Intercambio de gases y órganos respiratorios

Cómo los animales construyen superficies respiratorias —branquias, pulmones, tráqueas y piel— que permiten la entrada de oxígeno y la salida de dióxido de carbono lo suficientemente rápido como para sustentar la vida en el agua y el aire.

Definition

El intercambio de gases es el movimiento de oxígeno y dióxido de carbono entre un animal y su entorno a través de una superficie respiratoria, y los órganos respiratorios son las estructuras especializadas que proporcionan una superficie grande, delgada, bien ventilada y bien perfundida para esa difusión.

Scope

Este tema abarca la física y el diseño del intercambio de gases en los animales: la dependencia de la difusión de la superficie, el grosor y el gradiente; la ventilación del medio respiratorio; y las arquitecturas contrastantes de las branquias de los peces, los pulmones de los vertebrados, el sistema unidireccional pulmón-sacos aéreos de las aves, las tráqueas de los insectos y el intercambio cutáneo. Aborda cómo las propiedades del agua frente al aire configuran la estrategia respiratoria y los costos de la respiración. La cobertura es comparativa y mecanicista.

Core questions

• ¿Qué factores físicos determinan la tasa de intercambio de gases a través de una superficie respiratoria?
• ¿Cómo extraen las branquias el oxígeno del agua a pesar de su bajo contenido de oxígeno y alta densidad?
• ¿Por qué el pulmón de las aves está dispuesto para un flujo de aire unidireccional y qué ventaja aporta eso?
• ¿Cómo suministran oxígeno los insectos a sus tejidos sin un pigmento respiratorio?

Key theories

Principio de Fick del intercambio de gases por difusión

La tasa de transferencia de gases a través de una superficie respiratoria es proporcional a su área y al gradiente de presión parcial e inversamente proporcional a su grosor, lo que explica por qué los órganos respiratorios son delgados, extensos y están bien ventilados y perfundidos.

Diseños de intercambio a contracorriente y de flujo cruzado

Las branquias de los peces hacen circular el agua y la sangre en direcciones opuestas y los pulmones de las aves utilizan una disposición de flujo cruzado, lo que mantiene gradientes favorables a lo largo de la superficie de intercambio y extrae más oxígeno de lo que permitiría una simple mezcla.

Mechanisms

Las superficies respiratorias se mantienen delgadas y grandes para maximizar la difusión, y el medio se mueve a través de ellas por ventilación, mientras que la sangre se mueve por debajo de ellas por perfusión. Los peces bombean agua sobre las laminillas branquiales en contracorriente al flujo sanguíneo, manteniendo la captación de oxígeno del agua pobre en oxígeno. Los pulmones de los mamíferos se ventilan de forma tidal, mezclando aire fresco y residual, mientras que las aves impulsan el aire en una sola dirección a través de parabronquios rígidos utilizando sacos aéreos, logrando una alta eficiencia. Los insectos evitan por completo el transporte sanguíneo, conduciendo el aire a través de tráqueas ramificadas directamente a las células y regulando el intercambio con espiráculos. La piel sirve como superficie respiratoria en anfibios y otros animales de piel húmeda. Debido a que el agua contiene mucho menos oxígeno que el aire y es más costosa de mover, los animales acuáticos dedican una fracción mayor de su energía a la ventilación.

Clinical relevance

Los estudios comparativos del diseño de los órganos respiratorios aclaran los principios del intercambio eficiente de gases y las consecuencias de la difusión alterada, lo que informa la investigación sobre la función respiratoria y sobre los dispositivos de intercambio biomiméticos. Esta entrada es material de referencia educativa, no una guía médica.

History

El trabajo cuantitativo de Krogh sobre la difusión y el intercambio de gases estableció el marco que los fisiólogos posteriores utilizaron para comparar branquias, pulmones y tráqueas. Estudios detallados del pulmón aviar de flujo cruzado y del intercambio a contracorriente en las branquias aclararon cómo la arquitectura respiratoria se adapta a las propiedades físicas del medio.

Key figures

• August Krogh
• Knut Schmidt-Nielsen
• Johannes Piiper
• Pierre Scheid

Seminal works

• schmidtnielsen1997
• hill2016
• randall2002

Frequently asked questions

¿Por qué respirar agua es más costoso que respirar aire?

El agua transporta mucho menos oxígeno por litro que el aire y es mucho más densa y viscosa, por lo que los animales acuáticos deben mover grandes volúmenes de un medio pesado para obtener la misma cantidad de oxígeno, gastando más energía en la ventilación.

¿Cómo pueden sobrevivir los insectos sin hemoglobina?

Su sistema traqueal conduce el aire directamente a los tejidos, por lo que el oxígeno llega a las células por difusión a través de tubos en lugar de ser transportado por un pigmento sanguíneo.