respiración en los organismos vivos

LA RESPIRACION DE LOS SERES VIVOS: DIVERSIDAD Y ADAPTACION
¿Cómo son las estructuras respiratorias de los animales?

En los seres unicelulares, como las amebas, el intercambio de gases sucede de la forma más simple, a través de la membrana celular. Algunos organismos marinos simples, como esponjas y medusas, cuyas células están en permanente contacto con el agua, realizan su intercambio gaseoso por difusión.

Las lombrices, otros gusanos y los anfibios respiran a través de la piel que es muy delgada, por lo que se dice que tiene respiración cutánea. En este tipo de respiración el oxígeno entra al organismo a través de las células de la piel y luego pasa al sistema circulatorio, que lo transporta a todo el cuerpo; de la misma manera es llevado a la piel y de ahí sale al exterior.

Los insectos y algunos otros artrópodos, como los ciempiés, respiran por medio de tráqueas, que son conductos en forma de tubo que se encuentran a lo largo del cuerpo del animal.

En este caso, el aire de la atmósfera entra en las tráqueas por medio de pequeños orificios, llamados espiráculos, ubicados a los costados y que tienen vellosidades que impiden la entrada de polvo. De las tráqueas el oxígeno se difunde a todas las células del cuerpo y por estas sale el dióxido de carbono.

Las arañas y los escorpiones tienen unas cámaras que contienen unas membranas húmedas con forma de páginas de un libro, con las que respiran. Estas estructuras se conocen como pulmones de libro.

El tipo de respiración con las estructuras más complejas es el pulmonar, presente en algunos tipos de peces (conocidos como), los anfibios en estado adulto, los reptiles, las aves y los mamíferos. Los pulmonados son órganos con una gran superficie de intercambio gaseoso, ya que estan compuestos de millones de alvéolos.

El sistema respiratorio de anfibios adultos, reptiles y mamíferos es muy parecido al humano. Por el contrario el de las aves es muyt complejo; posee unas estructuras llamadas sacos aéreos, que están conectadas a los pulmones, para llevarles de manera continua aire. Esta adaptaciones en las aves han surgido debido a que el vuelo constituye una actividad que consume grandes cantidades de energía, que debe ser repuesta constantemente.

En las hojas y los tallos jóvenes de las plantas hay unas estructuras microscópicas llamadas estomas, formadas por dos células, con forma de frijol, que se abren o cierran para permitir el intercambio gaseoso. El oxígeno que entra en la hoja es transportado hacía la raíz, los tallos, las flores y los frutos.

En los tallos y ramas herbáceos, leñosos y semileñosos hay unas estructuras llamadas lenticelas, con forma de poros, por donde las plantas también realizan el intercambio gaseoso.
Algunos aspectos básicos de la respiración:
Como sabemos, la respiración es una de las funciones principales de los organismos vivos, por medio de la cual se producen reacciones de oxidación que liberan energía que utilizan los seres vivos para poder realizar su metabolismo. La mayoría de los organismos vivos utilizan el oxígeno para su respiración.
En el hombre el más importante aporte de oxígeno se realiza por medio del llamado aparato respiratorio compuesto por las fosas nasales, la boca, la faringe, la laringe, los bronquios y los pulmones.
Los pulmones, que son sacos de grandes superficies, ponen en contacto la sangre con el aire por medio de los alvéolos pulmonares, produciendo el intercambio gaseoso. Ingresando oxígeno y expulsando mayoritariamente CO2.
Para un mejor estudio de la respiración, y teniendo en cuenta que en determinados individuos predomina una u otra, podemos clasificar cuatro formas de respiración:
1) Clavicular: es la realizada por la parte superior de los pulmones. Debido a la forma piramidal de los sacos pulmonares, éste es el tipo de respiración que menos cantidad de oxígeno provee al organismo.
2) Costal: es la realizada por la parte media de los pulmones a nivel costal. Es raro que este tipo de respiración se produzca sola, estando siempre acompañada de una respiración clavicular o abdominal.
3) Abdominal: se realiza en la parte baja de los pulmones, y permite mayor ingreso de oxígeno que las anteriores debido también a la forma piramidal de los sacos pulmonares.
4) Respiración completa: Se produce por el total llenado de los pulmones, incluyendo la parte baja, media y alta de los mismos. Se realiza de forma pausada, y sin forzar la capacidad pulmonar.
Por respiración generalmente se entiende al proceso fisiológico indispensable para la vida de organismos aeróbicos. Plantas y animales, lo mismo que otros organismos de metabolismo equivalente, se relacionan a nivel macroecológico por la dinámica que existe entre respiración y fotosíntesis. En la respiración se emplean el oxígeno del aire, que a su vez es un producto de la fotosíntesis oxigénica, y se desecha dióxido de carbono; en la fotosíntesis se utiliza el dióxido de carbono y se produce el oxígeno, necesario luego para la respiración aeróbica. La reacción química global de la respiración es la siguiente:
C6 H12 O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energía (ATP)
Según los distintos hábitats, los distintos seres vivos aeróbicos han desarrollado diferentes sistemas de intercambio de gases: cutáneo, traqueal, branquial, pulmonar. Consiste en un intercambio gaseoso osmótico (o por difusión) con su medio ambiente en el que se capta oxígeno, necesario para la respiración celular, y se desecha dióxido de carbono, como subproducto del metabolismo energético.
Los macacos, a consecuencia de tener la glotis más abajo, tienen la habilidad de tragar y respirar a la vez. Esto lo pueden hacer hasta que la necesidad de desarrollar el habla es suficiente como para subir la glotis (interior en la cual están las cuerdas vocales)y ya no tienen tanta maniobralidad a la hora de tragar y respirar a unisono.

La Respiración de los Animales.
Evolución.
Los organismos unicelulares dependen por completo de la difusión, para el desplazamiento y el intercambio de gases, asociados con la respiración interna.
Conforme aumenta la complejidad de los organismos unicelulares a pluricelulares, las células internas quedan cada vez más lejos de la capa celular donde ocurre el intercambio gaseoso con el medio, lo que dificulta cada vez más la posibilidad de que éstas obtengan y eliminen gases por difusión.
Es así como surgen, frente a este inconveniente, diversos modelos de aparatos respiratorios, como branquias y pulmones, surge asimismo la necesidad de un mecanismo de transporte que permita los gases llegar hasta los tejidos del animal, esta función la asume el sistema circulatorio.
Estructuras de intercambio gaseoso.
Branquias.
Representan la adaptación típica de la respiración de un medio acuático. Las branquias, en las cuales abundan los vasos sanguíneos donde se da el intercambio de gases, pueden ser desde prolongaciones sencillas de la superficie epitelial, como en algunos gusanos marinos, hasta las intricadas unidades repetitivas cubiertas por complejas estructuras protectoras que se observa en los peces óseos. Según su posición, las branquias pueden ser:
Branquias Internas.- Son órganos formados por numerosos filamentos branquiales que se ubican por ejemplo en las ventanas de la laringe de los peces óseos (comúnmente se le llaman agallas). Presentan elevada vascularización, de allí su color rojizo. Las branquias internas están presentes también en el interior del manto de los pulpos y calamares.
Branquias externas.- En aquellos vertebrados que presentan branquias externas, estas se presentan como filamentos ramificados muy vascularizados que emergen a cada lado del cuello del animal; en anfibios sin cola (sapos y ranas), sólo durante el estadio de renacuajo, en salamandras acuáticas en estadio adulto.
Las branquias son inadecuadas para la vida en el aire, ya que una vez que han sido sacadas del agua, los filamentos branquiales se doblan y se pegan entre si. Un pez fuera del agua se asfixia rápidamente a pesar de la abundancia de oxígeno a su alrededor; además en el medio aéreo las branquias ofrecen una amplia superficie que favorecería la pérdida de agua.
Pulmones.
Son estructuras especialmente adaptadas al medio terrestres y a la respiración aérea. Por ejemplo: en reptiles, aves y mamíferos.
Superficie del Cuerpo.

Muchos animales utilizan la superficie de su cuerpo, o sea sus tegumentos, para intercambiar gases, tal es el caso por ejemplo de los anélidos como la lombriz de tierra y unos cuantos vertebrados.
Tipos de respiración.
Respiración Directa.
La respiración directa se da cuando el intercambio de gases se realiza directamente entre el medio ambiente y las células del organismo, sin la intervención de un órgano respiratorio.
Debido a que en el medio externo la concentración de oxígeno es mayor que en el medio interno, este gas ingresa por simple difusión.
La respiración directa se presenta en organismos como poríferos, celentéreos, platelmintos y nemátodos.
Los poríferos y celentéreos toman el oxígeno disuelto en el agua, a su vez expulsan el CO2. En organismos parásitos como tenias (platelmintos) y oxiuros (nemátodos), se requiere poco oxígeno para su metabolismo, por lo que se les denomina microaerófilos.

Respiración Indirecta
Este tipo de respiración es característico en animales de gran tamaño, por lo que es necesaria la presencia de un órgano respiratorio, capaz de transportar los gases desde el medio ambiente hacia el sistema circulatorio y viceversa.
El órgano respiratorio se caracteriza por presentar un epitelio delgado y muy vascularizado (muchos vasos sanguíneos).
Además el epitelio debe ser húmedo para capturar gases.
Moluscos.- Los caracoles terrestres (gasterópodos) presentan una invaginación del manto, situado en la joroba visceral, llamada cavidad paleal. Esta cavidad paleal esta muy vascularizada, por lo que actúa como pulmón. Además presenta una abertura de comunicación con el exterior llamada neumostoma.
En los moluscos de vida acuática, como calamares, ostras, almejas, el intercambio gaseoso se da por unos pliegues epidérmicos llamados branquias.

Anélidos.- En los anélidos, el intercambio de gases tiene lugar a través de la superficie del cuerpo, el que está humedecido con mucus, como ocurre en la lombriz de tierra, de actividad nocturna, que vive en galerías subterráneas húmedas.
Artrópodos.- El intercambio gaseoso en los insectos se realiza mediante las tráqueas. Las tráqueas son tubitos quitinosos que se ramifican por todo el cuerpo del insecto. Estas ramificaciones microscópicas se denominan traqueolas, las cuales están humedecidas y son tan numerosas que las células se oxigenan de ella.

Las arañas respiran mediante el pulmón en libro, que se ubica en la región abdominal. Los crustáceos, como los cangrejos, respiran por branquias.
Equinodermos.- En las estrellas de mar la dermis origina pápulas (branquias dermales) sobre la superficie corporal las cuales son utilizadas para el intercambio de gases. Además también utilizan los pies ambulacrales. Cada pápula de paredes finas, es una prolongación del celoma, por lo que los gases son intercambiados automáticamente entre el líquido celómico y el agua.

Cordados.
Peces.- La respiración se efectúa mediante branquias. En los peces cartilaginosos se presenta las hendiduras branquiales, siendo la primera pequeña denominada espiráculo.
En los peces óseos la respiración se da por 4 pares de branquias, sostenidas por cuatro arcos branquiales. Cada branquia tiene una hilera doble de filamentos branquiales, de color rojo, debido a la presencia de muchos capilares. Las branquias de estos peces presentan una estructura protectora llamada opérculo.

Anfibios.- En los sapos y ranas, el intercambio gaseoso se realiza por la piel, el pulmón y la bucofaringe.
La piel es el principal órgano respiratorio debido a su gran superficie. Los pulmones son pequeños y tiene forma de saco simple, por lo que no son eficientes. En las larvas de anfibios, debido a su vida acuática, tienen 3 pares de branquias que sobresalen del cuerpo.

Reptiles.- En todos los reptiles la respiración es pulmonar. Los pulmones presentan tabiques o septos los que ofrecen una mayor superficie de intercambio gaseoso y una mayor eficiencia. Los ofidios, como las serpientes, presentan sólo el pulmón derecho funcional, el pulmón izquierdo se halla atrofiado. Las tortugas marinas, además de respiración pulmonar, presentan respiración cloacal, para ello por su cloaca vascularizada toma el O2 que se halla disuelto en el agua.

Aves.- El intercambio gaseoso se realiza mediante 2 pequeños pero eficientes pulmones. El aire inhalado es llevado por la tráquea a los bronquios, y de ahí a los pulmones, donde se encuentran los parabronquios, con capilares para la hematosis, los cuales realizan el intercambio gaseoso en la inspiración y exhalación. Las aves presentan sacos aéreos que actúan también como refrigerantes, disminuyendo el calor excesivo del cuerpo. A nivel de la división de la tráquea en bronquios se encuentra un órgano fonador llamado siringe, el cual permite el canto característico.

Mamíferos.- Todos los mamíferos presentan respiración pulmonar, hasta los acuáticos como las ballenas.
Se caracterizan por ser lobulados. Los pulmones se alojan en la cavidad pleural, limitados por el diafragma, que es un músculo que interviene en la entrada y salida de gases. El intercambio de gases (hematosis) se realiza a nivel de los alvéolos que están rodeados de capilares sanguíneos. La emisión de sonidos es posible por la presencia de cuerdas vocales que se ubican en la laringe.

Respiración anaeróbica
La respiración anaeróbica es un proceso biológico de oxidorreducción de azúcares y otros compuestos en el que el aceptor terminal de electrones es una molécula, en general inorgánica, distinta del oxígeno. La realizan exclusivamente algunos grupos de bacterias aunque células eucariótas, es el caso de las células musculares humanas; también pueden realizarla.

En la respiración anaeróbica no se usa oxígeno, sino que para la misma función se emplea otra sustancia oxidante distinta, como el sulfato o el nitrato. En las bacterias con respiración anaerobia interviene también una cadena transportadora de electrones en la que se reoxidan los coenzimas reducidos durante la oxidación de los substratos nutrientes; es análoga a la de la respiración aerobia, ya que se compone de los mismos elementos (citocromos, quinonas, proteínas ferrosulfúricas, etc.). La única diferencia, por tanto radica, en que el aceptor último de electrones no es el oxígeno.
Todos los posibles aceptores en la respiración anaerobia tienen un potencial de reducción menor que el O2, por lo que, partiendo de los mismos sustratos (glucosa, aminoácidos, triglicéridos), se genera menos energía en este metabolismo que en la respiración aerobia convencional. No hay que confundir la respiración anaeróbica con la fermentación, en la que no existe en absoluto cadena de transporte de electrones, y el aceptor final de electrones es una molécula orgánica; estos dos tipos de metabolismo tienen solo en común el no ser dependientes del oxígeno.
Utilización de sulfato como aceptor de electrones
La utilización de sulfato como aceptor de electrones es una habilidad rara, restringida al género Desulfovibrio y algunas especies de Clostridium. Todas estas bacterias son anaeróbicas estrictas, de modo que la reducción del sulfato no es una alternativa de su metabolismo, como lo es la reducción del nitrato. La reacción es la siguiente:
Las bacterias reductoras de sulfatos atacan solo unos pocos compuestos orgánicos, siendo el ácido láctico y los ácidos dicarboxílicos de 4 carbonos sus principales substratos.
Utilización de dióxido de carbono como aceptor de electrones
Un pequeño grupo de procariotas anaeróbias estrictas, las arqueas productoras de metano, utilizan dióxido de carbono como aceptor de electrones; la reducción da lugar a metano (CH4). El caso más simple es la oxidación de hidrógeno molecular, reacción productora de energía:
4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O
El hidrógeno no es un gas común en la biosfera, de modo que estos microorganismos habitan lugares muy específicos como en sedimentos anaerobios del fondo de lagos y pantanos, o en el tubo digestivo de los rumiantes, donde otros microorganismos producen el H2 libre que precisan.
La respiración aeróbica y anaeróbica
Entendemos por respiración a la serie de procesos celulares utilizados por los organismos para obtener energía mediante la oxidación de diferentes moléculas. Esta energía es almacenada en enlaces de alta energía (ATP y GTP) y en moléculas reductoras (NADH y FADH2), para ser utilizada posteriormente de forma controlada.
En función de quién sea el agente oxidante (el aceptor último de electrones), podemos clasificar dos tipos de respiración:
-Respiración aeróbica: si utilizan el O2 (del aire, de ahí el nombre) como aceptor de electrones. Propia de todos los eucariotas y de muchos procariotas.
-Respiración anaeróbica: si utilizan otro aceptor final que no sea el oxígeno, como por ejemplo el S, el Fe+3, el nitrato (NO3-) o el fumarato. Es exclusiva de algunos tipos de procariotas.
Las moléculas más comúnmente utilizadas de 'combustible' son la glucosa, algunos aminoácidos y ácidos grasos.

Utilización de sulfato como aceptor de electrones
La utilización de sulfato como aceptor de electrones es una habilidad rara, restringida al género Desulfovibrio y algunas especies de Clostridium. Todas estas bacterias son anaeróbicas estrictas, de modo que la reducción del sulfato no es una alternativa de su metabolismo, como lo es la reducción del nitrato. La reacción es la siguiente:
SO42- + 8e- + 8H+ → S2- + 4H2O
Las bacterias reductoras de sulfatos atacan solo unos pocos compuestos orgánicos, siendo el ácido láctico y los ácidos dicarboxílicos de 4 carbonos sus principales substratos.
Utilización de dióxido de carbono como aceptor de electrones
Un pequeño grupo de procariotas anaeróbicas estrictas, las arqueas productoras de metano, utilizan dióxido de carbono como aceptor de electrones; la reducción da lugar a metano (CH4). El caso más simple es la oxidación de hidrógeno molecular, reacción productora de energía:
4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O
El hidrógeno no es un gas común en la biosfera, de modo que estos microorganismos habitan lugares muy específicos como en sedimentos anaerobios del fondo de lagos y pantanos, o en el tubo digestivo de los rumiantes, donde otros microorganismos producen el H2 libre que precisen.