¿Cuánto tiempo consigues contener la respiración? En promedio, las personas pueden contenerla hasta casi dos minutos; una persona que practica buceo libre puede llegar a un poco más de tres minutos. Los seres humanos y la mayoría de los animales necesitamos respirar constantemente para sobrevivir; pero, ya te preguntaste ¿cómo funciona exactamente la respiración? Aquí describiremos el proceso de respiración en los seres humanos y cuáles son las adaptaciones de las estructuras respiratorias para el intercambio de gases con el medioambiente.
¿Para qué nos sirve la respiración?
La respiración es un proceso fisiológico que consiste en el intercambio de gases, donde ocurre un intercambio de Oxígeno (O₂) y Dióxido de Carbono (CO₂) con el medio ambiente: entra oxígeno al cuerpo del ser vivo y se desecha CO₂. A lo largo de la historia evolutiva de los animales, han aparecido diferentes estructuras y órganos que llevan a cabo el proceso de intercambio de gases.
Con base en estas estructuras, existe una clasificación de los diferentes tipos de respiración:
- Respiración cutánea: El oxígeno ingresa al cuerpo a través de la piel. Las lombrices, platelmintos y esponjas presentan este tipo de respiración.
- Respiración traqueal: El oxígeno ingresa al cuerpo a través de estructuras tubulares o cilindrícas llamadas tráqueas. Arácnidos e insectos presentan este tipo de respiración.
- Respiración branquial: El oxígeno ingresa al cuerpo a través de estructuras llamadas branquias. Es el tipo de respiración más común en animales acuáticos, como los peces.
- Respiración pulmonar: Tipo de respiración más común en animales terrestres, el oxígeno ingresa al cuerpo a través de pulmones.
La mayoría de los anfibios, como sapos y ranas en sus fases inmaduras (renacuajos), presentan respiración traqueal. Cuando crecen, pueden presentar respiración cutánea o pulmunar.
Todos estos tipos de respiración están relacionados con un proceso vital de nuestro metabolismo llamado respiración celular.
La función de la respiración celular es la descomposición de moléculas orgánicas (principalmente glucosa) para la obtención de energía para la célula. En la mayoría de los organismos, la respiración celular es aeróbica: necesita oxígeno para llevarse a cabo.
La respiración celular produce dióxido de carbono (CO₂) como subproducto. El dióxido de carbono debe ser eliminado, ya que su acumulación es tóxica para las células. Para funcionar de forma óptima, el ser humano necesita absorber grandes volúmenes de oxígeno y eliminar grandes cantidades de dióxido de carbono. El intercambio de gases en el ser humano, y en todos los organismos con respiración celular aeróbica, consiste en cambiar el dióxido de carbono de la sangre por el oxígeno del aire.
Por lo tanto, necesitamos un sistema capaz de suministrar oxígeno a todas las células del cuerpo para la respiración celular y eliminar el dióxido de carbono producto de este proceso. Como la respiración celular es parte del metabolismo de los alimentos, esto significa que la respiración pulmonar es necesaria para el proceso de nutrición en los organismos.
La respiración asegura la concentración de oxígeno en la sangre, importante para la regulación de las reacciones metabólicas de un ser vivo.
¿Qué son los pulmones?
Los pulmones son el órgano respiratorio donde ocurre el intercambio de gases en animales terrestres.
Al ser la parte central del sistema respiratorio, el resto de las estructuras que conforman el sistema funcionan para movilizar el aire hacia y desde los pulmones. Dentro de los pulmones están los alveolos, diminutos sacos aéreos donde llega el aire inhalado y en cuyo epitelio ocurre el intercambio de gases.
¿Cómo respira el ser humano?
Para que la respiración pulmonar se produzca de forma eficaz, el aire entra y sale continuamente del pulmón. La respiración pulmonar puede dividirse en tres fases: la inspiración (toma de aire) y la espiración (exhalación) —que es a lo que comúnmente se le denomina ventilación— y el intercambio gaseoso.
El proceso global de respiración sigue el siguiente orden:
- Inspiración o inhalación: el oxígeno entra.
- Intercambio de gases: el oxígeno pasa del alveolo a los capilares, y en dirección opuesta para el dióxido de carbono.
- Espiración o exhalación: el dióxido de carbono sale del cuerpo.
1. Inhala -> 2. Intercambio de gases -> 3. Exhala
¿En qué consiste la inspiración y la espiración?
La ventilación, o el movimiento del aire hacia dentro y fuera de los pulmones, se debe al cambio de presión en la caja torácica. Este cambio de presión es creado por el movimiento del diafragma y los músculos intercostales (situados entre las costillas).
El diafragma es un músculo grande que se encuentra debajo de los pulmones y presenta una forma de cúpula, al estar relajado. Los músculos intercostales internos acercan las costillas entre sí, al contraerse; mientras que los externos las separan, al contraerse.
Estos músculos actúan para cambiar el volumen dentro del tórax. A una temperatura fija, el volumen que ocupa un gas es inversamente proporcional a la presión ejercida por el gas. Por lo tanto, el aumento del volumen del tórax (o del volumen que ocupa el gas) provoca una disminución de la presión en el interior de los pulmones. Como resultado, la presión atmosférica es mayor que la presión pulmonar, lo que hace que el aire entre en los pulmones. El proceso opuesto ocurre cuando disminuye el volumen del tórax.
Inspiración
La inspiración es un proceso activo que reduce la presión en el interior del pulmón, haciendo que el aire entre. Estos son los principales pasos que se producen durante la inspiración (ver Fig. 1):
- Los músculos intercostales internos se relajan.
- Los músculos intercostales externos se contraen para mover las costillas hacia arriba y hacia fuera.
- El diafragma se contrae y se aplana.
Espiración
La espiración es un proceso pasivo. Los pulmones y el tórax vuelven pasivamente a su posición original, tras la inspiración, debido a su retroceso elástico natural. La espiración se vuelve activa solo cuando la demanda de intercambio de gases es elevada; por ejemplo, durante el ejercicio.
Los principales pasos que se producen durante la espiración son los siguientes (ver Fig. 1):
- Los músculos intercostales externos se relajan.
- Los músculos intercostales internos se contraen, moviendo las costillas hacia abajo y hacia adentro (solo durante la espiración activa).
- El diafragma se relaja y recupera su forma de cúpula.
Como resultado, el volumen pulmonar disminuye durante la espiración. Esto aumenta la presión pulmonar y hace que supere la presión atmosférica, empujando el aire fuera de los pulmones.
Intercambio de gases en los pulmones
Como mencionamos, el intercambio de gases ocurre en los pulmones, específicamente en los alveolos (ver Fig. 2). Los alveolos están rodeados de fibras de colágeno y elastina, que les proveen elasticidad y permiten que se estiren y expandan durante la respiración. Los alveolos son los que están en estrecho contacto con el sistema circulatorio, para que el oxígeno pase a la sangre.
Las superficies de intercambio de gases o líquidos requieren características específicas para permitir una transferencia eficiente de materiales entre los organismos y los entornos. Esta transferencia se da por la difusión.
Luego de que el oxígeno pasa de los alveolos a los capilares, viaja a través de la sangre a todo el cuerpo hasta alcanzar cada célula. En este punto ocurre otra fase de intercambio gaseoso, en la que el oxígeno pasa del capilar al interior de la célula (hasta llegar a la mitocondria) y el dióxido de carbono pasa de la célula al capilar (para llegar a los alveolos y, finalmente, ser expulsado del cuerpo).
Difusión de gases
Hemos mencionado que el dióxido de carbono y el oxígeno se intercambian en la superficie de los alveolos. ¿Cómo ocurre este proceso? Recordemos que los gases se mueven por difusión.
La difusión es el movimiento de una sustancia a lo largo de un gradiente de concentración, desde un área de alta concentración a un área de baja concentración.
La difusión es un proceso pasivo, lo que significa que no requiere energía. Para que estos gases se intercambien eficazmente y se maximice la velocidad de difusión, el sistema de intercambio de gases tiene algunas adaptaciones. A continuación, hablaremos de ellas.
Características de los alveolos para el intercambio de gases
El oxígeno y el dióxido de carbono deben difundirse —tanto a través de las paredes alveolares, como de las capilares— en direcciones opuestas durante el intercambio de gases. Las adaptaciones de los alveolos para permitir la difusión rápida y eficaz de los gases son:
- Corta distancia de difusión: los alveolos tienen paredes muy finas. Están revestidos de un epitelio escamoso simple que solo tiene una célula de grosor. Los capilares sanguíneos que rodean a los alveolos también son muy finos y su endotelio tiene un grosor de una célula. Por lo tanto, los gases se difunden a corta distancia, lo que aumenta la velocidad y la eficacia del intercambio de gases.
- Gran superficie de intercambio (mediante una membrana parcialmente permeable): un alveolo es diminuto y tiene una superficie pequeña, por sí solo. Sin embargo, los alveolos forman grupos que tienen colectivamente una superficie mucho mayor. En cada pulmón humano hay aproximadamente 300 millones de alveolos, con una superficie colectiva de 70: ¡aproximadamente la mitad del tamaño de una pista de tenis! Los alveolos están rodeados por redes de finos capilares sanguíneos que, en conjunto, también tienen una gran superficie. Esta amplia superficie permite que el intercambio de gases se produzca rápidamente.
- Gradiente de concentración constante: el flujo constante de sangre a través de los capilares alveolares y la ventilación continua de aire que entra y sale de los pulmones crean y mantienen un gradiente de concentración pronunciado para el intercambio de gases. Este gradiente de concentración del oxígeno va de los alveolos a la sangre, mientras que el gradiente de concentración del dióxido de carbono va de la sangre a los alveolos.
Enfermedades respiratorias
Diversos trastornos pueden afectar a la pared alveolar, u obstruir las vías respiratorias y perjudicar la función de los pulmones. Estas enfermedades pulmonares incluyen el cáncer de pulmón, la EPOC y el asma, entre otras.
Cáncer de pulmón
El cáncer se desarrolla cuando las mutaciones alteran el control de la replicación celular, dando lugar a células que se dividen sin control y producen una masa de células anormales e irregulares. En los tumores de pulmón, los oncogenes (los genes supresores de tumores) de las células epiteliales bronquiales son los afectados por las mutaciones.
Un tumor es una hinchazón en el cuerpo causada por un crecimiento anormal del tejido. Los tumores pueden ser benignos (no cancerosos) o malignos (cancerosos).
Con el tiempo, el tumor empieza a alterar el funcionamiento normal de los pulmones, por ejemplo, constriñendo las arterias y venas pulmonares. Las células cancerosas malignas también se infiltran en el sistema linfático; así, pueden viajar dentro de los vasos linfáticos y establecer otro tumor en otra parte del cuerpo.
Los pacientes con cáncer de pulmón suelen presentar síntomas como tos persistente, tos con sangre o aumento de la mucosidad, pérdida repentina de peso y dificultades para respirar.
EPOC
La enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) se refiere a las enfermedades pulmonares que incluyen el enfisema (falta de aire) y la bronquitis crónica. Los síntomas de la EPOC son la falta de aire, la opresión en el pecho, la tos persistente y las sibilancias al hacer ejercicio o participar en cualquier actividad física.
El epitelio ciliado de la tráquea y los bronquios contiene células caliciformes que producen moco, atrapando y barriendo los microorganismos y las partículas de polvo de los pulmones. Cuando estos cilios se dañan, o dejan de funcionar, la mucosidad se acumula y provoca el estrechamiento de las vías respiratorias.
Varios factores de riesgo específicos aumentan la probabilidad de desarrollar EPOC. Algunos de ellos son: tabaquismo, contaminación del aire, genética, infecciones y ocupación (como trabajar con productos químicos y gases nocivos).
Asma
Durante un ataque de asma, los músculos que recubren las vías respiratorias de los pulmones se contraen en respuesta a la ansiedad o a partículas extrañas. Esto provoca el estrechamiento de las vías respiratorias y dificulta la respiración. Las personas asmáticas utilizan inhaladores que contienen salbutamol. Estos inhaladores hacen que los músculos de las vías respiratorias se relajen, con lo que se abren las vías respiratorias.
Respiración en humanos - Puntos clave
- La función de la respiración en los seres vivos es permitir el intercambio de gases (obtención de oxígeno y expulsión de dióxido de carbono) necesario para la respiración celular. Esta última es parte del metabolismo de los alimentos, por lo que la respiración pulmonar es necesaria para el proceso de nutrición en los organismos.
- Las tres fases de la respiración son: inspiración (toma de aire con oxígeno), intercambio de gases (oxígeno pasa del alveolo a los capilares y viceversa para el dióxido de carbono) y espiración (expulsión de aire con dióxido de carbono). La inspiración y espiración constituyen la ventilación pulmonar.
- Los alveolos tienen las siguientes adaptaciones para maximizar la eficiencia del intercambio de gases por difusión: corta distancia de difusión, gran superficie de intercambio (mediante una membrana parcialmente permeable) y un gradiente de concentración.
- Algunos ejemplos de enfermedades respiratorias más comunes son: EPOC, cáncer de pulmón y asma.
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