2.2: Estructuras Respiratorias y su Función

Objetivos de aprendizaje

• Describir estructuras respiratorias seleccionadas en animales acuáticos y terrestres
• Explicar las relaciones entre estructura y función respiratoria en sistemas generalizados de animales acuáticos y terrestres.

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 2.4). 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.

Figura 2.4. Esta carpa común, como muchos otros organismos acuáticos, tiene agallas que le permiten obtener oxígeno del agua. (crédito: “Guitardude012″/Wikimedia Commons)

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 2.5. De manera similar, las moléculas de dióxido de carbono en la sangre se difunden de la sangre (alta concentración) al agua (baja concentración).

Figura 2.5. A medida que el agua fluye sobre las branquias, el oxígeno se transfiere a la sangre a través de las venas. (crédito “pez”: modificación de obra de Duane Raver, NOAA)

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 los 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 2.6) 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.

Figura 2.6. Los insectos realizan la respiración a través de un sistema traqueal.

Sistemas de 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 2.7). 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.

Figura 2.7. El aire ingresa al sistema respiratorio a través de la cavidad nasal y la faringe y luego pasa a través de la tráquea y hacia los bronquios, los cuales llevan aire a los pulmones. (crédito: modificación de obra por parte del NCI)

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre el sistema respiratorio de los mamíferos es falsa?

1. Cuando respiramos, el aire viaja desde la faringe hasta la tráquea.
2. Los bronquiolos se ramifican en bronquios.
3. Los conductos alveolares se conectan a sacos alveolares.
4. 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 llega a la tráquea (Figura 2.8). 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 la mitad del tórax. Se compone de anillos incompletos de cartílago hialino y músculo liso (Figura 2.8). 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 apresure 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.

Figura 2.8. La tráquea y los bronquios están hechos de anillos incompletos de cartílago. (crédito: modificación de obra por Grey's Anatomy)

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 2.9). El diafragma muscular, que facilita la respiración, es inferior (abajo) a los pulmones y marca el extremo de la cavidad torácica.

Figura 2.9. La tráquea se bifurca en los bronquios derecho e izquierdo en los pulmones. El pulmón derecho está formado por tres lóbulos y es más grande. Para acomodar el corazón, el pulmón izquierdo es más pequeño y solo tiene dos lóbulos.

En los pulmones, el aire se desvía hacia pasajes o bronquios cada vez más pequeños. 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 2.10). 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 m2. 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.

Figura 2.10. Los bronquiolos terminales están conectados por bronquiolos respiratorios a conductos alveolares y sacos alveolares. Cada saco alveolar contiene de 20 a 30 alvéolos esféricos y tiene la apariencia de racimo de uvas. El aire fluye hacia la aurícula del saco alveolar, luego circula hacia los alvéolos donde se produce el intercambio de gases con los capilares. Las glándulas mucosas secretan mucosas hacia las vías respiratorias, manteniéndolas húmedas y flexibles. (crédito: modificación de obra de Mariana Ruiz Villareal)

Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre el sistema respiratorio humano es falsa?
a. Cuando respiramos, el aire viaja desde la faringe hasta la tráquea.
b. Los bronquiolos se ramifican en bronquios.
c. Los conductos alveolares se conectan a los sacos alveolares.
d. El intercambio de gases entre los pulmones y la sangre tiene lugar en el alvéolo