INTRODUCCION
Los organismos deben intercambiar materiales y energía con su entorno constantemente. En especies unicelulares, estos intercambios se producen directamente por la membrana plasmática; en cambio, en la mayoría de las células de organismos multicelulares es imposible, pues se encuentran aisladas del entorno. Así, evolucionaron los sistemas fisiológicos especializados en el transporte e intercambio de materiales.
Todos los animales poseen un metabolismo aeróbico: usan oxígeno para la respiración celular y generan dióxido de carbono (CO2); sin embargo, la manera en que realizan el intercambio de ambos gases o respiración externa, es muy variable. Algunos animales como las esponjas, los cnidarios y los platelmintos tienen una organización "sencilla" y demandas metabólicas bajas, así que obtienen el oxígeno y expulsan los residuos por difusión.
La mayoría de los animales pluricelulares de anatomía compleja, por su tamaño y actividad, presentan dos sistemas especializados en la respiración y el transporte de sustancias: el aparato respiratorio y el circulatorio (Fig. 1).
QUE DEBES SABER
1. Captación de oxígeno
Para que el gas oxígeno pueda penetrar a las células del cuerpo y el CO2 no se acumule, los animales han desarrollado medios de captación y expulsión de ambos gases.
a. Respiración cutánea
Los anfibios, los anélidos y algunos equinodermos realizan la respiración cutánea; para ello, poseen un tegumento (capa externa de la piel) húmedo y con mucha irrigación sanguínea, permitiendo que la sangre o hemolinfa (sustancia que realiza las funciones de la sangre en invertebrados), a través de metaloproteínas (como la hemoglobina), capte el O2 disuelto en el aire o el agua y libere el dióxido de carbono CO2 residual.
Otra vía de respiración frecuente es constituida por las branquias (Fig. 2), que son estructuras filamentosas presentes en la mayoría de los invertebrados, incluso terrestres (artrópodos, moluscos y equinodermos, entre otros), así como en cordados acuáticos. Su función es la filtración de agua a través de una superficie altamente vascularizada, donde las metaloproteínas de la sangre entran en contacto con el medio para expulsar el CO2 y captar el O2 disuelto en el agua.
b. Respiración traqueal
Las tráqueas de los insectos (Fig. 3) son una adaptación especial de tubos vacíos que transportan aire hacia los tejidos, sin intervención del sistema circulatorio; por ello, se ha considerado que esta ausencia de transporte, limita su tamaño. Algunos arácnidos, en cambio, poseen pulmones en libro, una serie de cavidades plegadas por donde circula la hemolinfa. Los caracoles y las babosas terrestres presentan estructuras pulmonares que están constituidas por una cavidad del manto altamente vascularizada. Estas estructuras respiratorias no se relacionan con los pulmones de vertebrados y, muchas veces, no requieren de movimiento para incrementar el intercambio gaseoso.
c. Respiración branquial
Las branquias son extensiones de la superficie corporal suspendidas en el agua; se han desarrollado tanto en organismos acuáticos invertebrados como vertebrados. En ambos grupos, las branquias pueden ser externas o internas. La superficie de las branquias externas está en contacto directo con el agua, mientras que en las branquias internas es necesario hacer llegar el agua a su superficie.
En algunos invertebrados, como las estrellas de mar (Fig. 4), las branquias presentan una forma simple y están distribuidas sobre gran parte del cuerpo.
Las branquias son extensiones de la superficie corporal suspendidas en el agua; se han desarrollado tanto en organismos acuáticos invertebrados como vertebrados. En ambos grupos, las branquias pueden ser externas o internas. La superficie de las branquias externas está en contacto directo con el agua, mientras que en las branquias internas es necesario hacer llegar el agua a su superficie.
En algunos invertebrados, como las estrellas de mar (Fig. 4), las branquias presentan una forma simple y están distribuidas sobre gran parte del cuerpo.
Asimismo, muchos de los gusanos segmentados poseen branquias similares a aletas, que se extienden desde cada segmento de su cuerpo o branquias plumosas y largas, agrupadas en la cabeza o cola. Las branquias de los cangrejos y otros animales están en una parte específica del cuerpo.
d. Respiración pulmonar
Los vertebrados terrestres, en su forma adulta, desarrollan pulmones: órganos huecos altamente vascularizados que permiten el intercambio de gases.
El proceso físico de respirar sucede cuando contracciones musculares semivoluntarias (el diafragma en mamíferos) amplían la cavidad torácica que contiene a los pulmones, lo que incrementa su volumen y genera baja presión, permitiendo la entrada de aire. El flujo de aire es filtrado y conducido por las vías respiratorias superiores para distribuirse a los pulmones por las vías inferiores.
d. Respiración pulmonar
Los vertebrados terrestres, en su forma adulta, desarrollan pulmones: órganos huecos altamente vascularizados que permiten el intercambio de gases.
El proceso físico de respirar sucede cuando contracciones musculares semivoluntarias (el diafragma en mamíferos) amplían la cavidad torácica que contiene a los pulmones, lo que incrementa su volumen y genera baja presión, permitiendo la entrada de aire. El flujo de aire es filtrado y conducido por las vías respiratorias superiores para distribuirse a los pulmones por las vías inferiores.
Dentro de los pulmones (Fig. 5), los alvéolos se hallan en contacto directo con los capilares y es en estos donde se produce el intercambio gaseoso propiamente dicho (Fig. 6).
La sangre llega al pulmón cargada de CO2 disuelto en forma de ión bicarbonato (HCO3_) y por acción transportadora de la hemoglobina, una proteína ferrosa con afinidad hacia el CO2 y O2. Con el aire inhalado abundante de O2, ambos compuestos experimentan una difusión simple en la membrana alveolar, lo cual se facilita debido a la diferencia de presiones entre los gases.
Cada gas migra hacia donde su concentración es menor (CO2 al aire pulmonar y O2 a la mucosa); en este momento, la hemoglobina, que presenta gran afinidad al O2, libera el CO2 y lo sustituye por O2 para incorporarlo al torrente sanguíneo.
La exhalación ocurre por relajamiento muscular, por lo que no hay gasto de energía para enviar a la atmósfera el aire cargado con CO2.
2. Distribución del oxígeno
Luego de que ocurre el intercambio gaseoso, el sistema circulatorio (o cardiovascular en vertebrados) es el encargado de transportar a todo el organismo no solo el O2, sino también minerales, nutrientes y señales químicas.
2.1. Transporte no especializado
Los metazoos de anatomía simple no disponen de sistemas de transporte especializados y en estos, el fluido circulante es el propio líquido extracelular; por tanto, las células toman los nutrientes del medio externo y vierten también a este los productos de desecho. Existen dos vías por las que puede realizarse este tipo de transporte: por difusión y a través del aparato digestivo.
La difusión es el mecanismo empleado por los poríferos (esponjas), los radiados (cnidarios, Fig. 7) y los ctenóforos.
Cada gas migra hacia donde su concentración es menor (CO2 al aire pulmonar y O2 a la mucosa); en este momento, la hemoglobina, que presenta gran afinidad al O2, libera el CO2 y lo sustituye por O2 para incorporarlo al torrente sanguíneo.
La exhalación ocurre por relajamiento muscular, por lo que no hay gasto de energía para enviar a la atmósfera el aire cargado con CO2.
2. Distribución del oxígeno
Luego de que ocurre el intercambio gaseoso, el sistema circulatorio (o cardiovascular en vertebrados) es el encargado de transportar a todo el organismo no solo el O2, sino también minerales, nutrientes y señales químicas.
2.1. Transporte no especializado
Los metazoos de anatomía simple no disponen de sistemas de transporte especializados y en estos, el fluido circulante es el propio líquido extracelular; por tanto, las células toman los nutrientes del medio externo y vierten también a este los productos de desecho. Existen dos vías por las que puede realizarse este tipo de transporte: por difusión y a través del aparato digestivo.
La difusión es el mecanismo empleado por los poríferos (esponjas), los radiados (cnidarios, Fig. 7) y los ctenóforos.
El atrio de las esponjas y la cavidad gastrovascular de los celentéreos (medusas) actúan como órganos circulatorios y el agua, en estas cavidades, actúa como líquido circulante. En el caso de los platelmintos, el aparato digestivo posee numerosas ramificaciones intestinales que realizan función de transporte hasta el medio externo de las células.
2.2. Sistema de transporte especializado
En organismos anatómicamente más desarrollados se pueden encontrar dos tipos de sistemas circulatorios, que superan las limitaciones de la difusión: abiertos y cerrados. Ambos sistemas tienen tres componentes básicos: un líquido circulatorio (sangre), un conjunto de tubos (vasos sanguíneos) por los que se desplaza la sangre a lo largo del organismo y una bomba muscular (el corazón).
a. Sistema circulatorio abierto
En insectos, otros artrópodos y la mayoría de moluscos, la sangre baña los órganos directamente en un sistema circulatorio abierto. No existe diferencia entre la sangre y el líquido intersticial; este último, por lo general, se conoce como hemolinfa.
Uno o más corazones bombean la hemolinfa hacia un sistema interconectado de senos (espacios que rodean a los órganos). El intercambio de sustancias químicas se produce entre la hemolinfa y las células del organismo.
En los insectos y otros artrópodos, el corazón es un tubo alargado de localización dorsal que, cuando se contrae (Fig. 8), bombea hemolinfa a través de los vasos hacia los senos.
En organismos anatómicamente más desarrollados se pueden encontrar dos tipos de sistemas circulatorios, que superan las limitaciones de la difusión: abiertos y cerrados. Ambos sistemas tienen tres componentes básicos: un líquido circulatorio (sangre), un conjunto de tubos (vasos sanguíneos) por los que se desplaza la sangre a lo largo del organismo y una bomba muscular (el corazón).
a. Sistema circulatorio abierto
En insectos, otros artrópodos y la mayoría de moluscos, la sangre baña los órganos directamente en un sistema circulatorio abierto. No existe diferencia entre la sangre y el líquido intersticial; este último, por lo general, se conoce como hemolinfa.
Uno o más corazones bombean la hemolinfa hacia un sistema interconectado de senos (espacios que rodean a los órganos). El intercambio de sustancias químicas se produce entre la hemolinfa y las células del organismo.
En los insectos y otros artrópodos, el corazón es un tubo alargado de localización dorsal que, cuando se contrae (Fig. 8), bombea hemolinfa a través de los vasos hacia los senos.
Cuando el corazón se relaja, atrae a la hemolinfa hacia el sistema circulatorio a través de poros denominados ostiolos. Los movimientos corporales que comprimen los senos facilitan la circulación de la hemolinfa.
b. Sistema circulatorio cerrado
En el sistema circulatorio cerrado, la sangre está confinada en vasos y es diferente del líquido intersticial. Uno o más corazones bombean la sangre hacia vasos grandes que se ramifican en otros más pequeños a lo largo del trayecto, a través de los órganos.
Los materiales se intercambian a través de la difusión entre la sangre y el líquido intersticial que baña las células. Los invertebrados, como lombrices, calamares y pulpos, y todos los vertebrados poseen sistemas circulatorios cerrados (Fig. 9).
Los materiales se intercambian a través de la difusión entre la sangre y el líquido intersticial que baña las células. Los invertebrados, como lombrices, calamares y pulpos, y todos los vertebrados poseen sistemas circulatorios cerrados (Fig. 9).
Circulación en vertebrados
Luego de que ocurra el intercambio gaseoso, es el sistema circulatorio (o cardiovascular en vertebrados) el encargado de transportar a todo el organismo no solo el O2, sino también los minerales, los nutrientes y las señales químicas.
El sistema cardiovascular comprende el corazón y los vasos sanguíneos (Fig. 10), una red de numerosas estructuras huecas y tubulares. Su acción conjunta distribuye la sangre.
- Corazón. Es un órgano hueco que contiene diferentes recámaras, cuyas paredes se conforman de tejido muscular. Las contracciones rítmicas del órgano brindan presión al torrente sanguíneo y le impulsan a través de los vasos sanguíneos en dos direcciones: hacia los pulmones para eliminar CO2 y oxigenar, y desde los pulmones hasta el resto del cuerpo. En aves y mamíferos estas funciones se coordinan por el lado derecho y el izquierdo del corazón, respectivamente.
- Vasos sanguíneos. De acuerdo con las funciones de transporte, se distinguen tres tipos de vasos sanguíneos:
3. Funciones de la sangre
Como se observó antes, la sangre es un tejido formado por células sanguíneas inmersas en un fluido llamado plasma sanguíneo, solución acuosa que contiene iones minerales, proteínas y hormonas.
Las células sanguíneas comprenden: los eritrocitos o glóbulos rojos (Fig. 11), que contienen gran cantidad de hemoglobina (lo que les brinda el color rojo y olor férrico, característico de la sangre), los glóbulos blancos (leucocitos) y las plaquetas.
En conjunto, las funciones de la sangre que se detallarán más adelante son:
- Suplemento de oxígeno (eritrocitos).
- Suplemento de nutrientes, como: glucosa, ácidos grasos y aminoácidos (plasma).
- Remoción de sustancias residuales como CO2, urea y ácido láctico (plasma).
- Funciones inmunológicas (leucocitos).
- Coagulación, como parte del mecanismo autoreparador (plaquetas).
- Envío de mensajes transportando hormonas y señales de tejidos dañados (plasma).
- Regulación del pH y de la temperatura corporal.
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