Cuál es la función del sistema respiratorio

El sistema respiratorio es el sistema biológico de cualquier organismo que está implicado en el acto de la respiración. La función principal del sistema respiratorio es obtener gases del medio y transportarlos a los tejidos que forman el organismo vía los alvéolos pulmonares , así como la posterior expulsión del cuerpo de los gases que no necesita.

Habitualmente lo utilizan para coger oxígeno del aire y expulsar el dióxido de carbono acumulado en el organismo. En los peces se realiza el mismo proceso pero bajo el agua. En las plantas se absorbe dióxido de carbono y expulsa oxígeno durante el proceso de la fotosíntesis.

El sistema respiratorio es responsable de hacer posible el mecanismo de la respiración y, en general, se pueden considerar cuatro fases:

  • La inspiración o inhalación que conlleva la entrada de aire y oxígeno hacia los alvéolos pulmonares.
  • El proceso de intercambio de oxígeno y dióxido de carbono entre los alvéolos pulmonares y la sangre.
  • La expiración o exhalación consistente en la salida del aire desde los alvéolos pulmonares hacia el exterior, con la eliminación de dióxido de carbono.
  • Cambio de O 2 y CO 2 entre las células y la sangre.

Según el tipo de organismo varía el espacio en el que se realiza el intercambio, generalmente entre los alvéolos y los capilares; varía la anatomía o estructura del sistema de intercambio, y la utilización fisiológica de los gases que participan del intercambio. Algunos tipos de animales, como los insectos , tienen sistemas respiratorios con características anatómicas muy simples.

En los anfibios , incluso en la piel tiene un papel fundamental en el intercambio de gases. En los seres humanos y en otros mamíferos , por ejemplo, las características anatómicas del sistema respiratorio son las vías respiratorias, los pulmones y los músculos respiratorios. Las moléculas de oxígeno y dióxido de carbono se intercambian pasivamente, por difusión, entre los gases externo del entorno y la sangre. Este proceso de intercambio se produce en la región alveolar de los pulmones.

Las plantas también tienen un sistema respiratorio, pero la dirección de intercambio de gases puede ser opuesta a la de los animales. El sistema respiratorio de las plantas también incluye determinadas características anatómicas, como los agujeros de la parte inferior de las hojas conocidos como estomas.

Sistema respiratorio de los vertebrados

funcionamiento del sistema respiratorio

Mamíferos

Para los mamíferos, como en cualquier animal, la respiración es esencial. El intercambio gases se produce en la zona alveolar, que en los humanos tiene una superficie media de entre 50 y 100 metros cuadrados y en la que se dar cabida alrededor de 300 millones de alvéolos en un volumen cercano a los 4 litros . Los glóbulos rojos de la sangre llevan oxígeno (O 2 ) los tejidos y extraen el dióxido de carbono (CO 2 ). A los pulmones estos glóbulos rojos descargan CO 2 en el aire y de él cogen una nueva carga de O 2 en un proceso que se conoce con el nombre de hematosis.

En estos organismos, el sistema respiratorio se puede subdividir en las vías respiratorias superiores y las vías inferiores. El tracto respiratorio superior incluye las fosas nasales ( nariz ), la faringe y la laringe , mientras que el tracto respiratorio inferior se compone de la tráquea , los bronquios principales y los pulmones.

El sistema respiratorio también se puede dividir en fisiológicos, o funcionales, las zonas. Estos incluyen la realización de la zona (la región para el transporte de gas desde el exterior a la atmósfera justo por encima de los alvéolos), la zona de transición, y la zona respiratoria (alveolar región donde se produce el intercambio de gases).

Como ejemplo de algunas especificidades que indican la variabilidad existente también dentro de los mamíferos, cabe destacar:

  • Los caballos están obligados a respirar por los orificios nasales. Es decir, que son diferentes de muchos otros mamíferos y no tienen la opción de respirar por la boca.
  • El elefante es el único mamífero conocido que no tiene espacio pleural. Por el contrario, la pleura parietal y visceral se compone tanto de tejido conjuntivo denso y se une a los otros tejidos a través del tejido suelto. Esta falta de un espacio pleural, junto con una membrana particularmente gruesa; se cree que son adaptaciones evolutivas que permiten que el elefante permanezca bajo el agua durante largos períodos de tiempo, mientras que la respiración a través de su tronco surge como un snorkel.

Los teràpsids (antepasados directos de los mamíferos) tenían las patas anteriores agrupadas y las patas traseras semierectas. Esto sugiere que la restricción de Carrier habría hecho que fuera bastante difícil para ellos moverse y respirar al mismo tiempo, pero no tan difícil como lo es para animales como las lagartijas, que tienen patas completamente agrupadas.

Sin embargo, los cinodontes tenían placas costales que rigidificaven la caja torácica y habrían podido reducir la flexión lateral del tronco durante el movimiento, facilitando un poco respiración cuando se movían. Esto sugiere que los teràpsids avanzados eran significativamente menos activos que los mamíferos modernos de tamaño similar y, por tanto, que podrían haber tenido un metabolismo más lento.

Aves

Los pájaros tienen uno de los aparatos respiratorios más complejos de todos los grupos de animales. Debido al alto ritmo metabólico requerido por el vuelo, las aves tienen una alta demanda de oxígeno. El desarrollo de un sistema respiratorio eficiente permitió la evolución del vuelo en las aves. Las aves ventilan sus pulmones por medio de sacos aéreos , estructuras que sólo tienen las aves y, por tanto, puede que también la tenían los dinosaurios . Estos sacos no tienen un papel en el intercambio de gases, pero almacenan aire y actúan como fuelles, permitiendo a los pulmones mantener un volumen fijo de aire fresco constantemente fluyendo en su interior.

El sistema respiratorio de las aves difiere significativamente de la que se encuentra en los mamíferos, con características anatómicas únicas, como los sacos aéreos mencionados. Los pulmones de las aves también carecen de la capacidad para hincharse, ya que carecen de una membrana y una cavidad pleural. El intercambio de gases en las aves se produce entre los capilares sanguíneos y los capilares aéreos, en lugar de realizarse a los alvéolos. En las aves también les falta el diafragma; toda la cavidad del cuerpo actúa como un fuelle para mover el aire a través de los pulmones.

Durante la inhalación, un 75% del aire fresco pasa de largo de los pulmones y fluye directamente dentro de un saco aéreo que se extiende desde los pulmones y se conecta con espacios aéreos dentro de los huesos y los llena de aire. El otro 25% del aire va directamente a los pulmones. Cuando el pájaro exhala, el aire utilizado sale de los pulmones y el aire fresco almacenado en el saco aéreo posterior es simultáneamente forzado hacia los pulmones. Así pues, los pulmones de un pájaro reciben un suministro constante de aire fresco tanto durante la inhalación como la exhalación.

Otros vertebrados

La estructura anatómica de los pulmones es menos compleja en los reptiles que en los mamíferos. Los reptiles con que no tienen la amplia estructura de árbol de las vías respiratorias de mamíferos se encuentran en los pulmones. El intercambio de gases en los reptiles todavía se produce en los alvéolos, sin embargo.

Todos los reptiles utilizan pulmones para respirar, y normalmente no tienen una respiración cutánea (sólo presente en las tortugas ). La ventilación pulmonar se consigue de forma diferente en cada grupo principal de reptiles. En los squamata , los pulmones son ventilados casi exclusivamente por medio de la musculatura axial.

Esta es la misma musculatura que usan para moverse. Debido a este apremio, muchos de los squamata están forzados a aguantar la respiración durante esfuerzos intensos. Algunos, sin embargo, han encontrado una solución. Los varànids y algunas otras especies de lagarto utilizan la respiración bucal como un complemento de la respiración axial.

Esto permite a los animales llenar completamente sus pulmones durante esfuerzos intensos, y por lo tanto son aeróbicamente activos durante mucho tiempo. Los lagartos Tegu tienen un proto diafragma que separa la cavidad pulmonar de la cavidad visceral. Aunque no es capaz de moverse, permite una mayor expansión pulmonar, aligerando el peso visceral de los pulmones.

Los cocodriliano tienen un diafragma muscular que es análogo al diafragma de los mamíferos. Aquí la diferencia radica en que fibras de este diafragma actúan moviendo el pubis (una parte de la pelvis que es móvil en los cocodriliano) hacia atrás, lo que desplaza el hígado hacia abajo, y así se libera un espacio necesario para la expansión de los pulmones. Este tipo de estructura diafragmática ha sido llamada “pistón hepático”.

Las tortugas han evolucionado hacia otras soluciones ante el hecho de que muchas caparazones de tortugas son rígidas y no permiten la expansión y contracción que otros amniotes utilizan para la ventilación pulmonar. Los pulmones de las tortugas están pegados en el interior de la parte superior de la cáscara, con la parte de debajo de los pulmones adherida por medio de un tejido conector al resto de las vísceras.

Con una serie de músculos especiales (más o menos equivalentes a un diafragma), las tortugas son capaces de mover sus vísceras arriba y abajo, consiguiendo una respiración efectiva. Muchos de estos músculos tienen puntos de adhesión con los miembros delanteros, y muchos se expanden por ellos durante la contracción.

Durante su evolución, los anfibios pasaron de respirar el O 2 disuelto en el agua a respirar el del aire. Para ello, sustituyeron las branquias de sus antepasados peces por otros órganos respiratorios (casi siempre pulmones , aunque algunas especies no tienen). Sin embargo, hay que señalar que las formas larvarias (los renacuajos ) conservan branquias exteriores, mejor adaptadas a su estilo de vida acuático, y sólo las sustituyen por pulmones muy rudimentarios al llegar a la fase adulta.

Los pulmones son aireados por medio de movimientos de la boca (los anfibios no tienen diafragma ) ya través de la piel, altamente vascularizada y que siempre debe estar húmeda para permitir la respiración. La piel, como elemento perteneciente al aparato respiratorio, tiene una gran importancia en algunos grupos, que dependen en gran medida de la respiración cutánea. En otros, los pulmones pueden estar atrofiados o ser inexistentes, como en las salamandras de la familia de los pletodòntids o el anuro Barbourula kalimantanensis , el primer sapo descubierto sin pulmones.

Los anfibios tienen un par de narices que se comunican con la boca y que están dotadas de válvulas que impiden la entrada de agua, contribuyendo a la respiración pulmonar.

En la mayoría de los peces de la respiración tiene lugar a través de las branquias . Los peces pulmonados , sin embargo, tienen uno o dos pulmones. Los peces laberínticos han desarrollado un órgano especial que les permite aprovechar el oxígeno del aire. En los peces cartilaginosos aparecen a cada lado entre 5 y 7 hendiduras branquiales que se comunican, independientemente una de la otra, con el exterior. La primera, más pequeña, es el espiráculo . En los peces óseos está el opérculo : una pieza ósea y plana que protege las branquias que son las estructuras relacionadas con la respiración.

Sistema respiratorio en invertebrados

Las esponjas y las medusas no tienen órganos especializados para el intercambio de gases y pueden tomar directamente los gases del agua que los rodea.

Los platelmintos no tienen aparato circulatorio ni respiratorio; el oxígeno que necesitan para su metabolismo se difunde a través de los delgados tegumentos del animal.

El aparato respiratorio de los insectos está formado por tráqueas , una serie de tubos huecos muy ramificados que en su conjunto forman en sistema traqueal; los gases respiratorios circulan a través de él. El sistema traqueal en un individuo se compone de interconexiones transversales y longitudinales que mantienen una presión equivalente en todo el sistema.

Las tráqueas se abren al exterior a través de los estigmas o espiráculos, en principio un par en cada segmento corporal; después van reduciendo progresivamente su diámetro hasta convertirse en traqueoles que penetran en los tejidos y aportan oxígeno a las células. En la respiración traqueal el transporte de gases respiratorios es totalmente independiente del aparato circulatorio por lo que, a diferencia de los vertebrados , el fluido circulatorio (hemolinfa) no almacena oxígeno.

Más allá de la simple difusión de gases en el sistema traqueal de los insectos, existen grandes variaciones en los patrones de ventilación y los mecanismos respiratorios parecen ser muy variables. Algunos pequeños insectos muestran una especie de respiración continua y una falta de control muscular de los espiráculos. Otros, sin embargo, utilizan la contracción muscular del abdomen, junto con la coordinación de la contracción y relajación de los espiráculo para generar el intercambio de gases con unos patrones cíclicos. La forma más extrema de estos patrones en el intercambio de gases se denominan ciclos discontinuos de intercambio de gases o DGC (del inglés Discontinuous gas-exchange cycles ).

Los moluscos , en general, tienen branquias que permiten el intercambio de oxígeno de un entorno acuoso incorporando oxígeno al sistema circulatorio. Estos animales tienen también un corazón que bombea la sangre, que contiene hemocianina, un pigmento que interviene en la captura de la molécula de oxígeno. Por tanto, este sistema respiratorio es similar al de los peces .

Sistema respiratorio de las plantas

Las plantas utilizan dióxido de carbono gaseoso por la fotosíntesis y exhalan oxígeno como residuo. La ecuación química que representa la fotosíntesis es la siguiente:
6 CO 2 + 6 H 2 O = 6 O 2 + [CH 2 O] n (un carbohidrato , generalmente glucosa ).

sistema respiratorio de las plantas

La ecuación química no refleja que el proceso requiere energía lumínica . La fotosíntesis utiliza electrones en los átomos de carbono como depósito de energía. La respiración es el proceso contrario a la fotosíntesis, ya que aprovecha esta energía para alimentar reacciones químicas en el interior de las células. Esto combina los átomos y sus electrones con el oxígeno, formando un gas que es fácil de eliminar tanto de las células como del organismo. Las plantas utilizan ambos procesos: la fotosíntesis para capturar energía y la respiración para usarla.
La respiración vegetal está limitada por la difusión .

Las plantas absorben dióxido de carbono a través de pequeños agujeros en la parte inferior de las hojas , llamados « estomas ». Sin embargo, la mayoría de plantas necesitan poco aire y tienen pocas células vivientes más allá de la superficie, ya que el aire (que es necesario para el metabolismo ) tiene una capacidad de penetración muy limitada. Esto no es un gran problema, ya que la mayoría de plantas no tienen procesos muy aeróbicos , por lo que no necesitan muchas células vivientes.

Fisiología

Artículos principales: Fisiología respiratoria y Respiración (fisiología)

Ventilación

En fisiología respiratoria, la ventilación (o velocidad de ventilación) es el ritmo al que los gases entran o salen de los pulmones. Se subdivide en varios tipos diferentes:

cuál es la función del sistema respiratorio

Control

La ventilación es controlada por el sistema nervioso autónomo que reside en partes del tronco del encéfalo , el bulbo raquídeo y la protuberancia anular . Esta zona del cerebro forma el centro respiratorio, un grupo de neuronas situadas en la parte baja y media del tronco que coordinan los movimientos respiratorios. Estas secciones son el centro pneumotàxic , el centro apnèustic y los grupos dorsal y ventral . Esta sección es particularmente sensible durante la infancia, por lo que las neuronas pueden quedar irreparablemente dañadas si el niño se cae o es sacudido con violencia, lo cual puede tener consecuencias mortales debido a lo que se conoce como « síndrome del niño sacudido ».

La frecuencia respiratoria aumenta con la concentración de dióxido de carbono en la sangre, que es medida por quimiorreceptores periféricos a la aorta y la arteria carótida , así como quimiorreceptores centrales situados en el bulbo raquídeo. El ejercicio también incrementa la frecuencia respiratoria a consecuencia de la acción de los propioreceptors , el aumento de la temperatura corporal, la liberación de epinefrina e impulsos motores provenientes del cerebro. También puede aumentar debido a un incremento en la inflación de los pulmones, que es detectada por receptores de estiramiento.

Inhalación

La inhalación es iniciada por el diafragma y soportada por los músculos intercostales externos . La frecuencia respiratoria normal en reposo es de entre 10 y 18 respiraciones por minuto, con un período de dos segundos. Durante la inhalación vigorosa (a una frecuencia de más de 35 respiraciones por minuto), o cuando el cuerpo está cerca de la quiebra respiratoria, los músculos respiratorios accesorios entran en acción; que a nivel del cuello son el esternocleidomastoideo , el platisma y los músculos escalenos ; ya nivel del tórax y hombros son los músculos pectorales ( mayor y menor ) y el músculo dorsal ancho.

En condiciones normales, el diafragma es el músculo primario de la inhalación. Cuando se contrae, la caja torácica se expande y el contenido del abdomen se mueve hacia abajo, lo que aumenta el volumen del tórax y crea presión negativa (en comparación con la presión atmosférica) dentro del tórax. Cuando cae la presión torácica, el aire entra en la zona conductora, donde es filtrado, calentado y humidificado en su camino hacia los pulmones.

Durante una inhalación forzada, como cuando se respira profundamente, los músculos intercostales externos y los músculos accesorios ayudan a expandir la cavidad torácica aún más.

Exhalación

En general, la exhalación es un proceso pasivo. Sin embargo, los músculos abdominales y los músculos intercostales internos son los que se encargan de llevar a cabo la exhalación activa, o forzada. Los pulmones tienen una elasticidad natural: cuando retroceden después de la inhalación, el aire sale hasta que se alcanza un equilibrio entre la presión torácica y la presión atmosférica.

Intercambio de gases

La función principal del sistema respiratorio es llevar a cabo el intercambio de gases entre el medio externo y el sistema circulatorio del organismo. En los humanos y otros mamíferos, este intercambio facilita la oxigenación de la sangre y la eliminación de dióxido de carbono y otros residuos metabólicos gaseosos de la circulación. Durante el intercambio de gases se mantiene el equilibrio ácido-básico del cuerpo como parte de los procesos homeostáticos . Si la ventilación es deficiente, se pueden producir dos trastornos opuestos: la acidosis respiratoria , que puede ser mortal, y la alcalosis respiratoria.

Tras la inhalación, el intercambio de gases tiene lugar en los alvéolos , unos sacos minúsculos que conforman el componente funcional básico de los pulmones. Las paredes alveolares son extremadamente delgadas (aproximadamente 0,2 micrómetros ) y se componen de una única capa de células epiteliales de tipo I y II situadas cerca de los capilares pulmonares , que se componen de una única capa de células endoteliales. La gran proximidad de estos dos tipos de células permite el paso de los gases y, por tanto, el intercambio de gases. El mecanismo de intercambio de gases se basa en un simple diferencial de presión: cuando la presión del aire en los pulmones es elevada, sale aire, y cuando es baja, hay entra.

Función inmunitaria

Las células epiteliales de las vías aéreas pueden secretar una serie de moléculas que contribuyen a la defensa de los pulmones, incluyendo inmunoglobulinas Secretos (IgA), col·lectines (incluyendo los surfactantes A y D), defensinas y otros péptidos y proteasas, así como especies reactivas de oxígeno y especies reactivas de nitrógeno. Estas secreciones funcionan directamente como antimicrobianos para proteger las vías aéreas de infecciones. Las células epiteliales de las vías aéreas también secretan una serie de quimiocinas y citocinas que dirigen las células inmunitarias tradicionales y otros tipos hacia los puntos infectados.

La mayoría del sistema respiratorio está revestida por membranas mucosas que contienen tejido linfoide asociado a las mucosas, que produce glóbulos blancos tales como linfocitos.

Funciones metabólicas y endocrinas de los pulmones

Además de llevar a cabo el intercambio de gases, los pulmones tienen una serie de funciones metabólicas. Producen surfactantes para uso local, como se explica más arriba, y contienen un sistema fibrinolítico que destruye coágulos sanguíneos en los vasos pulmonares. Liberan una variedad de sustancias que entran en la sangre arterial sistémica y eliminan otras sustancias de la sangre venosa sistémica que llega a través de la arteria pulmonar. Los pulmones eliminan prostaglandinas de la circulación, pero también en sintetizan y liberan a la sangre cuando el tejido pulmonar se estira.

Los pulmones también activan una hormona: el decapèptid fisiológicamente inactivo angiotensina I es convertido en el octapéptido presor estimulante de la aldosterona angiontensina II en la circulación pulmonar. Esta reacción también se produce en otros tejidos, pero es especialmente prominente en los pulmones. La superficie de las células endoteliales de los capilares pulmonares presentan grandes cantidades de la enzima convertidora de angiotensina que se encarga de esta activación.

Desarrollo

El sistema respiratorio permanece latente en los fetos humanos durante la gestación . A la hora del nacimiento, el sistema respiratorio se convierte completamente funcional al ser expuesto al aire, aunque los pulmones continúan desarrollándose y creciendo durante la infancia. Un nacimiento prematuro puede dejar al niño con pulmones subdesarrollados en los que las células alveolares de tipo II (que producen surfactantes ) todavía no se han desarrollado completamente.

Esto hace que muchos alvéolos se colapsen y que partes de los pulmones del niño sean incapaces de llevar a cabo el intercambio de gases , un trastorno llamado síndrome del distrés respiratorio . Se han realizado experimentos científicos básicos con células pulmonares de pollos que han confirmado el potencial de los esteroides para promover el desarrollo de las células alveolares de tipo II. De hecho, una vez se sospecha que puede haber un nacimiento prematuro, los médicos hacen todo lo que pueden para retrasarlo ya menudo administran una serie de inyecciones de esteroides a la madre durante este periodo para favorecer el desarrollo de los pulmones del feto.

Patología

Las enfermedades del sistema respiratorio se pueden clasificar en cuatro grandes categorías:

  • Enfermedades obstructivas (por ejemplo, enfisema , bronquitis o asma )
  • Enfermedades restrictivas (por ejemplo, fibrosis , sarcoidosis , daños alveolares y derrame pleural )
  • Enfermedades vasculares (por ejemplo, edema pulmonar , embolismo pulmonar y hipertensión pulmonar )
  • Enfermedades infecciosas, ambientales y «misceláneas» (por ejemplo, neumonía , tuberculosis , asbestosis y partículas contaminantes )

La tos es de importancia capital, ya que es el mecanismo principal que utiliza el cuerpo para sacar polvo, mocos , saliva y otros residuos de los pulmones. La incapacidad de toser puede acabar provocando una infección. Los ejercicios de respiración profunda pueden contribuir a limpiar las estructuras más finas de los pulmones de partículas.

Las vías respiratorias están constantemente expuestas a microbios debido a su gran área. Por este motivo, el sistema respiratorio tiene muchos mecanismos para defenderse y evitar la entrada de patógenos en el cuerpo.

Los trastornos del sistema respiratorio suelen ser tratados por un neumólogo o terapeuta de la respiración .

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