de la Biología para estudiantes II

Figura 1. La célula del alga unicelular Ventricaria ventricosa es una de las más grandes conocidas, alcanzando de uno a cinco centímetros de diámetro. Como todos los organismos unicelulares, V. ventricosa intercambia gases a través de la membrana celular.

Todos los organismos aeróbicos requieren oxígeno para llevar a cabo sus funciones metabólicas. A lo largo del árbol evolutivo, diferentes organismos han ideado diferentes medios para obtener oxígeno de la atmósfera circundante. El entorno en el que vive el animal determina en gran medida cómo respira el animal. La complejidad del sistema respiratorio está correlacionada con el tamaño del organismo. A medida que aumenta el tamaño de los animales, las distancias de difusión aumentan y la relación entre el área de superficie y el volumen disminuye. En los organismos unicelulares, la difusión a través de la membrana celular es suficiente para suministrar oxígeno a la célula (Figura 1).

La difusión es un proceso de transporte lento y pasivo. Para que la difusión sea un medio viable de proporcionar oxígeno a la célula, la tasa de absorción de oxígeno debe coincidir con la tasa de difusión a través de la membrana. En otras palabras, si la célula fuera muy grande o gruesa, la difusión no sería capaz de proporcionar oxígeno lo suficientemente rápido al interior de la célula. Por lo tanto, la dependencia de la difusión como medio para obtener oxígeno y eliminar dióxido de carbono sigue siendo factible solo para organismos pequeños o aquellos con cuerpos muy aplanados, sucs como muchos gusanos planos (Platyhelminthes). Los organismos más grandes tenían que desarrollar tejidos respiratorios especializados, como branquias, pulmones y vías respiratorias acompañados de un complejo sistema circulatorio, para transportar oxígeno a través de todo su cuerpo.

Difusión directa

Figura 2. El proceso de respiración de este gusano plano funciona por difusión a través de la membrana externa. (crédito: Stephen Childs)

Para organismos multicelulares pequeños, la difusión a través de la membrana externa es suficiente para satisfacer sus necesidades de oxígeno. El intercambio de gases por difusión directa a través de membranas superficiales es eficiente para organismos de menos de 1 mm de diámetro. En organismos simples, como los cnidarios y los platelmintos, cada célula del cuerpo está cerca del entorno externo. Sus células se mantienen húmedas y los gases se difunden rápidamente a través de la difusión directa. Los gusanos planos son pequeños, literalmente gusanos planos, que «respiran» a través de la difusión a través de la membrana externa (Figura 2). La forma plana de estos organismos aumenta el área de superficie para la difusión, asegurando que cada célula dentro del cuerpo esté cerca de la superficie de la membrana externa y tenga acceso al oxígeno. Si el gusano plano tuviera un cuerpo cilíndrico, entonces las células en el centro no podrían obtener oxígeno.

Piel y branquias

Las lombrices de tierra y los anfibios utilizan su piel (tegumento) como órgano respiratorio. Una densa red de capilares se encuentra justo debajo de la piel y facilita el intercambio de gases entre el entorno externo y el sistema circulatorio. La superficie respiratoria debe mantenerse húmeda para que los gases se disuelvan y se difundan a través de las membranas celulares.

Figura 3. Esta carpa común, al igual que muchos otros organismos acuáticos, tiene branquias que le permiten obtener oxígeno del agua. (crédito: «Guitardude012» / Wikimedia Commons)

Los organismos que viven en el agua necesitan obtener oxígeno del agua. El oxígeno se disuelve en agua, pero a una concentración menor que en la atmósfera. La atmósfera tiene aproximadamente un 21 por ciento de oxígeno. En el agua, la concentración de oxígeno es mucho menor que eso. Los peces y muchos otros organismos acuáticos han desarrollado branquias para absorber el oxígeno disuelto del agua (Figura 3). Las branquias son filamentos de tejido fino muy ramificados y plegados. Cuando el agua pasa por encima de las branquias, el oxígeno disuelto en el agua se difunde rápidamente a través de las branquias hacia el torrente sanguíneo. El sistema circulatorio puede transportar la sangre oxigenada a otras partes del cuerpo. En los animales que contienen líquido celómico en lugar de sangre, el oxígeno se difunde a través de las superficies branquiales hacia el líquido celómico. Las branquias se encuentran en moluscos, anélidos y crustáceos.

Las superficies plegadas de las branquias proporcionan una gran superficie para garantizar que el pescado reciba suficiente oxígeno. La difusión es un proceso en el que el material viaja de regiones de alta concentración a baja concentración hasta que se alcanza el equilibrio. En este caso, la sangre con una baja concentración de moléculas de oxígeno circula a través de las branquias. La concentración de moléculas de oxígeno en el agua es mayor que la concentración de moléculas de oxígeno en las branquias. Como resultado, las moléculas de oxígeno se difunden del agua (alta concentración) a la sangre (baja concentración), como se muestra en la Figura 4. Del mismo modo, las moléculas de dióxido de carbono en la sangre se difunden de la sangre (alta concentración) al agua (baja concentración).

Figura 4. A medida que el agua fluye por las branquias, el oxígeno se transfiere a la sangre a través de las venas. (crédito «fish»: modificación del trabajo de Duane Raver, NOAA)

Sistemas traqueales

Figura 5. Los insectos realizan la respiración a través de un sistema traqueal.

La respiración de los insectos es independiente de su sistema circulatorio; por lo tanto, la sangre no desempeña un papel directo en el transporte de oxígeno. Los insectos tienen un tipo de sistema respiratorio altamente especializado llamado sistema traqueal, que consiste en una red de pequeños tubos que transportan oxígeno a todo el cuerpo. El sistema traqueal es el sistema respiratorio más directo y eficiente en animales activos. Los tubos del sistema traqueal están hechos de un material polimérico llamado quitina.

Los cuerpos de insectos tienen aberturas, llamadas espiráculos, a lo largo del tórax y el abdomen. Estas aberturas se conectan a la red tubular, permitiendo que el oxígeno pase al cuerpo (Figura 54) y regulando la difusión de CO2 y vapor de agua. El aire entra y sale del sistema traqueal a través de los espiráculos. Algunos insectos pueden ventilar el sistema traqueal con movimientos corporales.

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