'unica spiegazione che si accordava con i numeri era che lo stesso sangue dovesse viaggiare in un circuito chiuso, tornando al cuore più e più volte. La dimostrazione con il laccio emostatico fornì poi la prova visibile: le valvole nelle vene permettono il flusso in una sola direzione, verso il cuore, esattamente come richiede un sistema a ricircolo.

Quattro cavità, due pompe fuse in una sola

L'organo che Harvey descriveva si comprende meglio non come una singola pompa ma come due pompe fuse in un unico pezzo di muscolo. Il cuore umano ha quattro cavità, e una spessa parete muscolare chiamata setto interventricolare ne percorre il centro, tenendo il lato destro e il lato sinistro completamente separati. Questa separazione è tutto il punto della questione, perché ciascun lato serve un circuito diverso.

Il lato destro del cuore riceve il sangue che ha già ceduto il suo ossigeno al corpo ed è ora scuro di anidride carbonica. Spinge questo sangue deossigenato attraverso i polmoni e indietro, un breve percorso noto come circolazione polmonare. Il lato sinistro riceve il sangue appena ossigenato di ritorno dai polmoni e lo spinge fuori verso tutto il corpo, dal cervello fino alle dita dei piedi, un percorso ben più lungo noto come circolazione sistemica. Poiché il lato sinistro deve spingere il sangue attraverso tutto il corpo contro una resistenza molto maggiore, la sua parete muscolare è notevolmente più spessa di quella destra.

I due circuiti procedono in serie, uno dopo l'altro, come due giri di un otto che condividono il cuore come punto di incrocio. Ogni goccia di sangue passa attraverso entrambi, alternandosi senza sosta tra il caricarsi di ossigeno nei polmoni e il rilasciarlo nei tessuti.

Quattro valvole e il suono del battito cardiaco

Perché due pompe mantengano il sangue in movimento in avanti e non lo lascino mai rifluire all'indietro, il cuore ha bisogno di valvole, e ne ha quattro, ciascuna una porta a senso unico. Due valvole si trovano tra gli atri (le cavità superiori di ricezione) e i ventricoli (le cavità inferiori di pompaggio): la valvola tricuspide a destra e la valvola mitrale a sinistra. Altre due valvole sorvegliano le uscite dei ventricoli, dove il sangue lascia il cuore: la valvola polmonare, attraverso cui il ventricolo destro espelle il sangue verso i polmoni, e la valvola aortica, attraverso cui il ventricolo sinistro espelle il sangue nell'aorta e verso il corpo.

Queste quattro valvole sono la fonte del familiare battito cardiaco che puoi ascoltare con uno stetoscopio. Il ritmico tum-tum non è il muscolo che si contrae; è il suono delle valvole che si chiudono di scatto. Il primo suono, il tum, è la chiusura delle valvole tricuspide e mitrale mentre i ventricoli iniziano a contrarsi, e il secondo suono, il tum successivo, è la chiusura delle valvole polmonare e aortica mentre i ventricoli si rilasciano. Quando un medico ascolta per cercare un soffio al cuore, sta ascoltando il lieve sibilo del sangue che trafila nella direzione sbagliata attraverso una valvola che non sigilla più.

Seguire una singola goccia attraverso entrambi i circuiti

Seguire una goccia di sangue lungo l'intero percorso fa quadrare al suo posto tutta la circolazione chiusa. Comincia nell'atrio destro, dove arriva dal corpo il sangue scuro e povero di ossigeno. Scende attraverso la valvola tricuspide nel ventricolo destro, che si contrae e lo spinge attraverso la valvola polmonare e verso i polmoni. Nei polmoni il sangue si carica di ossigeno e si libera dell'anidride carbonica, poi torna, ora di un rosso vivo, all'atrio sinistro. Da lì cade attraverso la valvola mitrale nel ventricolo sinistro, la cavità più potente, che si contrae con forza e spinge il sangue attraverso la valvola aortica nell'aorta. Dall'aorta si dirama verso tutto il corpo, portando ossigeno a ogni tessuto, prima di defluire di nuovo, scuro un'altra volta, nell'atrio destro dove il viaggio è cominciato.

Segui quel percorso una volta e avrai compreso la doppia circolazione chiusa che Harvey pubblicò nel 1628: cuore destro ai polmoni al cuore sinistro al corpo e ritorno, lo stesso sangue che ricircola senza fine, esattamente come esigeva la sua aritmetica.

Il ciclo di un singolo battito e la scintilla che ne detta il ritmo

Ogni battito cardiaco non è una singola contrazione ma un ciclo coordinato in tre fasi. Prima viene la sistole atriale, in cui i due atri si contraggono e completano il riempimento dei ventricoli con una spinta finale di sangue. Poi viene la sistole ventricolare, in cui i ventricoli si contraggono con forza ed espellono il sangue nei polmoni e nel corpo. Infine viene la diastole, la fase di riposo, in cui tutte e quattro le cavità si rilasciano e si riempiono di nuovo, pronte per il battito successivo. Il tempismo delle valvole, che si aprono e si chiudono in sequenza, è ciò che impedisce a questo ciclo di procedere mai all'indietro.

Ciò che mantiene il ritmo costante è una piccola zona di tessuto specializzato nella parete dell'atrio destro chiamata nodo senoatriale, identificato nel 1907 dagli anatomisti Arthur Keith e Martin Flack. Il nodo senoatriale è il pacemaker naturale del cuore. Genera un impulso elettrico da solo, senza alcun segnale dal cervello, e quell'impulso si propaga attraverso il muscolo cardiaco in un'onda ordinata, dicendo agli atri di contrarsi per primi e poi ai ventricoli una frazione di secondo dopo. Ecco perché un cuore rimosso dal corpo, o trapiantato in un'altra persona, può continuare a battere: la scintilla proviene dal muscolo stesso.

Trecento milioni di minuscole sacche e l'emoglobina che trasporta il carico

Il cuore è solo metà della partnership. L'altra metà è la coppia di polmoni, dove avviene il vero scambio dei gas, e l'eleganza dei polmoni sta nella loro sbalorditiva superficie racchiusa in un piccolo spazio. In profondità, le vie aeree si ramificano e si ramificano ancora finché terminano in microscopiche sacche d'aria chiamate alveoli, di cui il polmone adulto ne contiene tra i 300 e i 500 milioni. La loro superficie complessiva raggiunge circa 70 metri quadrati, all'incirca la metratura di un piccolo monolocale, tutta ripiegata dentro il tuo petto. La membrana che separa l'aria in un alveolo dal sangue nel capillare circostante è sorprendentemente sottile, solo circa 0,5 - 1 micrometro, il che permette all'ossigeno di passare nel sangue e all'anidride carbonica di uscire dall'altra parte.

Una volta che l'ossigeno passa nel sangue, ha bisogno di un corriere, perché non si scioglie bene nel semplice plasma. Quel corriere è l'emoglobina, la proteina ricca di ferro che riempie i globuli rossi e dà loro il colore. Ogni globulo rosso trasporta circa 270 milioni di molecole di emoglobina, e ogni molecola è costruita da quattro subunità, ciascuna delle quali contiene un gruppo eme capace di legare una singola molecola di ossigeno. La parte ingegnosa è che questi quattro siti cooperano: quando la prima molecola di ossigeno si lega, rimodella sottilmente la proteina e rende più facile il legame ai siti successivi. Questo legame cooperativo è il motivo per cui il grafico della saturazione di ossigeno dell'emoglobina rispetto alla pressione dell'ossigeno ha una forma a S, o sigmoidale, anziché una linea retta, e la forma non è una curiosità, perché permette all'emoglobina di afferrare avidamente l'ossigeno nei polmoni, dove l'ossigeno è abbondante, e di rilasciarlo generosamente nei tessuti, dove è scarso.

Venticinquemila miliardi di corrieri e il mito del sangue blu

La scala della flotta di consegne è difficile da immaginare. Il corpo adulto contiene circa 25.000 miliardi di globuli rossi, più di tre volte il numero delle stelle nella galassia della Via Lattea, e vengono costantemente sostituiti. Ogni cellula è un disco biconcavo, incavato su entrambi i lati come una minuscola ciambella senza il buco, di circa 7 - 8 micrometri di diametro, giusto abbastanza stretta da permettere alla cellula di piegarsi e infilarsi attraverso i più piccoli capillari del corpo in fila indiana, premendo la sua membrana vicino alla parete del vaso in modo che l'ossigeno abbia la distanza più breve possibile da percorrere verso l'esterno nei tessuti.

È anche da qui che nasce uno dei più tenaci miti dell'infanzia. Ai bambini si dice abitualmente che le vene trasportano sangue blu, e il dorso della tua stessa mano sembra dimostrarlo, dato che lì le vene appaiono nettamente bluastre. Il sangue al loro interno, tuttavia, non è blu e non lo è mai stato. Il sangue venoso deossigenato è di un rosso più scuro e più spento rispetto allo scarlatto brillante del sangue arterioso, ma rimane inequivocabilmente rosso. La tonalità blu è un inganno della luce: la pelle e i tessuti diffondono e assorbono le lunghezze d'onda rosse più lunghe più di quelle blu più corte, così la luce che rimbalza fino al tuo occhio da una vena sotto la superficie è spostata verso il blu. Taglia una vena e il sangue è rosso, non blu.

Perché vale la pena capire questo sistema

C'è una ragione che fa riflettere per cui questa anatomia merita un posto in ogni programma di studi. Le malattie cardiovascolari sono da decenni la principale causa di morte nel mondo, uccidendo circa 18 milioni di persone ogni anno secondo l'Organizzazione Mondiale della Sanità. Infarti, ictus e insufficienza cardiaca sono, in fondo, fallimenti proprio di quella partnership che Harvey mappò per primo nel 1628: un'arteria coronaria ostruita così che il muscolo cardiaco va in carenza, un vaso nel cervello strozzato così che il tessuto al di là di esso muore, un cuore divenuto troppo debole per mantenere il circuito in movimento. Capire come il sistema dovrebbe funzionare è il primo passo per capire come si guasta.

Punti chiave

Il cuore e i polmoni formano una doppia circolazione chiusa, dimostrata per la prima volta da William Harvey nel 1628 quando la sua aritmetica mostrò che il corpo non poteva produrre sangue abbastanza in fretta perché il vecchio modello a senso unico di Galeno fosse vero. Il cuore è costituito da due pompe fuse in un unico organo, separate dal setto interventricolare: il lato destro spinge il sangue deossigenato attraverso i polmoni nella circolazione polmonare, e il lato sinistro, dalla parete più spessa, spinge il sangue ossigenato attraverso il corpo nella circolazione sistemica, con quattro valvole a senso unico che mantengono il flusso in avanti e producono il familiare tum-tum. Ogni battito attraversa la sistole atriale, la sistole ventricolare e la diastole, ritmato dal nodo senoatriale che genera la scintilla da solo nell'atrio destro. Lo scambio di gas avviene attraverso 300 - 500 milioni di alveoli la cui superficie complessiva rivaleggia con un piccolo appartamento e la cui membrana è spessa meno di un micrometro, e l'ossigeno viene poi trasportato dall'emoglobina, quattro siti di legame cooperativi per molecola, che produce la curva di saturazione sigmoidale che carica l'ossigeno nei polmoni e lo scarica nei tessuti. Circa 25.000 miliardi di globuli rossi, ciascuno modellato per infilarsi attraverso un capillare in fila indiana, trasportano quel carico e, sebbene il sangue venoso appaia blu attraverso la pelle, è sempre e solo di un rosso più scuro. Poiché le malattie cardiovascolari restano la principale causa di morte al mondo con circa 18 milioni di decessi all'anno, questa non è anatomia astratta ma la descrizione concreta del sistema da cui dipende la tua vita.