2.1: Introducción a los Sistemas Respiratorios

Objetivos de aprendizaje

Discutir las ventajas y desventajas generales de la respiración con respecto a los ambientes acuáticos y terrestres.

La respiración es un evento involuntario. La frecuencia con la que se toma una respiración y la cantidad de aire que se inhala o exhala están estrechamente reguladas por el centro respiratorio en el cerebro. Los humanos, cuando no se están ejerciendo, respiran aproximadamente 15 veces por minuto en promedio. Los caninos, como el perro en la Figura 2.1, tienen una frecuencia respiratoria de aproximadamente 15—30 respiraciones por minuto. Con cada inhalación, el aire llena los pulmones, y con cada exhalación, el aire vuelve a salir corriendo. Ese aire está haciendo algo más que inflar y desinflar los pulmones en la cavidad torácica. El aire contiene oxígeno que cruza el tejido pulmonar, ingresa al torrente sanguíneo y viaja a órganos y tejidos. El oxígeno (O ₂) ingresa a las células donde se usa para reacciones metabólicas que producen ATP, un compuesto de alta energía. Al mismo tiempo, estas reacciones liberan dióxido de carbono (CO ₂) como subproducto. El CO ₂ es tóxico y debe ser eliminado. El dióxido de carbono sale de las células, ingresa al torrente sanguíneo, viaja de regreso a los pulmones y expira fuera del cuerpo durante la exhalación.

Figura 2.1. Los pulmones, que aparecen como tejido casi transparente que rodea el corazón en esta radiografía de un perro (izquierda), son los órganos centrales del sistema respiratorio. El pulmón izquierdo es más pequeño que el pulmón derecho para acomodar espacio para el corazón. La nariz de un perro (derecha) tiene una hendidura en el costado de cada fosa nasal. Al rastrear un aroma, las hendiduras se abren, bloqueando la parte frontal de las fosas nasales. Esto permite que el perro exhale por el área ahora abierta en el costado de las fosas nasales sin perder el aroma que se está siguiendo. (crédito a: modificación de obra por Geoff Stearns; crédito b: modificación de obra por Cory Zanker)

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 2.2). 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 un sistema circulatorio complejo, para transportar oxígeno por todo su cuerpo.

Figura 2.2. La célula del alga unicelular Ventricaria ventricosa es una de las más grandes conocidas, alcanzando de uno a cinco centímetros de diámetro. Como todos los organismos unicelulares, V. ventricosa intercambia gases a través de la membrana celular.

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 pequeños, literalmente, gusanos planos, que 'respiran' a través de la difusión a través de la membrana externa (Figura 2.3). 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.

Figura 2.3. El proceso de respiración de este gusano plano funciona por difusión a través de la membrana externa. (crédito: Stephen Childs)

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

¿Qué factores físicos y químicos afectan la velocidad de difusión de un gas y cómo? (Podrás encontrar algunas respuestas a esta pregunta en la siguiente sección de este capítulo).

Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

¿Cómo pueden respirar algunos peces en tierra?