11.1-Introducción.
Interactuando Biología: (11.1)
La conquista del ambiente terrestre
El planeta Tierra ha venido transformándose desde su origen (aprox. Hace 4.500 millones de años), pero los mayores cambios aparecen luego que surge la vida en él. Hace unos 3.500 millones años aparecen las primeras células procariotas. Aproximadamente unos 2000 millones de años más tarde, aparecen los eucariotas. En el transcurso del tiempo, ocurren procesos dinámicos que modifican las superficies terrestres de los continentes y los océanos. La vida comienza a transformar al planeta, y este a su vez impone sus condiciones para el desarrollo de las distintas formas de vida. Particularmente la conformación de la atmósfera cambia sustancialmente con la aparición de la clorofila y los organismos fotosintéticos. Estos comienzan a liberar progresivamente Oxígeno (O2), entre otros gases, desde los océanos primitivos a la atmósfera, permitiendo la conquista de un nuevo ambiente de vida: el medio terrestre.
Los seres vivos somos complejos sistemas abiertos que intercambian materia y energía con el entorno. Los ingresos y egresos de moléculas gaseosas que realizan los organismos del medio que habitan (acuático o terrestre) son un ejemplo de materia que se intercambia.
También la energía está en continuo intercambio, ya que las plantas (autótrofas) pueden aprovechar la energía lumínica para transformarla en energía química (nutrientes) a través de la fotosíntesis. Esta energía contenida en los compuestos orgánicos o nutrientes luego circulará en las cadenas tróficas (en los heterótrofos) como combustible para sintetizar la molécula energética útil para las células: el ATP (Adenosín tri fosfato). La energía sufre diversas transformaciones, mientras es utilizada en distintas funciones por los organismos también se va disipando en forma de calor por cada eslabón de la cadena, realizando un circuito abierto. La materia en cambio, describe circuitos mayormente cerrados, ya que los productos de la fotosíntesis: glucosa y O2, son la materia prima en las células para la respiración celular, obteniendo ATP y Dióxido de carbono (CO2) como productos, de los cuales el CO2 es materia prima para las plantas en la fotosíntesis y así, estos gases van de uno al otro cíclicamente. Además del ciclo del O2 y del CO2, otros compuestos describen circuitos o ciclos como el nitrógeno (N), el agua (H2O), etc.
Tipos de intercambios gaseosos
Las plantas realizan los intercambios gaseosos a través de las estomas (pequeños “poros” en el envés de las hojas). En la fotosíntesis utilizan la energía lumínica y toman el CO2 atmosférico para construir compuestos orgánicos (glúcidos, lípidos, prótidos, vitaminas) y liberan O2 como producto. Si bien utilizan el O2 para su propia respiración, es mucho más de lo que necesitan.
Los organismos unicelulares intercambian gases con el medio externo a través de las membranas celulares. En los pluricelulares, a medida que se complejiza su estructura, se requiere de mecanismos más eficientes que aseguren la llegada de O2 a todas las células del organismo. En la diversificación de las formas de vida van apareciendo estructuras de intercambio gaseoso y sistemas de distribución o circulación en los seres como ejemplo de distintas adaptaciones al medio.
Los peces y otros animales acuáticos intercambian gases mediante las branquias (respiración branquial).
Fuera del agua, para lograr el ingreso de O2 a las células algunos animales han desarrollado microscópicos tubos ramificados llamados tráqueas, como en los insectos (respiración traqueal).
Otros animales, como las lombrices, lo hacen directamente a través de la piel (respiración cutánea).
Los anfibios en su fase larvaria respiran por branquias y como adultos desarrollan pulmones, por lo que no logran abandonar del todo el medio acuático.
En reptiles, aves y mamíferos, que han desarrollado una gran adaptación al medio, los intercambios gaseosos se realizan en órganos especializados: los pulmones. Ello ha permitido (como a muchos invertebrados) la conquista de distintos ambientes terrestres secos o muy lejos de los cuerpos de agua.
11.2-Estructura y funcionamiento del aparato respiratorio humano.
Interactuando Biología: (11.2)
El aparato respiratorio es el conjunto de órganos encargados del intercambio gaseoso entre nuestro medio interno y la atmósfera (medio externo).
Según la función de los órganos que lo integran, en el aparato respiratorio se distinguen:
las vías respiratorias, órganos tubulares y progresivamente ramificados que conducen gases;
los pulmones, órganos en donde se produce específicamente el intercambio.
Vías respiratorias:
Fosas nasales: Son las cavidades óseas separadas por un tabique nasal y junto a los tejidos que las revisten son órganos que filtran, humedecen y calientan el aire. La mucosa que las tapiza internamente posee vellos y células productoras de mucus que retiene partículas. También contiene células especializadas que captan estímulos olorosos constituyendo el sentido del olfato.
Faringe: Órgano impar (conducto) donde desembocan las fosas nasales. Es un órgano compartido con el aparato digestivo por lo que circulan alimentos y gases. En la garganta, entre la faringe y la laringe hay un cartílago llamado epiglotis que actúa como “director de tránsito”. Cuando deglutimos (tragamos) la epiglotis se cierra impidiendo el pasaje del bolo alimenticio hacia la laringe y la tráquea. Luego de tragar, el cartílago vuelve a su posición habitual permitiendo el flujo de gases.
Laringe: Órgano impar, tubular, formado por varios cartílagos que articulan entre sí mediante ligamentos y músculos. Posee internamente unas delgadas bandas musculares que vibran al pasar el aire llamadas cuerdas vocales.
Tráquea: órgano impar y tubular que va desde la laringe y hacia abajo se bifurca en dos bronquios. Posee anillos cartilaginosos que aseguran la rigidez permitiendo que siempre pueda pasar el aire.
Bronquios y bronquiolos: Los bronquios derecho e izquierdo también poseen anillos cartilaginosos. A medida que van ingresando a los pulmones se van ramificando y haciéndose progresivamente más estrechos (o finos), en bronquiolos formando el árbol bronquial. Estos últimos ya no poseen anillos cartilaginosos sino una delgada capa de músculo liso. Todas las vías respiratorias están tapizadas por una mucosa respiratoria que posee células ciliadas. Cada célula puede tener aprox.150-200 cilias que barren las partículas extrañas o nocivas y junto al moco nos protegen de noxas causantes de infecciones.
Las sucesivas ramificaciones de los bronquiolos permiten la filtración y limpieza del aparato, así como reducir la pérdida de agua por evaporación. Esta humedad característica de las superficies respiratorias facilita los pasajes de gases entre la atmósfera y el medio interno.
Pulmones: Son órganos (par: derecho e izquierdo) elásticos y esponjosos con una gran cantidad de pequeños sacos microscópicos llamados alvéolos. Las múltiples ramificaciones de los bronquiolos desembocan en estas pequeñísimas bolsitas (como racimos de uvas) aumentando la superficie de contacto con los gases dentro. En humanos esta superficie respiratoria es similar al tamaño de una cancha de tenis.
Los pulmones poseen forma de pirámide y se ubican en la región del tórax (cavidad toráxica). La cavidad toráxica está delimitada en su parte inferior por un músculo llamado diafragma. Este interviene en la mecánica respiratoria junto con las paredes laterales formadas por las costillas y los músculos intercostales. Por detrás se encuentra la columna vertebral. Por delante la cavidad está limitada por las costillas y sus articulaciones con el hueso esternón.
Tienen estrecha relación con el aparato circulatorio que es quien transporta los gases (entre otras cosas) entre los pulmones y el resto del cuerpo.
El corazón se ubica en medio de los pulmones manteniéndose conectados por vasos del circuito pulmonar o menor de la circulación sanguínea. Del corazón parte la arteria pulmonar (ramas derecha e izquierda) transportando la sangre con CO2 hacia los pulmones para expulsarlo al exterior. Desde los pulmones retorna sangre con O2 por las venas pulmonares para ser distribuido a todo el cuerpo en el circuito mayor o sistémico. Corazón y pulmones mantienen una gran vinculación funcional trabajando como una unidad cardio-respiratoria.
Los intercambios gaseosos (o respiración) son parte de las funciones de nutrición pues constituyen la vía de liberación de CO2 y obtención de oxígeno. El O2 participa en la instancia final de aprovechamiento de los nutrientes para obtener el ATP necesario para las células. En el proceso de respiración celular la glucosa (entre otros compuestos) se descompone resultando el CO2 como producto y se utiliza el O2 para su oxidación final. Se pueden distinguir a modo de síntesis dos instancias o procesos de respiración: el externo (branquial, traqueal, cutánea, o en nuestro caso pulmonar) y el interno o celular.
En la siguiente infografía se detallan los intercambios gaseosos:
externo (en los capilares alveolares) este proceso es llamado hematosis y es el intercambio de gases entre la atmósfera y nuestra sangre.
interno (en los capilares de los diferentes tejidos del cuerpo) Se libera O2 desde la sangre hacia las células y se recoge el CO2 de las mismas.
Luego dentro de cada célula se muestra hacia dónde ingresa el O2 y de dónde proviene el CO2. Para ello se amplía la “central energética celular” o mitocondria donde ocurre la respiración celular.
11.3-Mecánica respiratoria.
Interactuando Biología: (11.3)
Para que los intercambios gaseosos se produzcan se requiere la renovación constante del aire en los pulmones. Esta entrada y salida del aire se denomina ventilación pulmonar. Los flujos de aire se producen gracias a una serie de mecanismos (donde actúan músculos de la caja toráxica) que provocan los movimientos de expansión y contracción del tórax. El ingreso o inspiración y egreso o espiración son las dos fases de la mecánica respiratoria.
Inspiración: Es el ingreso de aire y se produce debido a un descenso del diafragma ampliando el volumen de la caja torácica principalmente hacia abajo. También participan los músculos intercostales levantando la caja toráxica y permitiendo por diferencia de presión, el ingreso de aire a los pulmones. La inspiración más eficiente, por el volumen de aire ingresado y esfuerzo, se realiza con el diafragma. Cuando se contrae desciende y cuando vuelve a la relajación asciende y se produce la espiración.
La inspiración es un proceso activo, el ingreso de aire se produce por las contracciones del diafragma y músculos intercostales ampliando la caja toráxica. Esto genera diferencias de presión entre la atmósfera y dentro de los alvéolos pulmonares. La hematosis, intercambio de gases entre la sangre y los alvéolos, se produce por difusión debido a las diferentes concentraciones de gases a ambos lados.
Espiración: Es el egreso o salida de aire de los pulmones al exterior. Se produce por el ascenso (fase de relajación) del diafragma y también por el movimiento hacia abajo de las costillas volviendo a su posición habitual. En esta fase los pulmones son comprimidos expulsando el aire al exterior. En general este movimiento requiere menos gasto de energía pese a que puede ser forzada (requerir mayor esfuerzo), así como la intervención de músculos abdominales: cuando se produce la tos o un estornudo entre otros. La espiración es un proceso pasivo, el egreso de aire se produce también por diferencia de presión de los gases dentro de los pulmones. Disminuye el volumen de la caja toráxica y se eleva el diafragma.
En la siguiente sección se ejemplifica con ejercicios sencillos que promueven el desarrollo de la musculatura respiratoria y aumentar el rendimiento pulmonar.
11.4-Ejercicios para el aparato respiratorio.
Interactuando Ed. Física: (11.4)
En el ejercicio los músculos respiratorios como los intercostales, diafragma, serrato anterior, escalenos y otros, pueden fatigarse igual que los músculos locomotores.
Los músculos respiratorios trabajan de forma mecánica en la inspiración y espiración constantemente, respiramos más de 20.000 veces por día, con una frecuencia respiratoria de 12 a 16 ciclos por minuto.
Cuando hacemos ejercicios la demanda respiratoria es mayor y ello conlleva a una fatiga de los músculos respiratorios, por esta razón y también por temas posturales es que debemos entrenar estos músculos.
El objetivo es buscar una resistencia al trabajo de los músculos respiratorios, para aumentar su rendimiento.
Ejercicios Prácticos:
Respiraciones profundas.
Realizar la inspiración sacando pecho, con una rotación externa de los brazos colocando los pulgares hacia atrás, mirada hacia arriba e inspira profunda por la nariz. Este ejercicio activa los músculos respiratorios, además de expandir la caja torácica. Realizar entre 20 a 25 inspiraciones competas.
Ejercicio sobre balón.
Apoyar todo el tronco sobre el balón y realizar una inspiración torácica, reduciendo la zona abdominal. Debes sentir que el pecho presiona el balón y la zona abdominal casi no presiona. De esta forma fortalecemos el diafragma y los intercostales que son los responsables de expandir la caja torácica. Realizar entre 20 a 25 inspiraciones competas.
Inflando globo.
Inflar el globo y que el abdomen permanezca reducido con el músculo transverso activo. Realizar entre 20 a 25 respiraciones.
11.5-Regulación de la respiración.
Interactuando Biología: (11.5)
Existe un plano consciente y voluntario, de interacción y destrezas cuando recibimos y enviamos órdenes a los músculos esqueléticos para realizar determinados movimientos en los ejercicios. También hay otro nivel de acción oculto, inconsciente y automático en nuestro organismo que aumenta o disminuye la circulación sanguínea y la frecuencia respiratoria adecuándose a las demandas. En el caso de la actividad física, muchas de esas funciones viscerales son inconscientes e involuntarias. La respiración es uno de esos fenómenos que ocurre siempre y de forma inconsciente, ya que se produce a nivel celular. Este proceso depende de una circulación continua de nutrientes y desechos, que mantenga el flujo entre capilares arteriales y venosos y una ventilación constante que asegure la salida y entrada de los gases. El aparato circulatorio (actividad cardíaca y presión arterial) al igual que la mecánica respiratoria que genera la ventilación pulmonar del aparato respiratorio son controlados de forma involuntaria por el S.N.A. (simpático y parasimpático) a nivel de los centros nerviosos cardio-respiratorios del tronco encefálico del S.N.C. Pero a diferencia del corazón, los músculos que intervienen en la mecánica respiratoria son controlados también de forma voluntaria por la corteza cerebral (lóbulo frontal del cerebro) lo que nos permite tomar el control consciente y voluntario de la inspiración y espiración. Podemos lograr una inspiración forzada, retener aire durante un determinado tiempo y también una espiración forzada. Para la actividad física este elemento es determinante ya que paralelamente a la técnica de un ejercicio se aprenden técnicas para una respiración más efectiva y así lograr una correcta oxigenación de los músculos.
El control inconsciente e involuntario de la frecuencia respiratoria se realiza desde centros nerviosos del tronco encefálico (bulbo y protuberancia) destinados a las vísceras del S.N.A. (ramas simpáticas y parasimpáticas). Desde el S.N.C. parten y llegan nervios hacia el diafragma y músculos intercostales, por lo que participa el S.N.P. que conecta músculos respiratorios y centros nerviosos. Por ejemplo, el par craneal N°10 que nace en el tronco encefálico llega al corazón y a los músculos respiratorios (entre otros) participando en el control de funciones vitales. El control nervioso mediante vías excitatorias e inhibitorias de ramas simpáticas y parasimpáticas permiten el trabajo sincronizado de contracción y relajación de músculos antagonistas que participan en la inspiración-espiración.
Este sistema recibe además de la información desde vías conscientes de la corteza cerebral, otras señales inconscientes moduladoras del centro neumotáxico en la protuberancia y procesa información química sobre las concentraciones de CO2 y O2 para actuar en consecuencia. La presión de CO2 en la sangre es un elemento crucial para percibir la demanda de O2 en las células musculares durante la actividad física, por ejemplo. De esta manera se perciben las señales para aumentar o disminuir la frecuencia cardio-respiratoria, y regular la circulación sanguínea. Es decir que los cambios en la química de la sangre son captados por quimiorreceptores (baroreceptores: captan presión) ubicados en la aorta y carótidas, que permiten ajustar las variaciones de la ventilación pulmonar y el ritmo cardíaco.
Entonces, encontramos vías aferentes o sensitivas, centros integradores y vías eferentes o motoras actuando sincronizadamente para regular la frecuencia respiratoria según los requerimientos del organismo.
En el bulbo raquídeo se encuentra un centro nervioso “tipo marcapasos” o reflejo automático que genera impulsos para que la ventilación siempre se produzca. Aunque los reflejos raquídeos contribuyen a esta inervación recíproca, esta se debe sobre todo a la actividad de las vías descendentes. Los impulsos de dichas vías excitan a los agonistas e inhiben a los antagonistas.
De modo general las fibras simpáticas actúan en situación de estrés, o alta demanda de energía de modo excitatorio aumentando los ritmos cardio-respiratorios. Por el contrario, el parasimpático actúa cuando no se requieren grandes gastos de energía, por ej. en la vuelta a la calma, en el reposo o al dormir.
11.6-Cómo respirar cuando hacemos ejercicio físico.
Interactuando Ed. Física: (11.6)
Inspirar por la nariz o por la boca cuando hacemos ejercicios?
Cuando el ejercicio es de baja intensidad, lo ideal es inspirar por la nariz, el aire por esta vía se calienta y humedece, también permite filtrar el polvo y otras partículas extrañas, lo que reduce la irritación y el riesgo de infecciones.
Si aumenta la intensidad del ejercicio resulta necesario introducir aire por la boca, para así poder responder a la elevada demanda de oxigeno de nuestro cuerpo.
Por la boca entra más aire y con menos dificultad.
Cómo respirar cuando estamos muy fatigados?
Cuando realizamos un ejercicio y llegamos a la fatiga cardiorespiratoria máxima, la mejor posición para una entrada de aire rápida y sin esfuerzo es inclinando el cuerpo hacia adelante y apoyando las manos en las rodillas, inhalando y exhalando por la boca. Esta posición más horizontal favorece la entrada de aire requiriendo muy poco esfuerzo a los músculos respiratorios.
Cómo respirar cuando hacemos fuerza?
Se recomienda inhalar cuando realizas el mayor esfuerzo (fase concéntrica) y exhalar lentamente cuando realizas el menor esfuerzo (fase excéntrica). De esta manera, le proporcionas a tu cuerpo oxígeno al levantar el peso, lo que puede ayudarte a obtener mejores resultados y lograr una mayor potencia y estabilidad postural.
