Apuntes Bio 06

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Biología – Plan Común

Procesos y Funciones Vitales III Respiración Al término de esta lección podrás: Distinguir las estructuras especializadas en el intercambio de gases en animales y plantas. Conocer el mecanismo de los distintos movimientos respiratorios. Describir el recorrido del aire en el sistema respiratorio humano. Entender la regulación nerviosa de la respiración humana.

La palabra respiración se utiliza indistintamente en Biología para dos procesos diferentes. La respiración celular hace referencia a los procesos metabólicos dependientes de oxígeno que tienen lugar en la célula, cuyo fin es la producción de energía en forma de ATP. La respiración externa se refiere al intercambio de gases entre el organismo y su medio externo. En esta lección trataremos la respiración externa, un proceso activo que permite a animales y vegetales realizar el necesario intercambio gaseoso, no sólo para la obtención de oxígeno, sino que también para la eliminación de desechos de su propio metabolismo. Las estructuras involucradas en el proceso de la respiración, dependen de la complejidad de los organismos que respiran. En organismos unicelulares sencillos, como protozoos y bacterias, el intercambio gaseoso ocurre directamente por difusión, sin necesidad de estructuras especializadas. En el caso de animales sencillos, como las esponjas, el intercambio ocurre también por difusión hacia y desde las células. Animales más complejos, que viven en entornos húmedos, como algunos anfibios y anélidos, realizan respiración cutánea, es decir, intercambian gases a través de su piel. Sin embargo, en la medida que los organismos se hacen más grandes y complejos, la demanda interna por un intercambio eficiente aumenta, y por ende, aparecen estructuras especializadas que hacen más eficiente el proceso de difusión.

1. Mecanismos Respiratorios. 1.1 Respiración Branquial. Las branquias son estructuras respiratorias que se encuentran principalmente en animales acuáticos, ya que tienden a colapsarse en el aire. Usualmente son finas proyecciones de la superficie corporal, altamente irrigadas. Existen diversos tipos de branquias. En una primera aproximación se pueden clasificar en internas y externas.

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Las branquias externas son menos evolucionadas que las internas. Ejemplo de branquias externas son las branquias de las salamandras, las cuales están en contacto directo con el agua circundante. Las branquias externas son más propensas a sufrir daño por agentes extraños.

Las branquias internas son frecuentes en los cordados, es decir, animales que cuentan con una columna vertebral central. La faringe está perforada por una serie de hendiduras, y las branquias se ubican en los bordes de estas hendiduras. En peces óseos, las branquias se encuentran protegidas por una placa ósea, denominada opérculo. En otros organismos con branquias internas, estas se encuentran protegidas en cavidades protectoras que varían dependiendo del organismo.

1.2 Respiración Traqueal En insectos y algunos artrópodos el aparato respiratorio se compone de una serie de tubos llamados tráqueas, conectados a pequeñas aberturas denominadas espiráculos. En insectos grandes, o activos, el aire sale y entra del cuerpo a través de los espiráculos por movimientos del cuerpo, o movimientos rítmicos de los tubos traqueales. Los tubos traqueales se ramifican y extienden a todas partes del animal, terminando en traqueolas muy pequeñas, llenas de líquido, donde ocurre el intercambio de gases por osmosis directamente con las células.

1.3 Respiración Pulmonar Los pulmones son estructuras respiratorias que se desarrollan como invaginaciones de la superficie corporal, o bien, a partir de la pared de una cavidad corporal. No todos los pulmones son iguales, la morfología pulmonar depende de la demanda de oxígeno que tiene cada especie en particular, pudiendo existir variadas formas y tamaños para este órgano, desde los pulmones en libro de los arácnidos, similares a un fuelle, a los pulmones de aves, complejos y con una mayor superficie interna. Estas últimas, son animales muy activos, con una elevada tasa metabólica, por lo tanto, requieren una gran cantidad de oxígeno para desarrollar sus actividades. Los pulmones de las aves poseen varias extensiones llamadas sacos aéreos, que llegan a todas las partes del cuerpo, incluso dentro de los huesos.

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2. Sistema Respiratorio Humano El aparato respiratorio de los humanos, así como el de otros vertebrados pulmonados, consta de una serie de tubos por los cuales el aire circula, desde la nariz hasta los alvéolos pulmonares. El recorrido comienza en la nariz, donde el aire es calentado y humidificado. La nariz desemboca en las cavidades nasales, revestidas de epitelio ciliado, es decir, una monocapa de células ciliadas. Existen además células mucosas que producen más de medio litro de moco al día. En conjunto, el epitelio y las células mucosas permiten que suciedad, bacterias y otras partículas extrañas queden atrapadas en las cavidades nasales, y sean arrastradas hacia la garganta, camino al aparato digestivo donde son finalmente destruidas. Posteriormente el aire ingresa a la faringe, sigue hacia la laringe y llega finalmente a la tráquea. En la tráquea, el aire inspirado se divide en dos partes, cada una de las cuales se dirige hacia un pulmón. La traquea se ramifica en el interior de cada pulmón en los bronquios (uno por cada pulmón), los cuales a su vez se dividen en bronquiolos. Los bronquiolos más pequeños terminan en racimos microscópicos de sacos aéreos denominados alvéolos. En los alvéolos el oxígeno difunde desde el aire inspirado hacia la sangre, la cual es transportada por una red de capilares sanguíneos que envuelve a cada alvéolo. Al mismo tiempo, el dióxido de carbono de la sangre difunde hacia la fase gaseosa en el alvéolo, y es exhalado a través de los conductos respiratorios. La secuencia que sigue el aire luego de ingresar al cuerpo es: Nariz – Faringe – Laringe – Tráquea – Bronquio – Bronquiolo – Alvéolo.

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El pulmón derecho se divide en tres lóbulos, mientras que el izquierdo sólo en dos. Dada su constitución esponjosa, llena de conductos aéreos, el área interna del pulmón es muy grande. En humanos, se estima que equivale al área de una cancha de tenis. Es importante que conozcas además una última estructura: la pleura. La pleura es una membrana que cubre los pulmones. Entre la pleura y la superficie pulmonar existe una cavidad llena de líquido, que permite la lubricación entre los pulmones y la cavidad torácica.

3. Mecanismo de la Respiración La Respiración Video

http://www.youtube.com/watch?v=oZMhyiEnMaM http://www.youtube.com/watch?v=8APCesVbEL8&NR=1

La respiración es un proceso mecánico que nos permite llevar aire desde el ambiente hacia nuestros pulmones, para luego expelerlo desde los pulmones hacia el ambiente. La inhalación de aire se denomina inspiración, mientras que la exhalación es la espiración. En promedio, un adulto respira 12 veces por minuto. La cavidad torácica, donde se alojan los pulmones, está cerrada, de manera que la única vía de entrada de aire es a través de la tráquea. Durante la inspiración, la cavidad torácica se expande por la contracción del diafragma, un músculo que constituye el piso de esa cavidad. Cuando el diafragma se contrae, se desplaza hacia la porción inferior de la cavidad (es decir, en dirección a tus pies) y con ello aumenta el volumen de la cavidad torácica. Como consecuencia del aumento de volumen (recordando la ley de Boyle), la presión interna disminuye, y el aire entra, hasta que la presión interna se iguala con la presión externa. Al inspirar de forma forzada, se contraen además los músculos intercostales, elevando las costillas y aumentando aún más el volumen de la cavidad, con la consiguiente baja de presión interna y entrada subsiguiente de aire. Durante la expiración, los músculos del diafragma, e intercostales, se relajan, aumentando transitoriamente la presión interna. Como consecuencia, el aire sale desde el interior hacia el exterior, donde la presión es más baja. Los alvéolos pulmonares, se desinflan, expeliendo el aire previamente inhalado. La presión vuelve al valor normal y el pulmón se encuentra listo para otra carga de aire. En la respiración, como dijimos, se realiza un fenómeno denominado intercambio gaseoso, en el cual, el oxígeno y el CO2 difunden desde zonas de mayor concentración a zonas de menor concentración. El mecanismo de transferencia involucra a una proteína denominada hemoglobina, que se encuentra en altas concentraciones en el citoplasma de los eritrocitos o glóbulos rojos. Los detalles del proceso se encuentran explicados en la lección anterior, sobre la circulación. Puedes releerla para asegurarte que entendiste bien el proceso en su totalidad.

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4. Regulación de la Respiración La respiración se regula en centros especializados del encéfalo, denominados centros respiratorios. Estos son grupos de neuronas que reciben información relevante para la respiración, la evalúan y envían mensajes a los músculos respiratorios, alterando la frecuencia respiratoria. En el encéfalo, los centros respiratorios se encuentran en el bulbo raquídeo, y en la protuberancia anular. Ambos centros se encargan de mantener lo parámetros rítmicos de la respiración normal. En el centro del bulbo raquídeo, hay dos grupos de neuronas: el grupo respiratorio dorsal y el grupo respiratorio ventral. Ambos grupos se conectan con las neuronas motoras de la médula espinal, las cuales inervan la musculatura respiratoria, tanto el diafragma como los músculos intercostales. El ritmo básico de la respiración puede ser modificado en respuesta a las necesidades del cuerpo. La capacidad de determinar un cambio en las necesidades respiratorias se encuentra en distintos receptores, terminaciones nerviosas especializadas que se encuentran en distintos puntos del cuerpo. Dentro de la médula, y en las paredes de la aorta y arterias carótidas existen quimiorreceptores que son sensibles a cambios de concentración de protones, es decir, sensibles al pH. Cuando el pH de la sangre disminuye, por ejemplo, por un aumento en la concentración de CO2, se estimulan estos quimiorreceptores y aumenta la frecuencia y profundidad de la respiración. Los quimiorreceptores son sensibles también a grandes cambios en la presión parcial de oxígeno, es decir, si el oxígeno disponible desciende notablemente, se produce un efecto similar, aumentando frecuencia y profundidad de la respiración.

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La respiración no es por completo un proceso voluntario. Pese a que puede ser influida voluntariamente, el control nervioso no puede ser sobrepasado voluntariamente. El aguantar la respiración por un período largo de tiempo aumenta la concentración de CO2 en la sangre, disminuyendo el pH, y esto invariablemente producirá un deseo impostergable de respirar.

5. Respiración en Plantas La epidermis de las hojas de las plantas, está cubierta de diminutos poros llamados estomas. Un estoma está delimitado por dos células de guarda o células oclusivas, que dejan un pequeño poro en su centro denominado ostiolo. Estas células tienen la propiedad de cambiar su forma, abriendo o cerrando el estoma. Los cambios en la forma de las células de guarda están determinados por cambios en su presión de turgencia. Si entra agua desde las células adyacentes a las células de guarda, estas se hinchan, cambian su forma y se curvan, con lo cual el estoma se abre. Por el contrario, cuando el agua sale de las células de guarda, se vuelven fláccidas, disminuyen su curvatura y cierran el estoma.

Los estomas se encuentran abiertos durante el día, cuando se realiza la fotosíntesis, y se cierran durante la noche, cuando el proceso se pausa. La apertura del estoma y su cierre están regulados en primer término por la luz y la oscuridad, aunque también hay otros factores ambientales que participan en la regulación, como el CO2. Otro factor que influye en la regulación de la apertura y cierre de los estomas es el estrés hídrico. En las horas calurosas del día, el abrir los estomas puede significar la pérdida de una cantidad importante de agua desde el interior de la hoja por transpiración. Cuando hay sequía, y el agua es escasa ocurre lo mismo, y los estomas pasan cerrados la mayor parte del tiempo. Hay hormonas vegetales que controlan el cierre de estomas en estas condiciones especiales. Hay otros casos, por ejemplo, Lección 6

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en las plantas del desierto, en las cuales los estomas permanecen cerrados durante el día y se abren durante la noche, para evitar la pérdida de agua por transpiración. Es importante recordar que en el caso de las plantas, los estomas se abren para captar CO2, el cual es transformado a moléculas de carbono utilizables. Durante el día, la planta debe mantener un equilibrio entre dos necesidades opuestas: por una parte debe abrir los estomas para captar el CO2 necesario para sus necesidades metabólicas, y por otra, necesita mantener el agua en sus tejidos. Dependiendo de las condiciones ambientales, las plantas desarrollan diversas estrategias para satisfacer de forma óptima sus necesidades.

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