39.1: Sistemas de Intercambio de Gases
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- Describir el paso del aire del ambiente exterior a los pulmones
- Explicar cómo se protegen los pulmones de las partículas
La función principal del sistema respiratorio es entregar oxígeno a las células de los tejidos del cuerpo y eliminar el dióxido de carbono, un producto de desecho celular. Las principales estructuras del sistema respiratorio humano son la cavidad nasal, la tráquea y los pulmones.
Todos los organismos aeróbicos requieren oxígeno para llevar a cabo sus funciones metabólicas. A lo largo del árbol evolutivo, diferentes organismos han ideado diferentes medios para obtener oxígeno de la atmósfera circundante. El ambiente en el que vive el animal determina en gran medida cómo respira un animal. La complejidad del sistema respiratorio se correlaciona con el tamaño del organismo. A medida que aumenta el tamaño del animal, las distancias de difusión aumentan y la proporción de superficie a volumen disminuye. En los organismos unicelulares, la difusión a través de la membrana celular es suficiente para suministrar oxígeno a la célula (Figura\(\PageIndex{1}\)). La difusión es un proceso de transporte lento y pasivo. Para que la difusión sea un medio factible de proporcionar oxígeno a la célula, la tasa de absorción de oxígeno debe coincidir con la velocidad de difusión a través de la membrana. Es decir, si la celda fuera muy grande o gruesa, la difusión no podría proporcionar oxígeno lo suficientemente rápido al interior de la célula. Por lo tanto, la dependencia de la difusión como medio para obtener oxígeno y eliminar el dióxido de carbono sigue siendo factible solo para organismos pequeños o aquellos con cuerpos muy aplanados, como muchos gusanos planos (Platyhelminthes). Los organismos más grandes tuvieron que evolucionar tejidos respiratorios especializados, como branquias, pulmones y vías respiratorias acompañadas de complejos sistemas circulatorios, para transportar oxígeno por todo su cuerpo.
Difusión Directa
Para los organismos multicelulares pequeños, la difusión a través de la membrana externa es suficiente para satisfacer sus necesidades de oxígeno. El intercambio de gases por difusión directa a través de las membranas superficiales es eficiente para organismos de menos de 1 mm de diámetro. En organismos simples, como los cnidarios y los gusanos planos, cada célula del cuerpo está cerca del ambiente externo. Sus celdas se mantienen húmedas y los gases se difunden rápidamente a través de la difusión directa. Los gusanos planos son gusanos pequeños, literalmente planos, que 'respiran' a través de la difusión a través de la membrana externa (Figura\(\PageIndex{2}\)). La forma plana de estos organismos aumenta la superficie de difusión, asegurando que cada célula dentro del cuerpo esté cerca de la superficie de la membrana externa y tenga acceso al oxígeno. Si el gusano plano tuviera un cuerpo cilíndrico, entonces las células en el centro no podrían obtener oxígeno.
Piel y branquias
Las lombrices de tierra y los anfibios utilizan su piel (tegumento) como órgano respiratorio. Una densa red de capilares se encuentra justo debajo de la piel y facilita el intercambio de gases entre el ambiente externo y el sistema circulatorio. La superficie respiratoria debe mantenerse húmeda para que los gases se disuelvan y difundan a través de las membranas celulares.
Los organismos que viven en el agua necesitan obtener oxígeno del agua. El oxígeno se disuelve en agua pero a menor concentración que en la atmósfera. La atmósfera tiene aproximadamente 21 por ciento de oxígeno. En el agua, la concentración de oxígeno es mucho menor que esa. Los peces y muchos otros organismos acuáticos han evolucionado branquias para absorber el oxígeno disuelto del agua (Figura\(\PageIndex{3}\)). Las branquias son filamentos de tejido delgados que están altamente ramificados y plegados. Cuando el agua pasa sobre las branquias, el oxígeno disuelto en el agua se difunde rápidamente a través de las branquias hacia el torrente sanguíneo. El sistema circulatorio puede entonces llevar la sangre oxigenada a las otras partes del cuerpo. En animales que contienen líquido celómico en lugar de sangre, el oxígeno se difunde a través de las superficies branquiales hacia el líquido celómico. Las branquias se encuentran en moluscos, anélidos y crustáceos.
Las superficies plegadas de las agallas proporcionan una gran superficie para asegurar que los peces obtengan suficiente oxígeno. La difusión es un proceso en el que el material viaja de regiones de alta concentración a baja concentración hasta alcanzar el equilibrio. En este caso, la sangre con una baja concentración de moléculas de oxígeno circula a través de las agallas. La concentración de moléculas de oxígeno en el agua es mayor que la concentración de moléculas de oxígeno en las branquias. Como resultado, las moléculas de oxígeno se difunden del agua (alta concentración) a la sangre (concentración baja), como se muestra en la Figura\(\PageIndex{4}\). De manera similar, las moléculas de dióxido de carbono en la sangre se difunden de la sangre (alta concentración) al agua (baja concentración).
Sistemas traqueales
La respiración de los insectos es independiente de su sistema circulatorio; por lo tanto, la sangre no juega un papel directo en el transporte de oxígeno. Los insectos tienen un tipo de sistema respiratorio altamente especializado llamado sistema traqueal, que consiste en una red de pequeños tubos que transportan oxígeno a todo el cuerpo. El sistema traqueal es el sistema respiratorio más directo y eficiente en animales activos. Los tubos en el sistema traqueal están hechos de un material polimérico llamado quitina.
Los cuerpos de insectos tienen aberturas, llamadas espiráculos, a lo largo del tórax y el abdomen. Estas aberturas se conectan a la red tubular, permitiendo que el oxígeno pase al cuerpo (Figura\(\PageIndex{5}\)) y regulando la difusión de CO 2 y vapor de agua. El aire entra y sale del sistema traqueal a través de los espiráculos. Algunos insectos pueden ventilar el sistema traqueal con movimientos corporales.
Sistemas Mamíferos
En los mamíferos, la ventilación pulmonar ocurre por inhalación (respiración). Durante la inhalación, el aire ingresa al cuerpo a través de la cavidad nasal ubicada justo dentro de la nariz (Figura\(\PageIndex{6}\)). A medida que el aire pasa a través de la cavidad nasal, el aire se calienta a la temperatura corporal y se humidifica. El tracto respiratorio se recubre con moco para sellar los tejidos del contacto directo con el aire. La mucosidad es alta en agua. A medida que el aire cruza estas superficies de las membranas mucosas, recoge agua. Estos procesos ayudan a equilibrar el aire con las condiciones del cuerpo, reduciendo cualquier daño que pueda causar el aire frío y seco. La materia particulada que está flotando en el aire se elimina en las fosas nasales a través de moco y cilios. Los procesos de calentamiento, humidificación y eliminación de partículas son importantes mecanismos de protección que previenen daños en la tráquea y los pulmones. Así, la inhalación sirve para varios propósitos además de llevar oxígeno al sistema respiratorio.
Conexión de arte
¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre el sistema respiratorio de los mamíferos es falsa?
- Cuando respiramos, el aire viaja desde la faringe hasta la tráquea.
- Los bronquiolos se ramificaron en bronquios.
- Los conductos alveolares se conectan a sacos alveolares.
- El intercambio de gases entre el pulmón y la sangre tiene lugar en el alvéolo.
Desde la cavidad nasal, el aire pasa a través de la faringe (garganta) y la laringe (caja de voz), a medida que se dirige a la tráquea (Figura\(\PageIndex{6}\)). La función principal de la tráquea es canalizar el aire inhalado hacia los pulmones y el aire exhalado de nuevo fuera del cuerpo. La tráquea humana es un cilindro de aproximadamente 10 a 12 cm de largo y 2 cm de diámetro que se asienta frente al esófago y se extiende desde la laringe hasta la cavidad torácica donde se divide en los dos bronquios primarios en el medio tórax. Se compone de anillos incompletos de cartílago hialino y músculo liso (Figura\(\PageIndex{7}\)). La tráquea está revestida de células caliciformes productoras de moco y epitelios ciliados. Los cilios impulsan partículas extrañas atrapadas en el moco hacia la faringe. El cartílago proporciona fuerza y soporte a la tráquea para mantener el paso abierto. El músculo liso puede contraerse, disminuyendo el diámetro de la tráquea, lo que hace que el aire espirado se extienda hacia arriba desde los pulmones a una gran fuerza. La exhalación forzada ayuda a expulsar el moco cuando tosimos. El músculo liso puede contraerse o relajarse, dependiendo de los estímulos del ambiente externo o del sistema nervioso del cuerpo.
Pulmones: bronquios y alvéolos
El extremo de la tráquea se bifurca (divide) a los pulmones derecho e izquierdo. Los pulmones no son idénticos. El pulmón derecho es más grande y contiene tres lóbulos, mientras que el pulmón izquierdo más pequeño contiene dos lóbulos (Figura\(\PageIndex{8}\)). El diafragma muscular, que facilita la respiración, es inferior (por debajo) a los pulmones y marca el extremo de la cavidad torácica.
En los pulmones, el aire se desvía hacia pasajes cada vez más pequeños, o bronquios. El aire ingresa a los pulmones a través de los dos bronquios primarios (principales) (singular: bronquio). Cada bronquio se divide en bronquios secundarios, luego en bronquios terciarios, que a su vez se dividen, creando bronquiolos de menor y menor diámetro a medida que se parten y se propagan a través del pulmón. Al igual que la tráquea, los bronquios están hechos de cartílago y músculo liso. En los bronquiolos, el cartílago se reemplaza por fibras elásticas. Los bronquios están inervados por nervios tanto del sistema nervioso parasimpático como simpático que controlan la contracción muscular (parasimpático) o la relajación (simpático) en los bronquios y bronquiolos, dependiendo de las señales del sistema nervioso. En humanos, los bronquiolos con un diámetro menor a 0.5 mm son los bronquiolos respiratorios. Carecen de cartílago y por lo tanto dependen del aire inhalado para mantener su forma. A medida que los pasajes disminuyen de diámetro, aumenta la cantidad relativa de músculo liso.
Los bronquiolos terminales se subdividen en ramas microscópicas llamadas bronquiolos respiratorios. Los bronquiolos respiratorios se subdividen en varios conductos alveolares. Numerosos alvéolos y sacos alveolares rodean los conductos alveolares. Los sacos alveolares se asemejan a racimos de uvas atados al final de los bronquiolos (Figura\(\PageIndex{9}\)). En la región acinar, los conductos alveolares están unidos al extremo de cada bronquiolo. Al final de cada conducto se encuentran aproximadamente 100 sacos alveolares, cada uno conteniendo de 20 a 30 alvéolos que son de 200 a 300 micrones de diámetro. El intercambio de gases ocurre solo en los alvéolos. Los alvéolos están hechos de células parenquimales de pared delgada, típicamente de una célula gruesa, que parecen pequeñas burbujas dentro de los sacos. Los alvéolos están en contacto directo con los capilares (de una célula gruesa) del sistema circulatorio. Dicho contacto íntimo asegura que el oxígeno se difundirá desde los alvéolos hacia la sangre y se distribuirá a las células del cuerpo. Además, el dióxido de carbono que fueron producidos por las células como producto de desecho se difundirá de la sangre a los alvéolos para ser exhalado. La disposición anatómica de los capilares y alvéolos enfatiza la relación estructural y funcional de los sistemas respiratorio y circulatorio. Debido a que hay tantos alvéolos (~300 millones por pulmón) dentro de cada saco alveolar y tantos sacos al final de cada conducto alveolar, los pulmones tienen una consistencia esponjosa. Esta organización produce una superficie muy grande que está disponible para el intercambio de gases. La superficie de los alvéolos en los pulmones es de aproximadamente 75 m 2. Esta gran superficie, combinada con la naturaleza de paredes delgadas de las células parenquimales alveolares, permite que los gases se difundan fácilmente a través de las células.
Enlace al aprendizaje
Mira el siguiente video para revisar el sistema respiratorio.
Mecanismos de Protección
El aire que respiran los organismos contiene partículas como polvo, suciedad, partículas virales y bacterias que pueden dañar los pulmones o desencadenar respuestas inmunes alérgicas. El sistema respiratorio contiene varios mecanismos de protección para evitar problemas o daños en los tejidos. En la cavidad nasal, los pelos y la mucosidad atrapan pequeñas partículas, virus, bacterias, polvo y suciedad para evitar su entrada.
Si las partículas sí lo hacen más allá de la nariz, o entran por la boca, los bronquios y bronquiolos de los pulmones también contienen varios dispositivos de protección. Los pulmones producen moco, una sustancia pegajosa hecha de mucina, una glicoproteína compleja, así como sales y agua, que atrapa las partículas. Los bronquios y bronquiolos contienen cilios, pequeñas proyecciones en forma de pelo que recubren las paredes de los bronquios y bronquiolos (Figura\(\PageIndex{10}\)). Estos cilios laten al unísono y mueven el moco y las partículas fuera de los bronquios y bronquiolos de regreso a la garganta donde se ingiere y se elimina a través del esófago.
En los humanos, por ejemplo, el alquitrán y otras sustancias en el humo del cigarrillo destruyen o paralizan los cilios, dificultando la eliminación de partículas. Además, fumar hace que los pulmones produzcan más moco, que los cilios dañados no son capaces de mover. Esto provoca una tos persistente, ya que los pulmones tratan de deshacerse de las partículas, y hace que los fumadores sean más susceptibles a las dolencias respiratorias.
Resumen
Los sistemas respiratorios animales están diseñados para facilitar el intercambio de gases. En los mamíferos, el aire es calentado y humidificado en la cavidad nasal. Luego, el aire viaja por la faringe, a través de la tráquea y hacia los pulmones. En los pulmones, el aire pasa a través de los bronquios ramificados, llegando a los bronquiolos respiratorios, que albergan el primer sitio de intercambio de gases. Los bronquiolos respiratorios se abren a los conductos alveolares, sacos alveolares y alvéolos. Debido a que hay tantos alvéolos y sacos alveolares en el pulmón, la superficie para el intercambio de gases es muy grande. Existen varios mecanismos de protección para prevenir daños o infecciones. Estos incluyen el cabello y la mucosidad en la cavidad nasal que atrapan el polvo, la suciedad y otras partículas antes de que puedan ingresar al sistema. En los pulmones, las partículas quedan atrapadas en una capa de moco y se transportan a través de los cilios hasta la abertura esofágica en la parte superior de la tráquea para ser tragadas.
Conexiones de arte
Figura\(\PageIndex{6}\): ¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre el sistema respiratorio de los mamíferos es falsa?
- Cuando respiramos, el aire viaja desde la faringe hasta la tráquea.
- Los bronquiolos se ramificaron en bronquios.
- Los conductos alveolares se conectan a sacos alveolares.
- El intercambio de gases entre el pulmón y la sangre tiene lugar en el alvéolo.
- Contestar
-
B
Glosario
- conducto alveolar
- conducto que se extiende desde el bronquiolo terminal hasta el saco alveolar
- saco alveolar
- estructura que consiste en dos o más alvéolos que comparten una abertura común
- alvéolo
- (plural: alvéolos) (también, saco de aire) región terminal del pulmón donde se produce el intercambio de gases
- bronquio
- (plural: bronquios) rama más pequeña del tejido cartilaginoso que se desprende de la tráquea; el aire se canaliza a través de los bronquios hacia la región donde se produce el intercambio de gases en los alvéolos
- bronquiolo
- vía aérea que se extiende desde los bronquios terciarios principales hasta el saco alveolar
- diafragma
- Músculo esquelético en forma de cúpula ubicado debajo de los pulmones que separa la cavidad torácica de la cavidad abdominal
- laringe
- caja de voz, un pasaje corto que conecta la faringe y la tráquea
- mucina
- glucoproteína compleja que se encuentra en la mucosidad
- moco
- secreción de líquido pegajoso que contiene proteínas en el pulmón que atrapa la materia particulada para ser expulsada del cuerpo
- cavidad nasal
- apertura del sistema respiratorio al ambiente exterior
- materia particulada
- partículas pequeñas como polvo, suciedad, partículas virales y bacterias que están en el aire
- faringe
- garganta; un tubo que comienza en las fosas nasales internas y corre a mitad del cuello, donde se abre hacia el esófago y la laringe
- bronquio primario
- (también, bronquio principal) región de la vía aérea dentro del pulmón que se une a la tráquea y se bifurca a cada pulmón donde se ramifica en bronquios secundarios
- bronquiolo respiratorio
- porción terminal del árbol bronquiolo que se une a los bronquiolos terminales y conductos alvéolos, sacos alveolares y alvéolos
- bronquiolo terminal
- región del bronquiolo que se adhiere a los bronquiolos respiratorios
- tráquea
- tubo cartilaginoso que transporta aire desde la laringe hasta los bronquios primarios