Biología, la vida en la tierra con fisiología TOMO 02-páginas-42

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Ca
pí
tu
lo
E s tu d io de caso
Vidas entre humo
EN C A S I TO D O S LOS C A M PU S UN IVERSITARIO S 
puede ve rse estud ian tes reun idos en grupos 
frente a las puertas d e los ed ific ios, a veces 
tiritando d e frío , fum ando en tre clase y c lase . La 
tos está p resen te en sus conversaciones. Com o 
la m ayo ría d e los adu ltos fum adores, muchos 
de estos estud ian tes adoptaron e l hábito en la 
preparatoria. "Em pecé com o fum ador socia l en 
la p reparatoria", exp lica un estud iante d e prim er 
año d e la Un iversidad d e Illino is , c itado en el 
periódico estud ian til d e la institución . "Cuando 
me d i cuenta , ya e ra ad ic to a l tabaco."
A los 2 1 años. Jam es ya era un fum ador 
ve terano . ‘T e n ía baja autoestim a y a p esar de 
conocer los pelig ros, em pecé a fum ar para 
sentirme acep tad o ‘ A los 15 años. Ja m es llegó 
a fum ar 15 cigarrillos a l d ía ; a los 19, la cifra se 
había duplicado . Todav ía no cum plía 20 años 
cuando su m édico le d ijo q u e ten ía los pulm ones 
tan dañados com o un fum ador de 40 años.
En Estados U n idos, todos los d ías, varios 
m iles d e adolescentes m enores d e 18 años 
encienden su prim er cigarrillo . Para muchos, 
éste es e l p rincip io de una lucha perm anente 
contra la adicción a l tabaco. De acuerdo con 
los C en ters fo r Disease C on tro l and Prevention 
C en tro s para e l C on tro l y la Prevención de 
las Enferm edades), en 2007 alrededor de 2 0 % 
de los estud ian tes de preparatoria en Estados 
Unidos fum aban, en com paración con e l índice 
máxim o registrado en 1997, que fue d e 36%.
Aun así. aproxim adam ente 6% d e los estudiantes 
que se gradúan d e preparatoria ya fum an casi 
in a cajetilla o m ás a l d ía . En prom edio, estos 
fum adores jóven es sufrirán d e tos persistente 
y enferm edades respiratorias, ten iendo m enor 
capacidad para hacer e jercic io que los no 
fum adores. Es probable que sus pu lm ones nunca 
alcancen un desarro llo norm al com pleto . La 
m ayoría de d ichos estud ian tes están conscientes 
de los peligros, pero afirm an que dejarán de 
fum ar "cuando llegue e l m om ento adecuado".
¿Es probable que estos fumadores d e jen el 
cigarrillo? En caso d e no hacerlo, ¿cuáles son 
las probabilidades de que mueran deb ido al 
tabaquismo? ¿Po r qué la nicotina es tan adictiva? 
¿Cómo se ve e l interior de un pulm ón normal, y 
cóm o cam bia por e l hecho d e fum ar? ¿Po r qué 
nuestros pulmones no se encuentran fuera del 
cuerpo donde estarían expuestos de forma directa 
a l aire? En este capítulo se exp loran las estructuras 
especializadas d e los sistem as respiratorios.
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R e s p i r a c i ó n 6 4 1
De un v is ta z o
Estu d io d a caso V idas en tre hum o
3 3 .1 ¿ A q u é se d e b e e l in te r c a m b io d e g a se s ?
3 3 .2 A lg u n a s a d a p ta c io n e s e v o lu t iv a s p a ra 
e l in te r c a m b io d e gases
Algunos anim ales q ue habitan en am b ientes húmedos 
carecen de estructuras respiratorias especializadas 
Los sistem as respiratorios facilitan el in tercam bio de gases 
por difusión
Las branquias facilitan el intercam bio de gases en los 
am bientes acuáticos
Los anim ales terrestres tienen estructuras respiratorias 
internas
3 3 .3 ¿ C ó m o fu n c io n a e l s is te m a re s p ira to r io 
en lo s se res h u m a n o s ?
La parte conducto ra del sistem a resp iratorio transporta aire 
a k>s pulm ones
 \
D « c a r c a l a s b r a n q u i a s y l o s g a s e s , u n i n t e r c a m b i o 
a c o n t r a c o r r i e n t e
El intercam bio de gases ocurre en los alveolos 
E l oxígeno y el dióxido de ca rbono son transportados 
en la sangre m ediante d istintos m ecanism os
Guard ián d a la salud: Fum ar, una d ec is ión d e v id a 
y respiración
Estud io d a caso continuación V id as en tre humo 
Estud io d a caso continuación V id as en tre humo 
El a ire se inhala de form a ac tiva y se exhala de manera 
pasiva
R it'F lix Gas Exchange (d ispon ib le en inglés)
E l centro resp iratorio d e l cerebro co n tro la la frecuencia 
respiratoria
Estud io d a caso o tro v is ta z o V id as en tre hum o
33.1 ¿A Q U É S E D E B E E L IN T E R C A M B IO 
D E G A SES ?
¡O tra vez ta rd e l Subes co rr ie n d o dos pisos p o r las escaleras de 
la escuela para llegar a tu sa ló n d e clases; tus pies parecen tener 
a las. R eco rd and o e l ca p ítu lo 8, piensas: '¡A já f E l ác id o láctico se 
acum u la , m is célu las m usculares fe rm en tan g lucosa porque no 
p ueden o b ten e r su fic ien te oxígeno para la resp iración ce lu la r '. 
M ien tras te deslizas e n tu as ien to , jadeas e n s ilen c io y sientes 
có m o tu corazón late con fuerza; la in com o d id ad d ism in uye . U n 
esfuerzo m e n o r co m b in ad o con u n a resp iración ráp ida te garan­
tiza la d isp o n ib ilid ad d e un a can tid ad d e ox igeno ( O , ) adecuada. 
E l á c id o láctico se h a co n ve n id o d e nuevo e n p iruvato , q ue se 
d escom pone e n d ió x id o d e ca rb o n o (C O , ) y agua, a l t iem p o que 
p rop o rc io na energ ía ad ic ion a l.
Experim entas la re lación e n tre la resp iración ce lu lar y e l h e ­
ch o d e respirar, ta m b ié n llam ad o r e s p ir a d ó n . C ad a cé lu la d e tu 
cuerpo ( y e n todos los o rg an ism o s) debe usar energ ia de m anera 
co n tin u a para sobrev iv ir. C u a n d o utilizas ta s m ú scu los para su b ir 
las escaleras a toda ve loc idad , las dem andas son extrem as. C o m o 
la re sp irad ó n convie rte la energ ia q ue h a y e n los nutrim entos 
(c o m o la g lucosa ) e n A T P q u e las cé lu las pueden u tilizar, e l p ro ­
ceso requ iere d e un ab asted m ien to co n tin u o d e O , y generar C O , 
co m o desecho. Lo s ráp idos latidos d e tu co razó n m ien tras te re­
lajas después d e su b ir co rriendo las escaleras, te recuerdan q ue el 
s istem a d reu la to rio fu n d o n a e n estrecha a rm o n ía co n el sistem a 
resp iratorio . És te extrae O , del a ire e n tu s p u lm on es, lo transporta 
cerca de las célu las para que p o r d ifu s ión pase al in te rio r d e las 
m ism as, recoge C O , p a ra lib erarlo e n lo s pu lm ones d on d e , pos­
teriorm ente, es exha lado a la atm ósfera.
3 3 .2 A L G U N A S A D A P T A C IO N E S EV O LU T IV A S 
P A R A E L IN T E R C A M B IO D E G A SE S
E n todos los organism os, el in tercam bio d e gases depende a fin 
d e cuentas de la d ifusión. La resp iradón celular d ism in uye e l O , 
e increm enta los n iveles d e C O ,, creando u n grad iente d e concen-
trad ón q ue favorece la d ilu s ió n de O , h a d a su in terio r y del C O , 
h a d a e l exterior. A unque los sistemas resp iratorios d e los an im ales 
son m u y diversos, lodos cum plen los lies requisitos que facilitan 
la d ifusión:
• la s su periídes respiratorias perm anecen húm edas p o rq u e las 
m em branas d e las célu las so n húm edas y, p o r tan to , los gases 
deben d iso lverse e n agua para d ifund irse cu an d o entran y 
sa len de las células a través d e sus m em branas.
• la s superfiries celu lares son m u y delgadas para fa d lita r la 
d ifu s ió n d e los gases a través d e ellas.
• l-os sistemas respiratorios tienen u n área de superfide e n contac­
to con el am b iente lo sufidentem ente extensa para perm itir el 
in te iram b io adecuado d e gases.
E n las secdones siguientes se exam inan d iversos sistem as resp ira ­
to rio s d e los an im ales, cada u n o m o ld ead o p o r e l m e d io a m b ien ­
te e n e l q ue evo luciona.
Algunos an im ales que habitan en am bientes 
húm edos carecen de estructuras 
resp iratorias especializadas
Para algunos an im ales q ue viv e n en am b ientes húm edos, la par­
te exterior d e l cuerpo, cubierta con un a p ie l delgada, perm eable a 
los gases, p ro p o rd o n a un área de superfide adecuada para la d ifu ­
s ió n d e los m ism os. S i el cuerpo e s e n extrem o pequeño y alargado 
— co m o e n los gusanos redondos m icroscópicos— , los gases só lo 
necesitan d ifund irse distancias cortas para llegar a las célu las. D e 
m anera alternativa, e l cuerpo de un an im a l puede se r delgado y 
p lan o — co m o e n los gusanos planos— , de m o d o q ue la m ayor 
p a n e d e las células se encuentra cerca d e la p ie l húm eda a través de 
la cual se d ifu n d en los gases (R G U R A 33-1 a ). La ve lo d d ad relativa­
m ente baja d e l in te rcam b io d e gases por d ifu s ión puede se r sufiden- 
te in c lu so para los organism os con cuerpo m ás g rande y delgado si 
las dem andas d e energia son m u y bajas. Po r e jem p lo , las m edusas 
pueden se r m u y grandes, pero las células q ue están le jos d e la s u ­
perficie presentan un m etabo lism o m u y ba jo por lo q ue requieren
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6 4 2 A iia io m ú y fisiología jn im jl
m
(b) Medusa (c) Esponja
A F IG U R A 33-1 A lg u n o s a n im a le s c a re ce n d e e s t ru c tu ra s re s p ira to r ia s e sp e c ia liz a d a s la mayoría 
de los anim ales que no tienen un sistema respiratorio tienen dem andas metabóllcas bajas y superficies 
corporales extensas y húmedas, (a) El cuerpo plano d e este gusano plano marino Intercambia gases con el 
agua. (b )L a s células en el cuerpo en forma de campana de una medusa tienen un Indice metabóllco bajo, 
y el agua de mar q ue fluye h a d a dentro y hacia fuera d e la campana mientras nada permite un Intercambio 
adecuado de gases, ( c ) l a s células flageladas atraen corrientes d e agua oxigenada a través d e los numerosos 
poros del cuerpo de la esponja, y la expulsan a través de una o más aberturas de m ayor «m a llo .
p oco O , (R G U R A 33-1 b). O tra adap tación para el in te rcam bio de 
gises com prende e l acercam iento d e l m e d io am b ien te acuoso a 
cada célula. l.as esponjas, p o r e jem p lo , circu lan agua de m a r a tra­
vés d e canales d en tro de su cuerpo (F IG U R A 33-1 c; léase tam b ién 
la figura 23-5).
A lgunos an im a les co m b in a n un a superficie extensa d e piel 
(a través d e la cu a l ocu rre la d ifu s ió n ) co n u n sistem a c ircu lato rio 
m u y desarro llado . Po r e jem p lo , e n la lo m b riz d e tierra los gases 
se d ifunden a través d e la p ie l hú m eda y se d istribuyen e n todo el 
cuerpo m ed ian te un eficiente sistem a d rcu la to r io (véase la figura
32- Ib ) . E n toda la ex ten s ión de la p ie l, la sangre d e los capilares 
transporta co n rap idez el C X ), h a d a fuera, y m an tien e u n gra­
d ien te d e concentración que favorece la d ifu s ió n d e l O , h a c ia el 
in terior. La fo rm a alargada d e la lom briz garantiza un a superficie 
extensa d e p ie l e n re la d ó n con su vo lu m en in te rno . Pa ra seguir 
s iendo e fectiva co m o órgano d e in te rcam b io de gases, la p ie l debe 
perm anecer h ú m ed a ; un a lo m b riz d e tierra seca se so focaría .
Los sistem as resp iratorios facilitan el intercam bio 
de gases por difusión
E n la m ayoría d e los an im a les han e vo lu d o n a d o sistem as resp ira­
torios espedalizados q ue interactúan intim am ente co n sus siste­
m as drcu latorios para intercam biar gases entre sus células y el am ­
biente. D ich o in tercam bio d e gases en tre e l am b ien te y las célu las 
del cuerpo ocurre casi siem pre e n etapas q ue a lternan entre el flu jo 
m asivo y l a d ifusión . D urante el f lu jo m a s iv o , los líq u id os o gases 
se m ueven e n vo lu m en a través de espados relativam ente extensos, 
desde áreas d e m ayo r presión hasta áreas d e m e n o r presión, de 
m anera m u y s im ila r a la fo rm a e n q u e e l agua pasa d e l g rifo (a lta 
jx es ió n ) a lo largo d e un a m anguera (b a ja p res ión ). E l flu jo m a­
sivo contrasta con la d ifusión , e n la q ue las m oléculas se m ueven 
en forma in d iv id u a l d e áreas d e m ayo r co n cen trad ó n a otras de 
m enor concen tradón (wtonsc las páginas 84-87). Para los an im ales 
a>n sistemas respiratorios b ien desarro llados (d esde insectos hasta 
hum anos), el in te rcam bio d e gases ocurre e n las etapas siguientes, 
ilustradas e n e l caso de los m am íferos e n la F IG U R A 33-2;
O E l a ire o agua, co n con cen trado nes re lativam ente altas de 
O , y bajas de C O J( pasan p o r un a su perfide respiratoria 
en u n flu jo m asivo ; p o r lo general, los m ovim ien tos 
m usculares, co m o la resp iradón , fac ilitan esta a cd ó n .
© F.I O i y el C O , se in te rcam b ian a través d e la superfide 
resp ira toria p o r d ifu s ión ; el O ,s e lleva a los cap ilares del 
sistem a c ircu lato rio y c l C O , se d ifu n d e h a d a fuera.
© lo s gases se transpo rtan entre e l sistem a resp ira torio y los 
tejidos p o r m e d io d e l f lu jo m asivo d e sangre q u e b om b ea el 
corazón a to d o el cuerpo.
O Los gases se intercam bian entre los tejidos y el sistem a 
d rcu la to rio m ed ian te d ifusión. En los tejidos, e l O , se 
d ifunde de los capilares h a d a los tejidos cercanos, y el 
C O , en tra e n los capilares provenientes d e los tejidos.
A m bos gases se m ueven d e acuerdo co n sus grad ientes de 
concentradón.
Las branquias facilitan el intercam bio de gases 
en los am bientes acuáticos
Las b ra n q u ia s so n las estructuras respiratorias d e m uchos an i­
males acuáticos. E l t ip o d e b ranq u ia m ás sen d llo , encontrad o en 
algunos an fib ios ( léase la figura 33-5a) y e n los m oluscos nudi- 
branquios (litera lm ente, 'b ran q u ias d esn u d as ') (F IG U R A 33-3), 
consiste e n m uchas proyecriones delgadas d e la superfide corporal 
q ue sobresalen en e l agua d rcundante .
E n general, las branquias tienen com ple jas ram ificadones 
o pliegues q ue aum entan a l m áx im o su área superficia l. Las bran­
quias tienen un a densa profusión d e cap ilares justo d eb a jo de sus 
delicadas m em branas externas, tran spo rtan do sangre cerca d e la 
superfide , d o n d e ocurre e l in te rcam b io d e gases. E l cuerpo del 
pez protege las delicadas m em branas d e sus branquias d eb a jo de 
u n a a le ta ósea: el opérculo. Ix»s peces crean un a co rrien te con tin ua 
sobre sus branquias b om b eand o agua h a d a su b oca y lanzándo la 
a través d e l opércu lo (véase la figura E33-2). A lgunos nadadores 
ráp idos, co m o la macarela, e l a tú n y algunas espedes d e ti buró-
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