El proceso respiratorio e intercambio gaseoso

Cómo se produce el intercambio gaseoso: Principios físicos y la difusión

• Presión atmosférica: El aire ejerce presión sobre las paredes que lo contienen.
• Presión parcial: Cada uno de los componentes del aire ejerce una presión según la proporción en la que está presente.
• Difusión: Cuando se ponen en contacto dos masas de aire de distinta composición, se produce un intercambio gaseoso y cada componente se dirige hacia la masa donde su presión parcial es menor.

En los animales, existen dos lugares principales donde se produce el intercambio de gases:

• Órganos respiratorios (branquias, pulmones): El O₂ va desde el aire o el agua a la sangre. El CO₂ se desplaza a la inversa.
• Superficie de las células: El O₂ va desde la sangre al citoplasma. El CO₂ se desplaza a la inversa.

En ambos casos, los gases atraviesan una fina capa de células denominada endotelio, que forma los capilares. Siempre se mueven desde donde su presión parcial es mayor hacia donde es menor. En los animales sencillos, no existe sistema circulatorio ni respiratorio, por lo que el intercambio de gases lo realiza cada célula directamente con el medio.

Tipos de respiración en animales

a) Animales sin sistema respiratorio (celentéreos, esponjas)

Las células obtienen el oxígeno y expulsan CO₂ directamente al aire o agua por difusión. Por esta razón, el animal no puede ser muy grueso ni tener mucha actividad, debido a que poseen un metabolismo muy bajo. A medida que los animales aumentan de tamaño, desarrollan estructuras especializadas para captar oxígeno (sistema respiratorio) y sistemas para su transporte por el interior del organismo (sistema circulatorio).

b) Estructuras respiratorias especializadas

Branquias: Son prolongaciones corporales (láminas o filamentos) muy vascularizadas para intercambiar gases con el agua. Existen dos tipos:

1. Branquias externas: Son prolongaciones corporales vascularizadas expuestas al medio acuático. El agua contiene poco oxígeno disuelto y este se encuentra sobre todo en zonas superficiales. Además, el agua se mueve con mayor dificultad que el aire; por ello, para un animal acuático, lo ideal es tener una superficie de intercambio amplia y externa sobre la que el agua circule y se renueve. Inconvenientes: Están expuestas a daños físicos. Presentes en moluscos, gusanos y algunos crustáceos.
2. Branquias internas: Son estructuras protegidas dentro del cuerpo. En el caso de los peces óseos, están cubiertas por el opérculo. En moluscos con branquias internas, estas están recubiertas de cilios que mueven el agua.

En los crustáceos, también con branquias internas, estas se sitúan en el caparazón. En peces y cefalópodos, el agua se renueve porque el animal se desplaza, consiguiendo que el fluido se mueva a través de él. La sangre circula en sentido contrario al agua para maximizar el intercambio.

Respiración cutánea y traqueal

Respiración cutánea: La respiración ocurre a través de la superficie corporal. Ventaja: El aire tiene mucho más oxígeno que el agua. Sin embargo, requiere adaptaciones anatómicas: piel delgada, húmeda y vascularizada. Presente en moluscos, muchos anélidos y anfibios.

Tráqueas: Son una red de tubos en artrópodos terrestres que llevan el aire directamente a las células. No requieren sistema circulatorio para el transporte de gases. Están compuestas de quitina con refuerzos anulares. Cada tráquea se abre al exterior por un orificio llamado espiráculo. Los insectos voladores, además, poseen sacos aéreos para mejorar la ventilación.

Pulmones en vertebrados e invertebrados

Pulmones: Cavidades muy vascularizadas comunicadas con el aire exterior.

a) Pulmones en invertebrados

1. Caracoles y babosas: Sus pulmones comunican con el exterior a través de un orificio llamado neumostoma, que permanece semicerrado para mantener la humedad. El oxígeno luego se distribuye por el aparato circulatorio.
2. Arañas: Tienen pulmones denominados «en libro» debido a sus cavidades laminares, situados en posición abdominal.

b) Pulmones en vertebrados

Los primeros animales con pulmones fueron ciertos peces que desarrollaron una cavidad en la laringe donde podían intercambiar gases con el aire, permitiéndoles resistir un tiempo fuera del agua. De ellos derivan todos los vertebrados terrestres y los peces pulmonados actuales. Cada grupo tiene diferentes mecanismos de ventilación:

1. Anfibios: Solo tragan aire; los demás grupos cambian el volumen de su cavidad torácica mediante músculos. Complementan su respiración cutánea con la pulmonar.
2. Reptiles: Han desarrollado plegamientos en los pulmones para aumentar la superficie.
3. Mamíferos: Han desarrollado alvéolos, bolsas llenas de aire y muy vascularizadas en los extremos de los bronquiolos, donde se produce el intercambio gaseoso.
4. Aves: Presentan sacos aéreos, similares a fuelles, los cuales no intervienen directamente en el intercambio de oxígeno, sino que facilitan el flujo continuo de aire sobre la superficie funcional del pulmón.

Ventilación pulmonar

Es el proceso por el cual el aire entra y sale de los pulmones, permitiendo el intercambio gaseoso. Consta de dos etapas:

1. Inspiración: Se contraen el diafragma y los músculos intercostales, provocando la expansión de la caja torácica y el ensanchamiento de los pulmones para que entre aire. Orden del aire: Boca/fosas nasales, faringe, laringe, tráquea, pulmones, bronquios, bronquiolos y alvéolos.
2. Espiración: Se relaja el diafragma y los músculos intercostales, lo que provoca la contracción de la caja torácica y la expulsión del aire.

En estado de reposo, este proceso se repite aproximadamente 16 veces por minuto. Durante el ejercicio, la frecuencia puede aumentar de 8 a 10 veces.

Proceso digestivo y etapas de la digestión

En los animales, los alimentos sólidos y líquidos ingresan a través de los sistemas digestivos, donde se transforman en nutrientes aprovechables. Las etapas son:

1. Captura e ingestión: Mediante estructuras propias del sistema digestivo (boca, lengua, dientes) u otras partes del cuerpo (garras, apéndices).
2. Digestión: Consiste en reducir el alimento en trozos más pequeños mediante procesos mecánicos (masticación) y procesos químicos (ácidos y enzimas).
3. Absorción: Es el paso de los nutrientes obtenidos en la digestión al medio interno. Puede realizarse desde el exterior o desde el interior del sistema digestivo.
4. Egestión: Expulsión de las sustancias no absorbidas a través del ano. No debe confundirse con la excreción.

Proceso circulatorio y transporte de nutrientes

Los animales marinos más sencillos y los primeros invertebrados terrestres carecen de sistemas circulatorio y respiratorio específicos. Sus células obtienen el alimento y los gases directamente del exterior o a través de fluidos intercelulares. Este mecanismo limita su actividad a movimientos lentos o inmovilidad.

Sistema circulatorio en invertebrados

a) Anélidos

Poseen un sistema circulatorio cerrado, donde la sangre fluye siempre por el interior de los vasos. Está formado por dos vasos longitudinales:

• Dorsal: La sangre circula de atrás hacia delante.
• Ventral: La sangre circula de la parte anterior a la posterior.

Están comunicados por vasos transversales llamados ensanchamientos contráctiles, que actúan impulsando la sangre.

b) Moluscos

1. Cefalópodos (pulpos, calamares): Sistema circulatorio cerrado con un corazón principal y dos corazones branquiales que bombean sangre hacia las branquias para su oxigenación.
2. No cefalópodos (caracoles, almejas): Sistema circulatorio abierto donde la hemolinfa baña directamente los órganos en hemocelomas. El corazón posee una o dos aurículas y un ventrículo dentro del pericardio.

c) Artrópodos terrestres (arácnidos, insectos)

Sistema circulatorio abierto en posición dorsal con ostiolos (orificios de entrada de hemolinfa). Al poseer respiración traqueal, no requieren pigmentos respiratorios en su sistema circulatorio para transportar oxígeno.

Sistema circulatorio en vertebrados

Es un sistema cerrado que contiene la sangre y sus componentes:

1. Glóbulos rojos (eritrocitos): Reservorios de hemoglobina que transportan oxígeno. Tienen forma de disco bicóncavo y se forman en la médula ósea.
2. Glóbulos blancos (leucocitos): Células de defensa con núcleo que destruyen infecciones.
3. Plaquetas: Fragmentos celulares esenciales para la coagulación sanguínea.

El sistema circulatorio linfático

Forma parte del sistema inmune. Los vasos linfáticos transportan la linfa a través de los ganglios linfáticos. Se divide en:

• Órganos linfoides primarios: Médula ósea, timo y bolsa de Fabricio (en aves).
• Tejidos linfoides secundarios: Ganglios linfáticos y tejido linfoide asociado a mucosas.

Existen dos tipos fundamentales de linfocitos:

• Linfocitos B: Producen anticuerpos específicos.
• Linfocitos T: Cooperadores que ayudan en la producción de anticuerpos y estimulan a los macrófagos.

Tipos de circulación sanguínea:

1. Sencilla: Un solo circuito; la sangre pasa una vez por el corazón (bicameral: 1 aurícula, 1 ventrículo).
2. Doble: Dos circuitos (menor o pulmonar y mayor o sistémica).

Nota: Los humanos presentan una circulación doble y completa, permitiendo una oxigenación eficiente.

La nutrición heterótrofa y metabolismo

Los animales necesitan obtener materia inorgánica y orgánica para:

1. Conseguir materia: Fabricar moléculas propias para crecer y reparar tejidos.
2. Conseguir energía: Para la contracción muscular, calor, transporte activo y reacciones químicas.

Metabolismo

Conjunto de reacciones químicas celulares:

• Catabolismo: Degradación de moléculas complejas para obtener energía (ATP) mediante respiración celular o fermentación.
• Anabolismo: Síntesis de moléculas complejas utilizando energía.

Conceptos adicionales de fisiología y virología

• a) Mecanismo de contracorriente: La sangre circula en sentido contrario al agua para maximizar el intercambio gaseoso.
• b) Cavidad gastrovascular: Invaginación con un solo orificio (boca/ano). Típica de pólipos y medusas.
• c) Tubo digestivo: Permite circulación unidireccional y especialización de tramos (aparición del ano).
• d) Vellosidades intestinales: Estructuras en el intestino delgado que absorben nutrientes.
• e) Glándulas anejas: Órganos que secretan enzimas esenciales para la digestión.
• f) Ciclo Lítico: Muerte celular por liberación de virus. Fases: 1. Adhesión, 2. Penetración, 3. Biosíntesis, 4. Ensamblaje, 5. Liberación, 6. Repetición.
• g) Ciclo Lisogénico: El ADN viral se integra en el genoma celular (provirus) y permanece latente hasta que un factor externo activa el ciclo lítico.

Sistemas implicados en la nutrición

Para una nutrición efectiva, interactúan cuatro sistemas:

1. Sistema Digestivo: Transforma alimentos en nutrientes. Orden: Boca, faringe, laringe, esófago, estómago, intestino delgado, intestino grueso y ano.
2. Sistema Respiratorio: Capta O₂ y expulsa CO₂.
3. Sistema Circulatorio: Comunica los sistemas con todas las células.
4. Sistema Excretor: Elimina desechos metabólicos.