superficies de intercambio

¿Qué son las superficies de intercambio en biología?

Las superficies de intercambio son esenciales para todos los organismos, ya que sin ellas la vida no sería posible: los organismos morirían por falta de nutrientes o exceso de productos de desecho, y un organismo no podría comunicarse plenamente con su entorno.

Características de las superficies de intercambio gaseoso

Las superficies de intercambio intercambian gases, agua, nutrientes de los alimentos y muchas otras sustancias, y tienen que poder hacerlo con la mayor eficacia posible. Esto significa que deben compartir un conjunto de características que permitan el movimiento rápido de las sustancias dentro y fuera de la célula o del organismo. Estas características compartidas por las superficies de intercambio gaseoso incluyen

• Humedad
• Buen riego sanguíneo
• Gran superficie
• Corta distancia de transporte para que las sustancias se muevan a través de ella
• Refrescar el material con el que se intercambian las sustancias (aire, alimentos, etc.).

En los párrafos siguientes los veremos con más detalle.

Humedad en las superficies de intercambio

Manteniendo húmedas las superficies de intercambio, la velocidad de intercambio aumenta considerablemente, sobre todo cuando la sustancia que se intercambia es un gas, como en los pulmones. Al disolverse las sustancias en agua, pueden difundirse más fácilmente a través de la barrera de una superficie de intercambio que cuando están en su forma gaseosa. Esto se aplica a la mayoría de las superficies de intercambio, sin embargo, la fuente de humedad puede ser diferente en cada superficie de intercambio: en las superficies de intercambio como el tracto gastrointestinal, la sustancia (es decir, los alimentos) suele aportar su propia humedad, pero los pulmones tienen su propia producción de humedad.

Suministro de sangre pesada en las superficies de intercambio

Como ya sabrás, el transporte pasivo de sustancias depende de la presencia de un gradiente de difusión o, en el caso del agua, de un gradiente osmótico o una diferencia de potencial hídrico. Esto se consigue utilizando dos métodos: un fuerte aporte sanguíneo y refrescando constantemente el material con el que se intercambian las sustancias. Para un intercambio óptimo, se combinan ambos métodos.

Asegurándose de que las superficies de intercambio tengan un aporte sanguíneo abundante, las sustancias absorbidas se eliminan fácilmente, y en su lugar se suministra sangre fresca sin sustancias absorbidas, manteniendo una concentración más alta en el material del que se absorben las sustancias.

Esto también sirve para funcionar en sentido contrario. Cuando se excretan sustancias de desecho del cuerpo, como el dióxido de carbono (_CO2), a través de la superficie de intercambio, el riego sanguíneo aporta materiales de desecho frescos a la superficie de intercambio, asegurando que se mantenga un gradiente de concentración que garantice el flujo de desechos fuera del cuerpo.

Grandes superficies en las superficies de intercambio

Las superficies de intercambio suelen tener una gran superficie en relación con el volumen del organismo. Esto se consigue generalmente bien porque el organismo es pequeño, como en los organismos unicelulares, en los que la superficie de la membrana celular es suficiente para permitir un intercambio suficiente, o bien mediante estructuras especializadas en los sistemas de intercambio, como los alvéolos de los pulmones y las vellosidades del tubo digestivo.

Al aumentar la superficie, hay más oportunidades de intercambiar cosas. Puedes pensar que cada centímetro cuadrado (^cm2 ) de superficie de intercambio puede intercambiar una cantidad limitada por minuto. Digamos que cada centímetro cuadrado de tejido pulmonar puede intercambiar 20 moléculas de oxígeno por minuto. Si el pulmón tuviera una superficie de 10 ^cm2, podría intercambiar 200 moléculas de oxígeno por minuto. Pero si tuviera 20 ^cm2, podría intercambiar 400 moléculas de oxígeno por minuto.

Al aumentar la superficie, aumentas el número de centímetros cuadrados capaces de intercambiar una cantidad limitada de moléculas cada minuto, acelerando el intercambio. Este intercambio puede producirse mediante transporte pasivo o activo.

Corta distancia de transporte en las superficies de intercambio

Al minimizar la distancia que tienen que recorrer las sustancias durante un intercambio, aumenta la velocidad de intercambio, ya que las partículas tienen que recorrer menos distancia. En otras palabras, pasarían antes al lado opuesto del intercambio, por ejemplo la sangre, y por tanto serían transportadas lejos del punto de intercambio más rápidamente. Esto ayuda a mantener el intercambio a un ritmo rápido.

Refrescar la sustancia de intercambio

Refrescar la sustancia de intercambio se refiere arenovar constantemente la sustancia de la que un organismo está obteniendo nutrientes, o a la que un organismo está excretando residuos. Esto ayuda a mantener los gradientes de concentración diferentes y lo suficientemente pronunciados como para garantizar un intercambio rápido en las superficies de intercambio. En los pulmones, por ejemplo, respiras constantemente, refrescando los gases de los pulmones, eliminando_{el CO2} y manteniendo un gradiente de concentración.

Cuando estamos excretando residuos en una sustancia a través de una superficie de intercambio, obviamente queremos mantener los gradientes lo más pronunciados posible, para eliminar las sustancias del cuerpo lo más rápido posible. También es extremadamente importante mantener la absorción de nutrientes a un ritmo lo suficientemente alto como para garantizar que cada parte del organismo obtenga la nutrición suficiente para sobrevivir.

Esto también afecta a las sustancias que ingiere el cuerpo. Si te limitas a dejar material junto a una superficie de intercambio, con el tiempo empezarán a agotarse las sustancias absorbidas. Al refrescar el material, aportas un suministro constante de nuevos nutrientes listos para ser absorbidos. Esto se demuestra con la respiración, que lleva constantemente oxígeno fresco a los pulmones, o con el peristaltismo, que mueve los alimentos a través del tracto gastrointestinal.

Sistemas de intercambio

Como se ha descrito anteriormente, algunos organismos unicelulares o pluricelulares muy simples pueden depender exclusivamente de la exposición al medio ambiente para algunas o todas sus necesidades de intercambio. Una vez que los organismos aumentan de tamaño, esto deja de ser así, y se hacen necesarias superficies de intercambio específicas para garantizar que los organismos puedan ingerir suficiente nutrición y excretar suficientes desechos.

Laley del cubo cuadrado de describe la relación entre el tamaño de un organismo y su superficie. Es esta ley la que crea un límite superior para el tamaño de una sola célula, a menos que esté adaptada para tener una gran superficie en relación con su tamaño total, como por ejemplo por ser muy larga y delgada, con múltiples núcleos o por estar rodeada de células de soporte como lo están las células nerviosas.

La célula unicelular más grande es un huevo de avestruz, que mide unos 18x18 cm. Los organismos unicelulares como Caulperla taxifolia, un tipo de alga, pueden llegar a ser más grandes en algunas dimensiones; sin embargo, tienen varias adaptaciones que les permiten alcanzar este tamaño, que crean superficies de intercambio y también poseen múltiples núcleos.

Los resultados de la ley del cubo cuadrado pueden mostrarse como la relación superficie/volumen. Si la relación superficie/volumen es demasiado baja, el organismo debe desarrollar sistemas de intercambio que permitan un intercambio eficaz de sustancias o corre el riesgo de quedarse sin nutrientes o envenenarse con sus propios desechos.

Adaptaciones de las superficies de intercambio

Las superficies de intercambio eficientes son de extrema importancia para la supervivencia de cada organismo. Por ello, las superficies de intercambio han evolucionado y se han adaptado para optimizar los intercambios en las distintas condiciones y situaciones en que son necesarias. Veremos dos ejemplos de ello: las branquias y los estomas.

Adaptaciones de las branquias de los peces como superficies de intercambio

Absorber el oxígeno del agua es más difícil que absorberlo del aire, ya que hay un porcentaje menor de oxígeno molecular disuelto en el agua que en el aire que respiran los animales terrestres. Sin embargo, los peces (y otros animales acuáticos) han desarrollado branquias para optimizar el proceso. Las branquias son especialmente adecuadas para el intercambio de gases en el agua, como puedes ver en la tabla siguiente.

Tabla 1. Adaptaciones de las branquias de los peces para aumentar la velocidad y la eficacia del intercambio gaseoso.

Fig. 2. Estructura de las branquias de los peces. Observa cómo hay muchos filamentos por branquia, y muchas laminillas por filamento, lo que aumenta la superficie de intercambio en comparación con una superficie de intercambio única y recta.

Adaptaciones de los estomas como superficies de intercambio

Las plantas también tienen superficies de intercambio de gases que han evolucionado para optimizar la liberación o absorción de oxígeno y dióxido de carbono: los estomas.

Fig. 3. Los estomas de las plantas son las grandes estructuras rojas que puedes observar en la imagen. Fuente: Flickr.

¿Qué adaptaciones tienen los estomas para que funcione el intercambio de gases en las hojas? El principal problema de las plantas es que al intercambiar gases con el medio ambiente también aumentan la pérdida de agua. Piénsalo: las hojas son las partes de la célula sobre las que más pega el sol. Por tanto, los estomas tienen dos adaptaciones para reducir la pérdida de agua:

• Los estomas están situados en la superficie inferior de las hojas para que el sol no incida directamente sobre los poros, a través de los cuales se perderán los gases y el agua.
• Los estomas pueden abrirse y cerrarse. La apertura de los estomas está regulada por la cantidad de agua que tenga la planta. Si tiene mucha agua, los estomas pueden permanecer abiertos durante más tiempo, pero cuando la planta pierde mucha agua, los estomas se cierran para reducir la pérdida de agua.

Superficies de intercambio en el cuerpo humano

Un ejemplo de organismo cuya relación superficie/volumen es demasiado baja para depender simplemente del intercambio con el medio ambiente somos tú y yo (¡recuerda la ley del cubo cuadrado!). Los humanos tenemos varios sistemas diseñados para maximizar el intercambio de sustancias dentro y fuera del cuerpo, como los pulmones y el tubo digestivo.

Los pulmones como superficies de intercambio en el cuerpo humano

Los pulmones están adaptados para favorecer el intercambio gaseoso de varias maneras, cada una de las cuales se adhiere a los principios descritos anteriormente:

• Superficies húmedas son proporcionadas por la liberación de una pequeña cantidad de líquido en el interior de los pulmones, que contiene una sustancia denominada surfactante. Éste se compone de proteínas y lípidos, que reducen la tensión superficial en los pulmones. Esto ayuda a los pulmones a expandirse, limita la atracción de líquidos desde los capilares hacia el interior de los pulmones, humedece el aire que respiramos y contribuye a la inmunidad innata. Esto permite que los gases se disuelvan, lo que significa que pueden difundirse más eficazmente en el organismo.
• Un buen suministro de sangre lo proporcionan los numerosos capilares que rodean cada alvéolo, que intercambian rápidamente oxígeno y dióxido de carbono con el aire de los pulmones, antes de llevarlos a otras partes del cuerpo, trayendo sangre fresca desoxigenada y cargada de dióxido de carbono, lista para intercambiar más.
• La gran superficie la proporciona la estructura de los pulmones. Las vías respiratorias se ramifican gradualmente en conjuntos de tubos cada vez más pequeños, que van de la tráquea a los bronquios descendentes y luego a los bronquiolos, donde el aire acaba desembocando en unos sacos llamados alvéolos. Estos pequeños sacos expandibles están envueltos por capilares, y proporcionan una superficie de ~50-70 metros cuadrados.
• La corta distancia de difusión la proporciona la delgada naturaleza de las células epiteliales que recubren los alvéolos, junto con la pared unicelular del capilar. Esto significa que el oxígeno y el dióxido de carbono sólo deben moverse a través de dos células antes de entrar en el torrente sanguíneo y ser arrastrados.
• Larenovación continua del material que se intercambia se consigue mediante la respiración constante, eliminando el aire lleno de dióxido de carbono y sustituyéndolo por aire fresco lleno de oxígeno.

Fig. 2. Los alvéolos, la principal superficie de intercambio de los pulmones

El tracto gastrointestinal como superficie de intercambio en el cuerpo humano

El tracto gastrointestinal absorbe los nutrientes y el agua de los alimentos y líquidos que consumimos. Al igual que los pulmones, tiene varias adaptaciones para hacerlo:

• Las superficieshúmedas las proporciona el líquido que consumimos al mezclarse con los alimentos, junto con la liberación de mucosidad y otras sustancias llenas de humedad en el tracto GI.
• Al igual que en los pulmones, un buen suministro de sangre lo proporcionan los capilares que suben a cada vellosidad del intestino, junto con los pliegues circulares regulares del intestino.
• Una gran superficie la proporcionan las vellosidades, pequeñas proyecciones en forma de dedo dentro del lumen del intestino delgado, junto con los pliegues circulares que poseen las paredes del intestino. Los intestinos también son increíblemente largos, lo que significa que el tiempo de tránsito del material a través de ellos se prolonga, aumentando la superficie a la que está expuesto el material.
• Lascortas distancias de difusión las proporcionan los capilares y los lacteales, que se extienden a lo largo de cada vellosidad, lo que significa que, al igual que en los alvéolos, las sustancias sólo deben atravesar dos células para entrar en el torrente sanguíneo.
• Los alimentos se mueven a lo largo del tracto gastrointestinal, lo que significa que se introduce constantemente material fresco con suministros frescos de nutrientes y agua.

Fig. 3 - Las vellosidades del intestino delgado, que constituyen la mayor parte de la superficie del tubo digestivo.

El tubo digestivo, a diferencia de los pulmones, también utiliza el transporte activo para garantizar que puede absorber sustancias independientemente de los gradientes de concentración, maximizando la eficacia de la extracción de nutrientes de los recursos que consumimos.