El aparato respiratorio o sistema respiratorio es el conjunto de órganos que poseen los seres vivos, con la finalidad de intercambiar gases con el medio ambiente. Su estructura y función es muy variable dependiendo del tipo de organismo y su hábitat.
El órgano principal del aparato respiratorio humano y de los animales mamíferos es el pulmón. En los alveolos pulmonares se produce mediante difusión pasiva el proceso de intercambio gaseoso, gracias al cual la sangre capta el oxígeno atmosférico y elimina el dióxido de carbono (CO2) producto de desecho del metabolismo. El aparato respiratorio humano está constituido por las fosas nasales, boca, faringe, laringe, tráquea y pulmones. Los pulmones constan de bronquios, bronquiolos y alveolos pulmonares.
Los músculos respiratorios son el diafragma y los músculos intercostales. En la inspiración el diafragma se contrae y desciende, por lo cual la cavidad torácica se amplía y el aire entra en los pulmones. En la espiración o exhalación, el diafragma se relaja y sube, la cavidad torácica disminuye de tamaño provocando la salida del aire de los pulmones hacia el exterior.
Además del intercambio de gases, el aparato respiratorio juega un importante papel en mantener el equilibrio entre ácidos y bases en el cuerpo a través de la eficiente eliminación de dióxido de carbono de la sangre.
En los seres humanos, el sistema respiratorio está formado por las vías aéreas, pulmones y músculos respiratorios que provocan el movimiento del aire tanto hacia adentro como hacia afuera del cuerpo. En los alveolos pulmonares las moléculas de oxígeno y dióxido de carbono se intercambian pasivamente, por difusión entre el entorno gaseoso y la sangre. De esta forma el sistema respiratorio hace posible la oxigenación y la eliminación del dióxido de carbono que es una sustancia de desecho del metabolismo celular. El sistema también cumple la función de mantener el balance entre ácidos y bases en el cuerpo a través de la eficiente remoción de dióxido de carbono de la sangre.
El aparato respiratorio humano consta de los siguientes elementos:
La función del aparato respiratorio consiste en desplazar volúmenes de aire desde la atmósfera a los pulmones y viceversa. Lo anterior es posible gracias a un proceso conocido como ventilación.
La ventilación es un proceso cíclico y consta de dos etapas: la inspiración, que es la entrada de aire a los pulmones, y la espiración, que es la salida. La inspiración es un fenómeno activo, caracterizado por el aumento del volumen torácico que provoca una presión intrapulmonar negativa y determina el desplazamiento de aire desde el exterior hacia los pulmones. La contracción de los músculos inspiratorios principales, diafragma e intercostales externos, es la responsable de este proceso. Una vez que la presión intrapulmonar iguala a la atmosférica, la inspiración se detiene y entonces, gracias a la fuerza elástica de la caja torácica, esta se retrae, generando una presión positiva que supera a la atmosférica y determinando la salida de aire desde los pulmones.
En condiciones normales la espiración es un proceso pasivo, al relajarse el diafragma este sube y vuelve a su posición inicial. Sin embargo, en la espiración forzada, el músculo recto del abdomen se contrae, lo que propulsa las vísceras abdominales hacia arriba, este proceso hace disminuir aún más el volumen intratorácico y aumenta la cantidad de aire que se desplaza al exterior.
La ventilación es controlada de forma muy cuidadosa para hacer posible que los niveles de PaO2 y PaCO2 arteriales se mantengan dentro de límites estrechos a pesar de que las demandas de captación de O2 y eliminación de CO2 varían mucho. El sistema respiratorio dispone de un conjunto de sensores que reúnen información, la cual llega al controlador central del encéfalo, que coordina la información y envía impulsos hacia los músculos respiratorios efectores, que causan la ventilación.
Los sensores protagonistas en el control de la respiración son los quimiorreceptores, estos responden a los cambios en la composición química de la sangre u otro líquido. Se han clasificado anatómicamente como centrales y periféricos.
En los pulmones también existen receptores sensoriales que intervienen en el control del calibre de las vías aéreas, la secreción bronquial, así como en la liberación de mediadores por las células cebadas u otras células inflamatorias, esta información llega a los centros superiores a través de las fibras sensoriales del nervio vago.
El control de la ventilación es posible gracias a una compleja interconexión de neuronas situadas en varias localizaciones del cerebro de donde parten las órdenes que a través de los nervios llegan a los diferentes músculos encargados de la ventilación pulmonar. El proceso automático normal de la respiración es involuntario y se origina en impulsos que provienen del tallo cerebral, sin embargo, se puede tener cierto control voluntario dentro de determinados límites, ya que los estímulos de la corteza cerebral se pueden priorizar respecto a los del tallo cerebral.
Los centros respiratorios cerebrales principales están ubicados en el bulbo raquídeo y establecen de forma automática el patrón rítmico de la respiración. Puede distinguirse un Grupo Respiratorio Dorsal que puede modificar el ritmo básico según las necesidades del organismo y un Grupo Respiratorio Ventral que contienen neuronas que se activan cuando es preciso un nivel elevado de ventilación. Existen otros dos núcleos de neuronas situados en la protuberancia llamados Centro Neumotáxico y Centro Apnéustico que también influyen sobre la frecuencia y profundidad de la inspiración.
La corteza cerebral tiene un papel en el control voluntario de la ventilación, dado que es posible realizar una hiperventilacíón o hipoventilación voluntaria durante cortos periodos de tiempo. Otras partes del cerebro como el sistema límbico y el hipotálamo pueden afectar el patrón de la respiración, por ejemplo en alteraciones emocionales.
Como actuadores del sistema respiratorio están el diafragma, los músculos intercostales, abdominales y los músculos accesorios. En el contexto del control de la ventilación es fundamental que estos grupos musculares trabajen conjuntamente en forma coordinada. Hay evidencias de que en algunos neonatos, en particular los prematuros, existe falta de coordinación en la actividad de los músculos respiratorios, en especial durante el sueño. Por ejemplo, los músculos torácicos pueden realizar el trabajo inspiratorio mientras los músculos abdominales efectúan el trabajo espiratorio.
Una vez que los alveolos pulmonares están llenos de aire tras el proceso de inspiración, el oxígeno tiene que difundirse hasta la sangre, mientras que el dióxido de carbono sigue el camino contrario, es decir pasa desde la sangre a los alvéolos pulmonares. Este proceso ocurre por un mecanismo de difusión simple motivado por un entrecruzamiento al azar de las moléculas que pasan desde donde se encuentran a más concentración hasta donde la concentración es menor. El fenómeno se debe a que las moléculas se encuentran en continuo movimiento y se desplaza en todas direcciones chocando y rebotando entre ellas reiteradamente. Existe una ley física según la cual cuando un gas se encuentra en una cámara cerrada y su concentración es diferente en los dos extremos, las partículas tienden a desplazarse desde donde la concentración es alta hacia donde es baja, llegando finalmente a una situación de equilibrio, proceso conocido como difusión simple. En el aparato respiratorio la difusión se produce en el alveolo muy rápidamente, tiene lugar en los primeros 0,25 segundos de los 0,75 segundos del tiempo de circulación de la sangre a través de los capilares pulmonares.
Una vez que el oxígeno pasa a la sangre capilar en los alveolos pulmonares, debe distribuirse por todo el organismo para satisfacer los requerimientos de las células, las cuales necesitan este elemento de forma prioritaria. La presión parcial de oxígeno es más alta en los alveolos pulmonares que en la sangre capilar por lo que se produce el proceso de difusión simple entre ambos medios. Por otra parte la presión parcial de oxígeno es más baja en las células de los tejidos que en la sangre, por lo que cuando la sangre oxigenada llega a los tejidos de todo el cuerpo se desprende de parte de su oxígeno, que se incorpora por difusión simple a través de la membrana hacia el interior de la célula para hacer posible la respiración celular que tiene lugar en la mitocondria.
La capacidad de la sangre para transportar oxígeno disuelto directamente es muy baja, puesto que este elemento es poco soluble en agua. Por este motivo el organismo ha desarrollado una proteína llamada hemoglobina que tiene la capacidad de captar el oxígeno y transportarlo con gran eficacia. Si no existiera hemoglobina, el corazón tendría que bombear unos 80 litros de sangre por minuto, lo que resultaría completamente imposible. Gracias a la hemoglobina el gasto cardiaco es solo de 5 litros de sangre por minuto, siendo esta cifra suficiente para mantener oxigenadas todas las células del cuerpo en situación de reposo. Cada molécula de hemoglobina tiene capacidad para transportar cuatro moléculas de oxígeno, un solo glóbulo rojo dispone de 250 millones de moléculas de hemoglobina y en un mililitro de sangre existen alrededor de 5 millones de glóbulos rojos.
Hb= Hemoglobina, O=Oxígeno.
A medida que aumenta la altitud baja la presión atmosférica y la concentración de oxígeno en el aire. Por ello a grandes alturas puede producirse el fenómeno de la hipoxia cuyas consecuencias son:
Para obtener estos parámetros, es preciso extraer sangre de una arteria, generalmente la arteria radial, no sirve la sangre venosa que se emplea habitualmente para determinar otros valores analíticos, pues la sangre venosa contiene mucho menos oxígeno. Cuando se comparan los parámetros medidos con los valores de referencia se puede detectar si existe algún problema de salud que afecte a la función del aparato respiratorio.
En condiciones normales, una persona respira 15 veces por minuto y en cada inspiración entra en sus pulmones 500 cc de aire. En la espiración sale del pulmón la misma cantidad que entró. Por lo tanto en un minuto la ventilación pulmonar es 15 x 500 = 7.5 litros, que es lo que se llama volumen minuto. Sin embargo, la profundidad de las respiraciones y su frecuencia puede aumentar considerablemente en condiciones de esfuerzo físico, por lo que el volumen minuto puede llegar hasta los 200 litros por minuto, multiplicando el valor en reposo más de 20 veces.
La capacidad pulmonar total viene dada por la suma de los 4 volúmenes anteriormente citados.
Deben considerarse cuatro presiones diferentes para comprender el funcionamiento del aparato respiratorio humano. Estas presiones no son constantes, pues se modifican a lo largo del ciclo respiratorio.
Algunas enfermedades respiratorias son causadas por virus y bacterias. Si no se previenen y tratan adecuadamente pueden ser mortales. Las enfermedades pulmonares pediátricas causan el 50 % de las muertes de niños menores de 1 año de edad y aproximadamente el 20 % de todas las hospitalizaciones de los menores de 15 años
Los seres vivos han desarrollado varios sistemas de intercambio gaseoso con el medio en el que viven: cutáneo, traqueal, branquial y pulmonar. Mediante cualquiera de estos sistemas incorporan oxígeno procedente del medio exterior y eliminan dióxido de carbono y vapor de agua. El hombre y los mamíferos presentan únicamente respiración pulmonar, pero algunos organismos como los anfibios utilizan varios sistemas simultáneamente y tienen respiración cutánea y pulmonar.
Los protozoarios son organismos unicelulares que no presentan aparato respiratorio, captan el oxígeno directamente del medio mediante por difusión a través de la membrana celular. Algunos organismos pluricelulares como las hidras y las medusas tampoco disponen de aparato respiratorio.
La respiración de los insectos tiene lugar a través de un conjunto de orificios abiertos al exterior situados a ambos lados del tórax y el abdomen que se denominan espiráculos o estigmas. Cada espiráculo dispone de una pequeña válvula que se abre cuando el animal precisa captar oxígeno. De los espiráculos parten unos conductos llamados tráqueas que tienen la función de transportan el aire al interior del animal. Las tráqueas se convierten en traqueolas y se ramifican progresivamente hasta formar pequeños tubos, cada uno de los cuales lleva oxígeno a un reducido grupo de células. En ocasiones el animal realiza contracciones o dilataciones del abdomen para facilitar el movimiento de los gases hacia el interior del sistema de conductos.
Los peces respiran a través de branquias que captan el oxígeno del agua (respiración branquial). El agua con oxígeno disuelto penetra por la boca del pez y a través de unas aberturas faríngeas laterales sale al exterior por las hendiduras branquiales, las cuales están cubiertas por unas placas protectoras que se llaman opérculos que funcionan como una tapa y pueden abrirse y cerrarse. Los vasos sanguíneos de las branquias toman el oxígeno del agua que circula a través de ellas y expulsan el dióxido de carbono. El sistema es muy eficaz y se produce gracias a un mecanismo llamado sistema de intercambio a contracorriente, ya que la sangre circula en dirección contraria al flujo de agua.
Los anfibios respiran a través de branquias en su primera fase de desarrollo, cuando son renacuajos. En la vida adulta disponen de respiración cutánea y pulmonar simultáneamente.
Los reptiles presentan respiración pulmonar. La piel es gruesa y dura por lo que salvo excepciones no tienen respiración cutánea como en los anfibios. Los reptiles de vida acuática deben salir periódicamente a la superficie para captar el oxígeno atmosférico. Algunas tortugas marinas han desarrollado una sorprendente adaptación a la vida acuática, de tal forma que son capaces de permanecer activas durante 30 minutos bajo el agua sin salir a la superficie para respirar. Se cree que ello es posible gracias a varias adaptaciones fisiológicas, entre ellas el bajo ritmo cardiaco y la capacidad del cerebro para funcionar con concentraciones de oxígeno reducidas.
Cada grupo de reptiles ha adoptado unas características especiales en su aparato respiratorio. Muchos ofidios disponen únicamente de un pulmón funcional, pues la forma alargada de su cuerpo ha conducido al aumento de longitud de uno de los pulmones y la atrofia del segundo. En las tortugas el tórax no es expansible debido a su caparazón rígido por lo que utilizan mecanismos alternativos para lograr que el aire entre en los pulmones durante la inspiración.
Las aves cuentan con pulmones, pero su aparato respiratorio dispone de unos órganos especiales que no existen en los mamíferos, los sacos aéreos. La mayor parte de las aves tienen 8 sacos aéreos, uno cervical, uno clavicular, dos torácicos craneales, dos torácicos caudales y dos abdominales. Actúan como fondos de saco donde se acumula el aire, de tal forma que este circula por los bronquios en ambas direcciones sin que se produzca acumulación de aire residual en ningún espacio del pulmón. Otra característica específica del aparato respiratorio de las aves es el órgano fonador que recibe el nombre de siringe y se sitúa en la base de la tráquea.
El sistema respiratorio de los mamíferos es pulmonar y comparte características muy similares en todas las especies incluyendo el hombre. Existe un sistema de conductos que transportan el aire, pero no intervienen en el intercambio de gases que se produce en los alveolos pulmonares situados al final de las vías respiratorias. Los alveolos forman una gran superficie para el intercambio de gases en la que existe una separación muy pequeña entre la sangre y el aire. La inspiración tiene lugar gracias a la contracción del diafragma y los músculos intercostales que amplían el tamaño del tórax y producen una presión negativa que actúa como mecanismo de succión, la espiración es pasiva. Durante el ejercicio se producen inspiraciones y espiraciones forzadas que aumentan el volumen de ventilación considerablemente. Las paredes de los alveolos cuentan con una sustancia denominada surfactante pulmonar compuesta por fosfolípidos que reduce la tensión superficial evitando el colapso alveolar.
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