El aire a la altura del Mt. Everest es tan bajo en oxigeno que la mayoría de la gente no podría sobrevivir sin mascaras de oxigeno. Patos y Gansos que migran sobre altas montañas(6800 mts) tienen adaptaciones, para que obtengan suficiente oxigeno (eficiencia en los pulmones, hemoglobina de alta afinidad gran numero de capilares, mioglobina en musculo). Humanos viviendo a altitudes elevadas como 6300 mts en el Himalaya o los Andes donde hay bajas concentraciones de oxigeno tienen adaptaciones (bajos de estatura, pulmones y corazón grandes mas hemoglobina y glóbulos rojos).

El intercambio de gases o respiración, es el suministro deO2 y la generación y eliminación de CO2 entre un animal y su entorno.

Medio respiratorio (aire o agua)

O2

CO2

Superficie respiratoria

Nivel organismo

Sistema circulatorio

Nivel celular Moléculas combustibles Ricas en energía De los alimentos

Respiración celular

ATP

El intercambio de gases 1)

involucra la respiración,

2)

el transporte de gases y

3)

el mantenimiento de las células de los tejidos

El intercambio de gases provee O2 para la respiración celular y elimina como producto de desecho, CO2.

O2 Respiracion CO2

Pulmón

Involucrando el Sistema Respiratorio y Circulatorio. Sistema Circulatorio

El intercambio gaseoso presenta tres fases.

Transporte de gases por el sistema Circulatorio

1. Respiración •O2 es tomado (inhalado) por los pulmones y pasa a los vasos sanguíneos. •CO2 pasa de las células de los pulmones al ambiente.(exhala) . 2. Transporte de gases por el sistema circulatorio •O2 se fija a la hemoglobina y es transportado en la sangre a los tejidos del cuerpo. •CO2 es transportado desde los tejidos hacia los pulmones. 3. Células del cuerpo obtienen O2 de la sangre y liberan CO2 en la sangre.

Mitocondria Intercambio de gases con células del cuerpo Capilar

O2 CO2

Celula

La forma en que un animal respira depende de la naturaleza del medio en que vive . La tierra y el agua. El aire (0,9%)contiene al menos 20 veces mas oxigeno que el agua (21%).Las moléculas gaseosas difunden 10.000 veces mas rápidamente en el aire que en el agua. Los peces pueden gastar hasta un 20% de su energía para extraer el oxigeno del agua , en comparación con un mamífero que utiliza solo del 1 al 2% de su metabolismo basal para respirar Para que la difusión del O2 y del CO2 ocurra en superficies respiratorias de los animales acuáticos y terrestres debe ser fina y húmeda Superficie respiratoria: La parte de un animal donde el O2 se difunde hacia dentro de este , y donde el CO2 se difunde hacia el entorno. -Cubiertas por una sola capa de células vivas. Delgada. -Los gases deben disolverse en agua antes que puedan difundirse hacia dentro o fuera del cuerpo. Superficie Húmeda. -Debe ser extensa como para tomar el O2 que se requiere para la célula y para eliminar todo el CO2 de desecho. Extensa -Irrigada por un gran numero de capilares sanguíneos, muy vascularizada

Los gases difunden directamente en organismos unicelulares Sin embargo, la mayoría de los animales multicelulares requieren adaptaciones de sistemas, para realizar intercambio de gas .

- Los anfibios y muchos otros animales (Protozoos, esponjas, cnidarios y

muchos gusanos) respiran a través de su piel .(RESPIRACION CUTANEA).

- Los insectos y otros artrópodos terrestres (ciempiés, milpiés y algunas arañas) tienen un sistema traqueal extenso .(RESPIRACION TRAQUEAL).

- Los peces y la mayoría de los animales acuáticos ( estrellas de mar, gusanos marinos , anfibios acuáticos, peces y artrópodos) utilizan branquias que proporcionan una superficie respiratoria muy grande y un intercambio a contracorriente. (RESPIRACION BRANQUIAL).

- La mayoría de los vertebrados terrestres lo hacen a través de los pulmones Los mamíferos tienen una red numerosa de alvéolos (proporcionan una superficie respiratoria grande ) .(RESPIRACION PULMONAR).

El sistema traqueal de insectos proporciona intercambio directo entre el aire y las células de cuerpo Ventajas a intercambiar los gases respirando el aire El aire contiene una alta concentración de O2 El aire es más ligero y más fácil de moverse que el agua Mayor problema con aire de respiración: pérdida de agua a ventilar por la evaporación INSECTOS

Sistemas traqueales en insectos Transporte el O2 directamente a las células a través de una red de tubos finamente ramificados a través del cuerpo en pequeños insectos, difusión es suficiente intercambiar los gases Los insectos grandes pueden ventilar el sistema traqueal con los movimientos rítmicos del cuerpo En muchos insectos, la contracción y la relajación de los músculos del vuelo bombean aire a través del sistema traqueal

Air sacs

Tracheae

Body cell Air sac

Tracheole

Spiracle

Trachea Air

Body wall

Tracheoles Mitochondria Myofibrils

2.5 µm

Las branquias son las extensiones especializadas del tejido que proyectan en el agua Las branquias externas no son incluidas dentro de las estructuras de cuerpo Encontrado en peces y anfibios no maduros – Dos desventajas principales - Debe ser movido constantemente para asegurar el contacto con el agua dulce oxígeno-rica - Se dañan fácilmente

Branquias EXTERNAS

Branquias Papulas dermicas

Coelom Penachos branquiales branquia Tube foot

Estrella de mar

Gusano marino

Branquias

Crayfish Branquias

Ostra

Las branquias son los órganos respiratorios mas eficientes para el intercambio de gas en ambientes acuáticos. Las branquias son las extensiones de la superficie del cuerpo que absorben el O2 disuelto en agua. •Se encuentran en peces y muchos invertebrados •La ventilación aumenta el flujo del agua circundante sobre la superficie respiratoria. •Entendiéndose por ventilación a cualquier mecanismo que incremente el contacto entre el agua o el aire circundante y la superficie respiratoria(branquias o pulmones). •El arreglo de los capilares en una branquia de los peces realiza intercambio del gas la sangre fluye en una dirección opuesta a la corriente de agua.

• Intercambio a contracorriente Las transferencias algo de un líquido que se mueve en una dirección a otro líquido que se mueve en la dirección opuesta permiten a branquias quitar más el de 80% del O2 en el agua que fluye más allá de él

Las branquias son las extensiones especializadas del tejido que proyectan en el agua Hay cuatro arcos branquiales en cada lado de la cabeza de un pez - Cada uno se compone de dos filas de filamentos branquiales, que consisten en laminillas - Dentro de cada laminilla, flujos de sangre se enfrenta a la dirección del movimiento del agua - Flujo a contracorriente - Maximiza la oxigenación de la sangre Oxygen-poor blood Oxygen-rich blood

Gill arch Gill arch Water flow

Lamella

Blood vessel

Operculum

Gill filaments

Water flow O2 over lamellae showing % O2 Blood flow through capillaries in lamellae showing % O2 Countercurrent exchange

Las branquias de peces óseos están situadas entre (bucal o boca) la cavidad bucal y las cavidades operculares - estos dos sistemas de cavidades funcionan como las bombas que alternativamente se amplían - Agua móvil en la boca, a través de las branquias, y fuera de los peces con opérculo o cubierta abierto de la branquia

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•Los vertebrados terrestres tienen pulmones. • Los anfibios tienen pequeños pulmones y confían en gran parte en la difusión de gases a través de superficies del cuerpo. • La mayoría de los reptiles ,aves y los mamíferos confían exclusivamente en los pulmones. •El tamaño y la complejidad de pulmones se correlacionan con tasa metabólica •El sistema circulatorio debe transportar los gases entre los pulmones y el resto del cuerpo Camino del aire en mamíferos:

Inhalado a través de las ventanas de la nariz Pasos a través de la faringe y de la laringe (cuerdas vocales incluido), la tráquea, los bronquios, y los bronquiolos. Los bronquiolos terminan en los racimos de alvéolos minúsculos, donde ocurre el intercambio del gas

Los anfibios utilizan un mecanismo de presión positiva para introducir el aire en sus pulmones. El resto de los vertebrados, utilizan presión negativa.

Epitelio alveolar Membrana basal Endotelio capilar

Saco alveolar

Los pulmones de mamíferos se componen de millones de alvéolos (los sitios del intercambio del gas) - El aire inhalado pasa a través de la laringe, de la glotis y de la tráquea - Se bifurca los bronquios derecho e izquierdo, que entran en cada pulmón y se ramifican en tubos cada vez mas de pequeño diámetro, dando finas ramas denominadas bronquiolos – las ramificaciones finales desembocan en los sacos alveolares compuestos por muchos alveolos semiesféricos, Rodeados Branch por un extenso red capilar from Branch from pulmonary vein (oxygen-rich blood)

pulmonary artery (oxygen-poor blood)

Terminal bronchiole Nasal cavity Pharynx Alveoli Larynx

Left lung

Esophagus Trachea Right lung Bronchus

Bronchiole

Diaphragm Heart

SEM

Colorized SEM

Tissue cell

Exhaled air

Inhaled air

160 0.2

O2 CO2

Alveolar spaces

120 27

O2 CO2

CO2 produced

Interstitial fluid

CO2

Blood plasma within capillary

CO2

CO2 transport from tissues

104 40

Alveolar epithelial cells Blood entering alveolar capillaries 40

45

O2 CO2

O2 CO2 CO2

O2

Alveolar capillaries of lung

Pulmonary arteries

Blood leaving alveolar capillaries 104 40

Capillary wall

CO2 H2 O Red H2CO3 blood Hb cell Carbonic acid

Hemoglobin picks up CO2 and H+

O2 CO2 Pulmonary veins

–

HCO3 + Bicarbonate

H+

HCO3– To lungs CO2 transport to lungs

HCO3–

Systemic veins

Heart

Systemic arteries

Tissue capillaries Blood entering tissue capillaries

Blood leaving tissue capillaries

HCO3– +

H2CO3

H+

Hb

H2 O CO2

40

45

O2 CO2

CO2

O2

100 40

O2 CO2 CO2

Tissue cells

CO2

< 40 > 45

O2 CO2

Intercambio del gas en los tubos capilares de la sangre de los pulmones y circulación sistémica.

CO2 Alveolar space in lung

Hemoglobin releases CO2 and H+

Como resultado de intercambio del gas en los pulmones, las arterias sistémicas llevan sangre oxigenada con una concentración relativamente con poco carbono del dióxido. Después de que el oxígeno se descargue a los tejidos, la sangre en las venas sistémicas tiene un contenido en oxígeno bajado y una concentración creciente del dióxido de carbono.

AVES

La estructura del sistema respiratorio en aves es compleja y difiere de mamíferos y reptiles. La tráquea se bifurca y da dos bronquios primarios que entran en los dos pulmones, estos bronquios primarios pasan por el pulmón denominándose mesobronquios, de los mesobronquios surgen los bronquios secundarios anteriores y posteriores los cuales están conectados por gran numero de tubitos de 1mm que se llaman bronquios terciarios o parabronquio. A lo largo del parabronquio es donde se produce la mayor parte del intercambio gaseoso. Los pulmones de pájaros conduce el aire a través de los recipientes de aire muy minúsculos llamados parabronquios - flujo unidireccional. los sacos aéreos, cuando están hinchados durante la inhalación, admiten el aire - Cuando están comprimidos durante la exhalación, empujan el aire en y a través de pulmones

Aves

Air

Air

Anterior air sacs Trachea Posterior air sacs

Lungs

Lungs

Air tubes (parabronchi) in lung

INHALATION Air sacs fill

EXHALATION Air sacs empty; lungs fill

En las aves, no hay volumen residual, así que las concentraciones de oxígeno del pulmón son más altos en pájaros que en seres humanos

1 mm