Difusión y presión de aire
respiratoriosCapítulo 41. Energía y metabolismo II: respiración
Evolución de los sistemas respiratorios
El oxígeno penetra y se mueve en las células por difusión §. Dentro de la célula § participa en la oxidación de compuestos orgánicos § que son fuentes de energía celular. En este proceso se produce dióxido de carbono, que difunde luego fuera de la célula a favor del gradiente de concentración o de la presión parcial. Las sustancias pueden moverse eficientemente por difusión sólo hasta distancias muy cortas.
Los organismos que aumentaron de tamaño en el curso de la evolución, también desarrollaron sistemas circulatorios y respiratorios que transportan gran cantidad de moléculas gaseosas por flujo global §.
En la lombriz de tierra existe una red de capilares que se encuentra separada de la superficie del cuerpo por una sola capa de células. El oxígeno y el dióxido de carbono difunden directamente a través de la superficie húmeda del cuerpo pero dentro del animal son transportados por flujo global.
En los insectos y algunos otros artrópodos el aire es canalizado directamente dentro de los tejidos § por una serie de túbulos revestidos de quitina §. Este sistema es eficiente en los organismos pequeños, pero constituye una limitación importante al tamaño que puede ser alcanzado por un animal.
Las branquias § y los pulmones constituyen modos de incrementar la superficie respiratoria. Las branquias usualmente son superficies evaginadas mientras que los pulmones son cavidades o superficies invaginadas.
Las branquias son evaginaciones del epitelio que incrementan el área superficial expuesta al agua.
Frecuentemente, las branquias están cubiertas por un exoesqueleto, como en los crustáceos, o por una cubierta lobulada, como en los peces. En el axolote, el anfibio que se muestra aquí, la naturaleza externa de las branquias es claramente evidente. Su color rojo brillante se debe a la sangre que fluye a través de redes densas de capilares que se encuentran separadas de la superficie de la branquia por una única capa de células.
La superficie respiratoria de la branquia, como la superficie de la lombriz de tierra, es una capa unicelular, expuesta al ambiente de un lado y a los vasos del sistema circulatorio del otro.
Se cree que la branquia de los vertebrados cumplió primariamente una función alimentaria. En las branquias de los peces, los vasos de la circulación están dispuestos de modo tal que la sangre es bombeada a través de ellos en dirección opuesta a la del agua que contiene oxígeno, en una disposición de contracorriente que da como resultado una transferencia de oxígeno a la sangre mucho más eficiente que si ésta fluyese en la misma dirección que el agua.
En los peces, el oxígeno entra a la sangre por difusión desde el agua que fluye a través de las branquias.
a) La estructura anatómica de las branquias determina que la velocidad de difusión sea máxima. b) Los vasos circulatorios están dispuestos de tal forma que la sangre es bombeada a través de ellos en dirección opuesta a la del agua que lleva oxígeno. Esta disposición permite que la sangre que lleva más oxígeno (es decir, la sangre oxigenada que sale del filamento branquial) contacte con el agua que lleva más oxígeno (el agua que entra al filamento), y la sangre que lleva menos oxígeno (la sangre desoxigenada que entra en el filamento branquial) contacte con el agua que lleva menos oxígeno (el agua que sale del filamento). Como resultado, la concentración de oxígeno en la sangre en cualquier parte del filamento branquial es inferior a la concentración de oxígeno del agua que fluye por la cámara branquial y, así, el oxígeno siempre fluye desde el agua hacia la sangre.
Los pulmones son cavidades internas desde las cuales el oxígeno contenido en el aire pasa al torrente sanguíneo. Presentan una ventaja abrumadora a quienes los portan ya que las superficies respiratorias pueden mantenerse húmedas sin que se produzca una pérdida grande de agua por evaporación. Los pulmones también se encuentran en algunos invertebrados.
Algunos peces primitivos tenían branquias y pulmones. Los anfibios y los reptiles tienen pulmones relativamente simples, con pequeñas superficies internas y dependen en gran medida de su piel para el intercambio gaseoso; los reptiles respiran casi enteramente por sus pulmones.
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