Respiración: concepto, procesos y ¿Por qué respiramos?
La respiración es un importante proceso fisiológico que ocurre en los organismos vivos, mediante el cual se toma oxígeno del entorno y se libera dióxido de carbono. Además, el término respiración también se aplica al proceso de generación de energía en las células, a partir de la combustión de moléculas como los hidratos de carbono y las grasas.
El proceso de respiración celular, que es la forma en que las células generan energía, produce dióxido de carbono y agua como productos. Es importante distinguir este proceso de la respiración a nivel fisiológico en los organismos en su totalidad. La respiración celular es similar en una amplia gama de organismos, desde los unicelulares como la ameba y el paramecio, hasta los organismos más complejos. Para obtener más información sobre la respiración en plantas, consulta fuentes especializadas en el tema.
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EL PROCESO DE LA RESPIRACIÓN
En los organismos pertenecientes a los reinos Protistas y Móneras, no existen estructuras especializadas para la respiración, sino que realizan el intercambio de oxígeno y dióxido de carbono a través de la membrana celular por difusión. La concentración de oxígeno en el interior del organismo es menor que en el medio externo, ya sea aéreo o acuático, mientras que la concentración de dióxido de carbono es mayor. Esto provoca que el oxígeno penetre en el organismo por difusión y que el dióxido de carbono salga del organismo por el mismo proceso. Las plantas y las esponjas también tienen un mecanismo similar para la respiración.
En organismos acuáticos de menor complejidad que las esponjas, existe un sistema circulatorio que transporta los gases respiratorios desde el exterior de los tejidos hasta el interior de las células. Este mecanismo es necesario debido a que las células se encuentran alejadas del sitio donde se lleva a cabo el intercambio gaseoso. En animales más avanzados, los órganos se especializan para aumentar la superficie de exposición del sistema circulatorio al medio externo, y la sangre, que es el fluido circulatorio, transporta este medio líquido por todo el organismo. La sangre contiene pigmentos respiratorios, que son moléculas orgánicas complejas compuestas por una proteína y un grupo prostético que contiene hierro.
La hemoglobina es el pigmento respiratorio más común que se encuentra en la sangre de casi todos los mamíferos. Es una proteína globulina que contiene un grupo hemo y un ion de hierro. En algunos insectos, la hemocianina es el pigmento respiratorio, que es similar a la hemoglobina pero contiene cobre en lugar de hierro. La propiedad más importante de estos pigmentos es su afinidad por el oxígeno. Cuando están expuestos a un medio rico en oxígeno, como la atmósfera, la hemoglobina forma una combinación química reversible con el oxígeno.
Este proceso ocurre en los capilares de los órganos respiratorios, como las branquias y los pulmones. Cuando la hemoglobina se combina con el oxígeno formando oxihemoglobina, se vuelve más ácida y provoca la disociación de los iones bicarbonato y carbonato de sodio del plasma sanguíneo. Cuando la sangre oxigenada, rica en oxihemoglobina, llega a los tejidos, se invierte el equilibrio de oxígeno y la hemoglobina libera oxígeno al volverse más básica. Esto provoca la liberación de iones sodio que se combinan con el dióxido de carbono procedente de los tejidos para formar bicarbonato de sodio. La respiración externa se refiere al intercambio de gases entre la sangre y el exterior, mientras que la respiración interna es el intercambio de gases entre la sangre y los tejidos.
LA RESPIRACIÓN EN LOS ANIMALES
Los animales acuáticos realizan la respiración externa a través de branquias que mantienen un flujo constante de agua gracias a mecanismos auxiliares. Estas branquias presentan una estructura ramificada similar a plumas, con pequeños vasos sanguíneos que se subdividen en cada ramificación. De esta manera, la sangre se encuentra separada del medio acuático por dos capas celulares: una forma la pared del capilar y la otra es el epitelio de la branquia. Esto permite una difusión fácil de gases a través del epitelio y, debido a la gran superficie de contacto lograda por la ramificación, una cantidad considerable de sangre puede oxigenarse en poco tiempo. En algunas formas de respiración aérea, como en los gusanos de tierra, la respiración tiene lugar a través de los capilares de la piel, mientras que, en formas anfibias como las ranas, la respiración ocurre tanto a través de la piel como de los pulmones.
Los insectos cuentan con un sistema de tráqueas para la respiración, el cual consiste en aperturas externas que se ramifican internamente entre los tejidos, permitiendo el transporte de aire hacia los órganos y estructuras internas. Por otro lado, los reptiles y mamíferos respiran exclusivamente a través de los pulmones. Sin embargo, las aves poseen sacos aéreos en su interior, así como espacios de aire en algunos huesos, los cuales están conectados con los pulmones y funcionan como auxiliares en la respiración pulmonar.
El sistema circulatorio y respiratorio de los animales terrestres experimenta modificaciones y adaptaciones en función de las condiciones ambientales del entorno en el que habitan. Por ejemplo, aquellos animales que viven en altitudes elevadas como los Andes, a 3.000 metros o más sobre el nivel del mar, presentan pulmones de mayor tamaño, capilares más ramificados y un ritmo cardiaco más acelerado. Además, su sangre contiene aproximadamente un 30% más de glóbulos rojos en comparación con aquellos que viven a nivel del mar, lo que les permite sobrevivir con niveles de oxígeno un tercio inferiores.
En general, los mamíferos acuáticos presentan pulmones de gran tamaño y sistemas venosos altamente desarrollados para el almacenamiento de sangre. Comparado con los seres humanos, el volumen sanguíneo de ballenas y focas es aproximadamente un 50% mayor por kilogramo de peso, lo que les permite mantener oxigenados sus tejidos durante largos periodos de tiempo sin necesidad de respirar. Por ejemplo, las ballenas pueden permanecer sumergidas desde 15 minutos hasta más de una hora, dependiendo de la especie, mientras que el elefante marino puede aguantar bajo el agua hasta 30 minutos. Durante la inmersión, la frecuencia cardiaca de las focas disminuye de 150 a tan solo 10 latidos por minuto, y el contenido de oxígeno en su sangre arterial puede descender hasta un 20%. Cuando la concentración de oxígeno se reduce a aproximadamente un 2%, la foca regresa a la superficie para respirar.
RESPIRACIÓN HUMANA
En los humanos y otros vertebrados, los pulmones se encuentran ubicados en la cavidad torácica, rodeada por las costillas que forman una estructura conocida como caja torácica. La base de la caja torácica está delimitada por el diafragma. Cuando los músculos intercostales se contraen, las costillas se inclinan hacia adelante y hacia abajo, lo que aumenta el volumen de la cavidad torácica. Al mismo tiempo, los músculos del diafragma se contraen y se mueven hacia abajo, lo que también contribuye a aumentar el volumen del tórax. Esta presión interna en la cavidad torácica permite que los pulmones se mantengan en contacto con las paredes de la caja torácica sin colapsarse.
Durante la inspiración, cuando el tórax se expande, los pulmones se llenan de aire. Cuando los músculos del tórax se relajan, volviendo a su estado natural contraído, el aire es forzado a salir de los pulmones durante la espiración. En cada respiración, se inhalan y exhalan más de 500 cc de aire, lo que se conoce como volumen de aire corriente o de ventilación pulmonar. Además, se puede inhalar un volumen adicional de 3.300 cc de aire con una inspiración forzada, llamado volumen de reserva inspiratoria. Después de exhalar este volumen, aún se puede expulsar 1.000 cc de aire con una espiración forzada, conocido como volumen de reserva espiratoria. La suma de estas tres cantidades se denomina capacidad vital. Además, siempre queda un volumen de 1.200 cc de aire en los pulmones que no puede salir, conocido como volumen de aire residual o alveolar.
Los pulmones en los seres humanos tienen una coloración rojiza y una forma piramidal que se ajusta a la cavidad del tórax. No son completamente simétricos; el pulmón derecho se compone de tres lóbulos, mientras que el izquierdo tiene dos, este último aloja al corazón en una cavidad especial. En el centro de cada pulmón se encuentra la raíz, que conecta el pulmón con el mediastino, la porción central del pecho. La raíz está formada por las dos membranas de la pleura, los bronquios, las venas y las arterias pulmonares. Los bronquios se originan en los pulmones y se dividen y subdividen hasta llegar a los lobulillos, que son las unidades anatómicas y funcionales de los pulmones.
Las arterias y venas pulmonares se ramifican junto con los bronquios, convirtiéndose en arteriolas y vénulas más pequeñas que recorren los lobulillos, y luego en una intrincada red de capilares que conforman las paredes de los alveolos pulmonares. Los nervios del plexo pulmonar y los vasos linfáticos se distribuyen de manera similar. Dentro de los lobulillos, los bronquiolos se dividen hasta llegar a los bronquiolos terminales, que se abren en el atrio o conducto alveolar. Cada atrio se subdivide en sacos alveolares, y estos a su vez en alveolos.
Los centros nerviosos principales que regulan el ritmo y la intensidad de la respiración se encuentran en el bulbo raquídeo (también conocido como médula oblongada) y en la protuberancia anular (o puente de Varolio) del tronco encefálico (ver Encéfalo). Las células de estos núcleos son sensibles a los cambios en la acidez sanguínea, la cual está relacionada con la concentración de dióxido de carbono en el plasma sanguíneo. Cuando la acidez de la sangre es alta, lo cual suele ser resultado de un exceso de dióxido de carbono disuelto, los centros respiratorios estimulan a los músculos respiratorios para aumentar su actividad. Por otro lado, cuando la concentración de dióxido de carbono es baja, la respiración disminuye su ritmo.
La insuficiencia circulatoria puede resultar en una disminución del suministro de oxígeno a los tejidos del cuerpo debido a un volumen circulatorio inadecuado o a una alteración en la capacidad de transporte de oxígeno. Para obtener más información sobre otras perturbaciones del sistema respiratorio, se pueden consultar los artículos sobre enfermedades específicas como el Asma bronquial, el Síndrome de descompresión rápida, la Bronquitis, el Resfriado común, la Difteria, la Gripe, la Pleuresía, la Neumonía o la Tuberculosis.
