Como resultado de la nutrición, las células de un organismo, ya ser unicelular o pluricelular, captan nutrientes con dos objetivos claramente establecidos: utilizarlos como materia prima en la construcción y reparación de su cuerpo y producir la energía necesaria para sus actividades. La respiración es el principal mecanismo utilizado por los seres vivos para alcanzar este último objetivo.
La respiración es el proceso mediante el cual la mayoría de seres vivos oxidan los alimentos (es decir, los fragmentan gracias al oxígeno), para liberar la energía que contienen y utilizarla en la realización de sus funciones vitales. Debido a que en este proceso se incorpora oxígeno y se elimina dióxido de carbono, la respiración también se define como el intercambio de gases entre el organismo y su ambiente.
A lo largo de esta unidad se estudiará cómo se realiza la respiración o intercambio de gases en los seres vivos de los reinos mónera, protistas, hongos, vegetal y animal, iniciando por el proceso a nivel celular.
LA RESPIRACIÓN CELULAR.
Los nutrientes están constituidos por moléculas que almacenan energía en las uniones de sus átomos. Por esta razón se afirma que los nutrientes almacenan energía química. Para que los nutrientes, especialmente los carbohidratos -como la glucosa- y los lípidos, liberen la energía, se requiere romper las uniones entre sus átomos. El proceso de rompimiento de estas moléculas ocurre dentro de las mitocondrias de las células de los organismos y se conoce como respiración celular.
La energía liberada queda "almacenada" temporalmente en moléculas de ATP (Adenosintrifosfato), que las células emplean para llevar a cabo su funciones vitales, como por ejemplo dividirse, crecer o mantenerse. La energía restante es liberada en forma de calor.
Esta ruptura de nutrientes y liberación de energía puede ocurrir con consumo o sin consumo oxígeno.
A los organismos que emplean el oxígeno para liberar la energía contenida en los nutrientes, se les llama aerobios o de respiración aeróbica como por ejemplo, los seres humanos (figura 1). A los organismos que pueden obtener energía de los nutrientes en ausencia de oxígeno, como alguna bacterias, se les denomina anaerobios o de respiración anaeróbica.
INTERCAMBIO DE GASES EN LOS SERES VIVOS.
La forma de intercambiar gases con el ambiente varía según el tipo de organismo, el medio en que este vive y el mecanismo de respiración utilizado.
En ecosistemas acuáticos se encuentran disueltos en el agua gases como oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono y amoniaco. El oxígeno y el dióxido de carbono son los principales gases implicados en el proceso respiratorio y los diferentes tipos de organismos poseen estructuras que hacen posible el intercambio de estos gases.
En el caso de los unicelulares, los gases se intercambian con el ambiente a través de la membrana celular por el proceso de difusión (desde una zona de mayor concentración a una zona de menor concentración), mientras que en organismos más complejos, como los animales, existen órganos y sistemas especializados.
RESPIRACIÓN DE MÓNERAS A HONGOS.
Los móneras, que abarcan a todas las bacterias, emplean los mecanismos más diversos para liberar la energía contenida en aquello de lo que se alimentan. Existen bacterias aeróbicas y anaeróbicas estrictas y facultativas.
Las bacterias aeróbicas realizan la respiración a partir del oxígeno que se difunde a través de su membrana celular y que se utiliza directamente en el citoplasma, ya que las bacterias carecen de mitocondrias. Las bacterias anaeróbicas utilizan sustancias diferentes al oxígeno para extraer la energía contenida en aquello de lo que se alimentan. Entre estas sustancias se encuentran compuestos como los sulfatos (SO)=, el dióxido de carbono (CO2) y los nitratos (NO)-. Las bacterias anaeróbicas realizan diversos tipos de fermentación: láctica, produciendo ácido láctico; alcohólica, produciendo alcohol etílico; y del ácido propiónico, produciendo dióxido de carbono y ácido propiónico.
Los protistas son generalmente organismos unicelulares que realizan el intercambio gaseoso por difusión a través de su membrana celular y el proceso respiratorio tiene lugar en sus mitocondrias. Existen hongos unicelulares anaeróbicos, como las levaduras, que liberan energía a partir de la fermentación, y hongos pluricelulares aeróbicos, como el champiñón, que liberan energía partir de la respiración aerobia.
RESPIRACIÓN EN LAS PLANTAS.
Al igual que los demás seres vivos, las plantas también respiran, para tener energía y utilizarla en la elaboración de alimentos, en el transporte de sustancias y en todas sus demás funciones vitales.
La respiración es un proceso continuo que las plantas realizan tanto de día como de noche. Durante el día, la cantidad de dióxido de carbono que liberan como consecuencia de la respiración es menor que el que consumen durante la fotosíntesis, y el oxígeno que incorporan también es menor al que desprenden. De esta forma, las plantas mantienen el equilibrio de gases con la atmósfera.
vÓrganos respiratorios en plantas.
Las plantas tienen respiración aeróbica y para ello incorporan oxígeno expulsan dióxido de carbono, a través de estomas, lenticelas y neumatóforos.
ØEstomas.
Son pequeños poros por donde se difunde el oxígeno y el dióxido de carbono entre la atmósfera y la planta. Están formados por dos células en forma de labios, llamadas oclusivas, que controlan la apertura y el cierre del estoma de acuerdo con la humedad y la temperatura. Se localizan en el envés de las hojas y en los tallos jóvenes. Además permiten la salida de vapor de agua por transpiración.
Durante el día los estomas permanecen abiertos para permitir la entrada del dióxido de carbono necesario para el proceso fotosintetizador y liberar el oxígeno que se produce. Durante la noche, cuando no hay luz para realizar la fotosíntesis, se cierran para evitar que se pierda hacia el ambiente el dióxido de carbono producido por la respiración, y que es usado en la fotosíntesis. Debido a la alta concentración de oxígeno en la atmósfera, este puede atravesar los poros estomáticos así estén cerrados.
ØNeumatóforos.
Son aberturas ubicadas en las raíces de las plantas acuáticas. Estas raíces se elevan para permitir el intercambio gaseoso, toman oxígeno de la superficie que luego circula al resto de la planta a través de los espacios intercelulares, permitiendo la salida de dióxido de carbono. Este tipo de respiración es característico de los árboles llamados Mangles.
ØLenticelas.
Las lenticelas son pequeñas estructuras de forma alargada y de color blanco, crema o amarillo que contribuyen con el intercambio gaseoso entre la planta y el ambiente que la rodea. Estas aberturas se encuentran en la superficie de las ramas jóvenes, en las raíces, en los tallos leñosos y semileñosos y en algunos frutos. Están en comunicación con las capas internas del tallo y de los frutos y aseguran la entrada de oxígeno y el intercambio gaseoso entre los tejidos internos y el exterior.
Algunos árboles adultos como el bálsamo o chirraco -Myroxylon bal- samum-, poseen en su tronco grandes y abundantes lenticelas con apariencia de verrugas, que imitan la textura de la piel de un sapo.
LOS SERES
VIVOS RESPIRAN II
RESPIRACIÓN EN
ANIMALES.
Los organismos del
reino animal poseen respiración aeróbica y para realizar el intercambio de
gases con el ambiente, cuentan con diferentes adaptaciones que les permiten
satisfacer sus necesidades de energía, de acuerdo con su tamaño corporal,
hábitat y tipo de actividades realizadas.
La respiración en
animales puede ser directa, cutánea,
branquial, traqueal y pulmonar. A excepción de la directa, los demás tipos
de respiración requieren la participación de órganos respiratorios para el
intercambio de gases.
RESPIRACIÓN DIRECTA
Es el tipo de
respiración en el que el intercambio de gases se produce directamente entre el
medio ambiente y las células del organismo, sin la intervención de órganos
respiratorios. Gracias a que la concentración de oxígeno es mayor en el medio
que al interior del animal, el oxígeno ingresa a través de las membranas de las
células que forman su capa exterior por medio de la difusión, forma de transporte a nivel celular que no requiere
energía. El dióxido de carbono es expulsado de la misma forma. Este tipo de
respiración es propia de poríferos, cnidarios, platelmintos y nematodos.
PORÍFEROS
Las esponjas dependen
de la difusión para obtener el oxígeno que necesitan. El movimiento permanente
de sus coanocitos contribuye a que el agua, rica en oxígeno, fluya
permanentemente cerca del cuerpo del animal. De esta forma se mantiene el
suministro de oxígeno, garantizando con ello que la difusión sea efectiva. Como
el cuerpo de las esponjas está constituido solamente por dos capas delgadas de
células que están en contacto con el agua, la difusión es suficiente para que
se realice el proceso respiratorio.
CNIDARIOS
Los cnidaríos, como las
medusas y las hidras, carecen de sistema respiratorio y, por lo tanto, el
intercambio gaseoso se realiza en todo el cuerpo del animal por difusión,
pasando de unas células a otras. Organismos parásitos como la tenia, que
pertenece a los platelmintos, y los oxiuros, que pertenecen a los nematodos,
requieren una mínima cantidad de oxígeno para su metabolismo, por ello se les
denomina microaerófilos.
RESPIRACIÓN CUTÁNEA.
La respiración cutánea
es otra modalidad de respiración, propia de animales que viven generalmente en
el medio acuático. En este tipo de respiración el intercambio gaseoso se
realiza a través de la piel. Para que se
lleve a cabo de manera efectiva, la piel debe tener las siguientes
características:
·Estar
permanentemente húmeda.
·Ser
muy delgada o fina.
·Estar
muy irrigada por conductos o vasos sanguíneos que permiten transportar, por la
sangre, el oxígeno a todas las células del cuerpo.
En este tipo de respiración
es importante diferenciar el tegumento corporal, que constituye la estructura respiratoria
de la piel, por medio de la cual se realiza el intercambio de gases a través de
la epidermis. Cuando la respiración cutánea ocurre en organismos de vida terrestre
es fundamental que la piel se mantenga húmeda mediante la secreción de una
sustancia especial denominada mucus. Esta sustancia es producida por las
células glandulares, intercaladas entre las células cúbicas que componen el
tejido epitelial.
La respiración cutánea
es frecuente en invertebrados acuáticos, como los moluscos, y en algunos
terrestres, como la lombriz de tierra y la sanguijuela. Entre los vertebrados
es común en algunos peces como la anguila, y sus larvas, y es muy importante en
los anfibios, aunque en este caso, este tipo de respiración no es exclusiva,
sino que coexiste conla respiración
branquial o pulmonar.
Los anfibios en estado
larvario respiran en el interior del agua utilizando branquias y, en su proceso
de metamorfosis, al pasar a la edad adulta pierden las branquias y desarrollan
pulmones para poder respirar en tierra. Sin embargo, en algunas ocasiones deben
volver al agua para la reproducción y la búsqueda de alimento. Entonces se
activa la respiración cutánea.
RESPIRACIÓN BRANQUIAL
Es el tipo de
respiración que se lleva a cabo por medio de las branquias o agallas,
estructuras constituidas por una serie de laminillas formadas por dobleces de
la piel que contienen muchos vasos sanguíneos, en los que tiene lugar el
intercambio gaseoso.
Las branquias se
encuentran principalmente en animales acuáticos invertebrados como anélidos,
moluscos, crustáceos y equinodermos; así mismo, en animales acuáticos
vertebrados como peces y anfibios. También las poseen algunos animales terrestres,
como las pulgas de playa y las cochinillas de humedad. Las branquias son
extremadamente eficientes y logran extraer más del 80 del oxígeno presente en
el agua. De acuerdo con su ubicación en el cuerpo del animal, las branquias
pueden ser externas o internas.
vBRANQUIAS EXTERNAS
Se encuentran por fuera
del cuerpo del organismo. Están formadas por penachos muy plegados de piel que
permanecen en contacto con el agua. Se consideran poco complejas y se
encuentran principalmente en algunos anélidos, como los poliquetos; moluscos y
crustáceos y en los estados larvarios de anfibios e insectos. En algunos peces,
las branquias externas solamente están presentes en las larvas, y preceden al
desarrollo del aparato branquial del adulto.
Las branquias externas tienen
la ventaja de que, con un simple movimiento, facilitan el ingreso del agua. Sin
embargo, están expuestas a daños, ya que no tienen protección y pueden atraer
fácilmente a los depredadores.
vLAS BRANQUIAS
INTERNAS
Son branquias que se
encuentran en el interior del cuerpo del organismo. Este tipo de branquias, más
o menos complejas, se encuentran en la mayoría de moluscos, crustáceos y peces.
Cuentan con una cubierta protectora, y están localizadas en el interior de una
región denominada cavidad branquial. Se consideran más complejas que las
branquias externas, aunque necesitan de un mecanismo especial para producir el
movimiento del agua con la que están en contacto, lo que genera al animal un
mayor gasto energético.
LAS BRANQUIAS PUEDEN
SER DÉRMICAS O SANGUÍNEAS.
·Las branquias dérmicas,
propias de algunos equinodermos, son numerosas proyecciones dactiliformes (con
forma de dedo) muy pequeñas que se encuentran protegidas por espinas, en las
cuales se lleva a cabo la respiración. Están conformadas por tres capas: una
capa muscular, una capa epidérmica externa y una capa peritoneal interna. Las
cavidades internas de estas branquias son huecas, razón por la cual estas se
comunican libremente con el celoma, que es la cavidad interna del animal.
·Las branquias
sanguíneas son características de insectos que habitan en el medio acuático.
Estas estructuras poseen hemoglobina y facilitan la respiración de las larvas
de algunos insectos.
RESPIRACIÓN EN LOS
PECES
La respiración
branquial alcanza su mayor eficacia en los vertebrados acuáticos como los
peces. La cavidad bucal de los peces se comunica con el medio ambiente a través
de la boca y también a través de unas aberturas faríngeas laterales,
denominadas hendiduras branquiales. Las branquias están ubicadas a ambas partes
de estas hendiduras. Están cubiertas por unas placas externas protectoras
llamadas opérculo s, que funcionan a manera de tapas móviles que se abren y se
cierran. En cada lado del pez hay cuatro arcos branquiales situados entre las
hendiduras branquiales (figura ). La apertura de la boca y los movimientos de
los arcos branquiales garantizan que el agua ingrese al cuerpo del pez. Cuando
el agua pasa por las branquias, toman el oxígeno disuelto en ella, que luego
pasa por difusión a la sangre. El color rojizo de las branquias se debe a los
numerosos vasos sanguíneos que poseen. El agua suministra el soporte que las
láminas branquiales requieren, de tal
forma que cuando el pez sale del agua, las branquias se pegan. El intercambio
de oxígeno (O) y dióxido de carbono (C0) es muy eficaz, ya que la sangre fluye
en dirección contraria al agua, lo que hace posible que a medida que avanza, se
encuentre con agua fresca cargada de
oxígeno. Este proceso se denomina sistema de intercambio a contracorriente.
El tamaño de las
branquias varía en función de la actividad de los peces, y es mayor en aquellos
peces más activos, como el atún. Enpeces cartilaginosos, como los tiburones y las rayas, existen cincohendiduras y presentan, a cada lado, un poro
llamado espiráculo que es lateral en los tiburones y dorsal en las rayas. En
estos animales el agua entra por la boca y sale por el espiráculo mientras baña
las branquias.
RESPIRACIÓN TRAQUEAL
En la
respiración traqueal el cuerpo del organismo es
atravesado por un sistema de tubos interconectados y
llenos de aire, denominados tráqueas (figura). Son
estructuras medianamente rígidas que no se
colapsan y que se abren a la atmósfera a través de unos poros
llamados espiráculos, situados a lo largo de la pared lateral del cuerpo. Los espiráculos
tienen un sistema de apertura y cierre controlado por el sistema
nervioso y, además de permitir la entrada y salida de gases, controlan la
pérdida de agua.
Las
tráqueas penetran en el cuerpo desde cada espiráculo, ramificándose
y haciéndose más finas a medida que aumenta la distancia desde los espiráculos. Esto da
lugar a unos túbulos muy delgados de pared fina
denominados traqueolas que llegan a todos
los tejidos y células del animal. Allí es donde se
realiza el intercambio gaseoso dada la ausencia de un sistema circulatorio.
El número de
espiráculos puede variar desde un único par funcional hasta 10 u 11 pares y se pueden
encontrar en el tórax, en el abdomen o en ambos. En la mayoría de
los insectos se pueden cerrar mediante los músculos espiraculares.
El flujo
de gases por la tráquea es unidireccional. En algunos
organismos, el oxígeno pasa a la tráquea por difusión y
en
otros,
por un bombeo activo del aire.Una característica común del
sistema respiratorio de todos los insectos es la presencia de unas ampliaciones del sistema traqueal, denominadas
sacos aéreos, algunos de los cuales son dilataciones y otros una
especie de extremos ciegos de las tráqueas. Dichos sacos se
encuentran principalmente en insectos activos, en los que pueden ocupar una gran parte de su
volumen corporal.
RESPIRACIÓN PULMONAR
Los pulmones son las
estructuras respiratorias, que conectan con el exterior mediante una serie de
tubos. Son repliegues que se desarrollan en los vertebrados terrestres a partir
del tubo digestivo. Existen dos tipos de pulmones. Unos tienen forma de saco:
el pulmón sacular, presente en anfibios,
reptiles y mamíferos muestra distintos grados de evolución. Otros, con
forma tubular, conectan con unos sacos aéreos que se extienden por otras zonas
del cuerpo y que se llenan de aire, disminuyendo la densidad del animal. Se
encuentran en las aves.
En anfibios, el interior es casi liso, sin repliegues, por
lo que la superficie de intercambio gaseoso es demasiado reducida. Esto implica
la necesidad de otros sistemas respiratorios para satisfacer las necesidades de
oxígeno de estos animales.
La respiración cutánea
y el intercambio de gases a nivel bucofaríngeo en las ranas constituye un
aporte de oxígeno vital, pues el intercambio pulmonar es insuficiente. La
respiración pulmonar sólo se desarrolla en algunos adultos, puesto que en forma
de renacuajo, la respiración es branquial. Este sistema puede perdurar,
incluso, en adultos como sucede en las cecilias y tritones.
En reptiles, los pulmones presentan repliegues, con lo que
la superficie de intercambio de gases aumenta respecto a los anfibios. Hay que
tener en cuenta que los reptiles poseen una piel gruesa seca, con escamas e
incapaz de producir intercambio de gases con el exterior. Unos pulmones con más
superficie interna permitieron la colonización, por parte de estos animales, de
la tierra seca , sin la dependencia del agua.
Las serpientes poseen un único pulmón desarrollado, para
evitar excesiva compresión en un cuerpo tan estrecho.
Las tortugas acuáticas
manifiestan zonas de intercambio de gases con el agua en la zona rectal, en el
tubo digestivo. Además, poseen modificaciones en su sistema circulatorio, que
les permiten aguantar mucho tiempo bajo el agua sin necesidad de capturar
oxígeno de la superficie.
En mamíferos, los pulmones muestran gran desarrollo de su
superficie interna. Una serie de tubos ramificados transporta el aire a los
sacos alveolares, compuestos por pequeñas cámaras, llamadas alveolos, que son
los lugares donde se produce el intercambio gaseoso con la sangre.
En aves, los pulmones reciben el aire del exterior
mediante unos tubos ramificados. Además, los pulmones reciben el aporte de
oxígeno de los sacos aéreos, que han
sido llenados de aire cuando el animal ha inspirado. Como el aire atraviesa los
pulmones y llega a estos sacos, se dice que estos pulmones tienen estructura tubular, con entrada y salida.
Este tipo de
respiración es muy eficaz ya que el animal, al coger el aire, llena los pulmones y los sacos aéreos.
Lospulmones se pueden vaciar en la
siguiente espiración y volver a llenarse con el aire de los sacos sin necesidad
de usar para respirar los músculos del
vuelo, que son los mismos que sirven para inspirar. Además, el animal reduce su densidad al llenar su
interior de aire. Hay que tener en cuenta que los sacos aéreos, dependiendo de
las especies, se introducen incluso en los huesos.