El sistema respiratorio es un sistema biológico que consiste en órganos y estructuras específicos utilizados para el intercambio de gases en animales y plantas.
La anatomía y la fisiología que hacen que esto suceda varía mucho, dependiendo del tamaño del organismo, el entorno en el que vive y su historia evolutiva. En los animales terrestres, la superficie respiratoria se internaliza como el revestimiento de los pulmones.
El intercambio gaseoso en los pulmones ocurre en millones de pequeños sacos aéreos llamados alvéolos en mamíferos y reptiles, pero atrios en aves. Estos sacos de aire microscópicos tienen un suministro de sangre muy rico, lo que hace que el aire entre en contacto con la sangre.
Respirar (o ventilar) es el proceso de mover el aire dentro y fuera de los pulmones para facilitar el intercambio de gases con el ambiente interno, principalmente al traer oxígeno y eliminar el dióxido de carbono.
Todas las criaturas aeróbicas necesitan oxígeno para la respiración celular, que utiliza el oxígeno para descomponer los alimentos en energía y produce dióxido de carbono como producto de desecho.
La respiración, o «respiración externa», trae aire a los pulmones donde el intercambio de gases tiene lugar en los alvéolos a través de la difusión. El sistema circulatorio del cuerpo transporta estos gases hacia y desde las células, donde tiene lugar la «respiración celular«.
La respiración de todos los vertebrados con pulmones consiste en ciclos repetitivos de inhalación y exhalación a través de un sistema altamente ramificado de tubos o vías respiratorias que conducen desde la nariz hasta los alvéolos.
La cantidad de ciclos respiratorios por minuto es la frecuencia respiratoria, y es uno de los cuatro signos vitales principales de la vida.
En condiciones normales, la profundidad y la velocidad de la respiración se controlan automática e inconscientemente mediante varios mecanismos homeostáticos que mantienen constantes las presiones parciales de dióxido de carbono y oxígeno en la sangre arterial.
Mantener la presión parcial del dióxido de carbono en la sangre arterial sin cambios bajo una amplia variedad de circunstancias fisiológicas, contribuye significativamente al estricto control del pH de los fluidos extracelulares (FEC).
La respiración excesiva (hiperventilación) y la respiración insuficiente (hipoventilación), que disminuyen y aumentan la presión arterial parcial del dióxido de carbono, respectivamente, provocan un aumento en el pH de los fluidos extracelulares en el primer caso y una disminución del pH en el segundo. Ambos causan síntomas angustiantes.
La respiración tiene otras funciones importantes. Proporciona un mecanismo para el habla, la risa y expresiones similares de las emociones. También se usa para reflejos, como bostezos, tos y estornudos.
Los animales que no pueden termorregularse por la transpiración, debido a que carecen de suficientes glándulas sudoríparas, pueden perder calor por evaporación a través del jadeo.
Anatomía
En los humanos, el tracto respiratorio es la parte de la anatomía del sistema respiratorio que participa en el proceso de la respiración. Se respira aire por la nariz o la boca.
En la cavidad nasal, una capa de membrana mucosa actúa como un filtro y atrapa los contaminantes y otras sustancias nocivas que se encuentran en el aire.
Luego, el aire se mueve hacia la faringe, un pasaje que contiene la intersección entre el esófago y la laringe.
La abertura de la laringe tiene un colgajo especial de cartílago, la epiglotis, que se abre para permitir que el aire pase, pero se cierra para evitar que los alimentos se muevan hacia las vías respiratorias.
Desde la laringe, el aire se mueve hacia la tráquea y hacia la intersección que se ramifica para formar los bronquios primarios derecho e izquierdo.
Cada uno de estos bronquios se ramifica en bronquios secundarios (lobares) que se ramifican en bronquios terciarios (segmentarios) que se ramifican en vías respiratorias más pequeñas llamadas bronquiolos que finalmente se conectan con pequeñas estructuras especializadas llamadas alvéolos que funcionan en el intercambio de gases.
Los pulmones que se encuentran en la cavidad torácica están protegidos del daño físico por la caja torácica. En la base de los pulmones hay una lámina de músculo esquelético llamada diafragma.
El diafragma separa los pulmones del estómago y los intestinos. El diafragma también es el principal músculo de la respiración involucrado en la respiración y está controlado por el sistema nervioso simpático.
Los pulmones están encerrados en una membrana serosa que se pliega sobre sí misma para formar la pleura: una barrera protectora de dos capas.
La pleura visceral interna cubre la superficie de los pulmones y la pleura parietal externa está unida a la superficie interna de la cavidad torácica. Las pleuras encierran una cavidad llamada cavidad pleural que contiene líquido pleural.
Este líquido se usa para disminuir la cantidad de fricción que experimentan los pulmones durante la respiración.
Mecánica de la respiración
Los pulmones no son capaces de inflarse y se expandirán solo cuando haya un aumento en el volumen de la cavidad torácica.
En los humanos, como en los otros mamíferos, esto se logra principalmente mediante la contracción del diafragma, pero también mediante la contracción de los músculos intercostales que tiran de la caja torácica.
Durante la inhalación forzada, los músculos de inhalación que conectan las costillas y el esternón a las vértebras cervicales y la base del cráneo, en muchos casos a través de una unión intermedia a las clavículas, exageran los movimientos de la manija de la bomba y del cucharón, provocando un mayor cambio en el volumen de la cavidad torácica.
Durante la exhalación, en reposo, todos los músculos de la inhalación se relajan, volviendo el tórax y el abdomen a una posición llamada «posición de reposo», que está determinada por su elasticidad anatómica.
En este punto, los pulmones contienen la capacidad residual funcional del aire, que, en el ser humano adulto, tiene un volumen de aproximadamente 2.5-3.0 litros.
Durante la respiración pesada (hiperpnea) como, por ejemplo, durante el ejercicio, la exhalación es provocada por la relajación de todos los músculos de la inhalación (de la misma manera que en reposo).
Pero, además, los músculos abdominales, en lugar de ser pasivos, ahora se contrae fuertemente causando que la caja torácica sea tirada hacia abajo (frontal y lateral).
Esto no solo disminuye el tamaño de la caja torácica, sino que también empuja los órganos abdominales hacia arriba contra el diafragma y por lo tanto se hincha profundamente en el tórax.
El volumen pulmonar de exhalación final es ahora menos aire que la «capacidad residual funcional» en reposo.
Sin embargo, en un mamífero normal, los pulmones no pueden vaciarse por completo. En un ser humano adulto, siempre queda por lo menos un litro de aire residual en los pulmones después de la exhalación máxima.
La respiración diafragmática hace que el abdomen se hinche y retroceda rítmicamente. Por lo tanto, a menudo se lo denomina «respiración abdominal». Estos términos a menudo se usan indistintamente porque describen la misma acción.
Cuando los músculos accesorios de la inhalación se activan, especialmente durante la respiración dificultosa, las clavículas se levantan hacia arriba, como se explicó anteriormente.
Esta manifestación externa del uso de los músculos accesorios de la inhalación a veces se denomina respiración clavicular, que se observa especialmente durante los ataques de asma y en personas con enfermedad pulmonar obstructiva crónica.
Paso de aire
Por lo general, el aire se inhala y exhala por la nariz.
Las cavidades nasales (entre las fosas nasales y la faringe) son bastante estrechas, primero divididas en dos por el tabique nasal y, en segundo lugar, por paredes laterales que tienen varios pliegues longitudinales o estantes, llamados conchae nasales.
Exponiendo así una gran área de membrana mucosa nasal al aire a medida que se inhala (y exhala).
Esto hace que el aire inhalado absorba la humedad del moco húmedo y el calor de los vasos sanguíneos subyacentes, de modo que el aire está casi saturado de vapor de agua y se encuentra casi a la temperatura corporal cuando llega a la laringe.
Parte de esta humedad y calor se recaptura a medida que el aire exhalado se mueve sobre el moco parcialmente seco y enfriado en las fosas nasales, durante la expiración. El moco pegajoso también atrapa gran parte de la materia particulada que se respira, evitando que llegue a los pulmones.
Vías respiratorias inferiores
La anatomía de un sistema respiratorio típico de mamíferos, debajo de las estructuras normalmente enumeradas entre las «vías respiratorias superiores» (las cavidades nasales, la faringe y la laringe), a menudo se describe como un árbol respiratorio o un árbol traqueobronquial.
Las vías respiratorias más grandes dan lugar a ramas que son ligeramente más estrechas, pero más numerosas que la vía aérea «troncal» que da lugar a las ramas.
El árbol respiratorio humano puede consistir, en promedio, en 23 de tales ramificaciones en vías respiratorias progresivamente más pequeñas, mientras que el árbol respiratorio del ratón tiene hasta 13 de tales ramificaciones.
Las divisiones proximales (las más cercanas a la parte superior del árbol, como la tráquea y los bronquios) funcionan principalmente para transmitir aire a las vías respiratorias inferiores.
Las divisiones posteriores, como los bronquiolos respiratorios, los conductos alveolares y los alvéolos, están especializados en el intercambio de gases.
La tráquea y las primeras porciones de los bronquios principales están fuera de los pulmones. El resto de las ramas del «árbol» dentro de los pulmones, y finalmente se extiende a cada parte de los pulmones.
Los alvéolos son los terminales ciegos del «árbol», lo que significa que cualquier aire que entre debe salir por la misma ruta que utilizó para entrar en los alvéolos.
Un sistema como este crea un espacio muerto, un volumen de aire que llena las vías respiratorias (el espacio muerto) al final de la inhalación, y se exhala, sin cambios, durante la siguiente exhalación, sin haber alcanzado nunca los alvéolos.
De manera similar, el espacio muerto está lleno de aire alveolar al final de la exhalación, y es el primer aire que respira de nuevo en los alvéolos, antes de que el aire fresco llegue a los alvéolos durante la inhalación. El volumen de espacio muerto de un humano adulto típico es de aproximadamente 150 ml.
El intercambio de gases
El objetivo principal de la respiración es llevar el aire atmosférico (en pequeñas dosis) a los alvéolos donde tiene lugar el intercambio de gases con los gases en la sangre. El equilibrio de las presiones parciales de los gases en la sangre alveolar y el aire alveolar ocurre por difusión.
Al final de cada exhalación, los pulmones humanos adultos aún contienen 2,500-3,000 ml de aire, su capacidad residual funcional o FRC. Con cada respiración (inhalación) solo se agregan unos 350 ml de atmósfera húmeda y cálida, y se mezclan bien, con la capacidad residual funcional.
En consecuencia, la composición del gas de la capacidad residual funcional cambia muy poco durante el ciclo de respiración.
Dado que la sangre capilar pulmonar se equilibra con esta mezcla virtualmente invariable de aire en los pulmones (que tiene una composición sustancialmente diferente de la del aire ambiente), las presiones parciales de los gases sanguíneos arteriales tampoco cambian con cada respiración.
Por lo tanto, los tejidos no están expuestos a oscilaciones de oxígeno y tensiones de dióxido de carbono en la sangre durante el ciclo de respiración, y los quimiorreceptores periféricos y centrales no necesitan «elegir» el punto en el ciclo de respiración en el que se deben medir los gases sanguíneos y respondieron.
Por lo tanto, el control homeostático de la frecuencia respiratoria simplemente depende de las presiones parciales de oxígeno y dióxido de carbono en la sangre arterial. Esto también mantiene la constancia del pH de la sangre.
Control
La frecuencia y la profundidad de la respiración son controladas automáticamente por los centros respiratorios que reciben información de los quimiorreceptores periféricos y centrales.
Estos quimiorreceptores monitorean continuamente las presiones parciales de dióxido de carbono y oxígeno en la sangre arterial.
Los sensores son, en primer lugar, los quimiorreceptores centrales en la superficie del bulbo raquídeo del tronco del encéfalo, que son particularmente sensibles al pH, así como a la presión parcial del dióxido de carbono en la sangre y el líquido cefalorraquídeo.
El segundo grupo de sensores mide la presión parcial de oxígeno en la sangre arterial. En conjunto, estos últimos se conocen como los quimiorreceptores periféricos que se encuentran en los cuerpos aórtico y carotídeo.
La información de todos estos quimiorreceptores se transmite a los centros respiratorios de la protuberancia y la médula oblongada, que responde a las desviaciones en las presiones parciales de dióxido de carbono y oxígeno en la sangre arterial de lo normal.
Al ajustar la frecuencia y la profundidad de la respiración, en tal forma de restaurar la presión parcial de dióxido de carbono de nuevo a 5.3 kPa (40 mm Hg), el pH a 7.4 y, en menor medida, la presión parcial de oxígeno a 13 kPa (100 mm Hg).
Por ejemplo, el ejercicio aumenta la producción de dióxido de carbono por los músculos activos. Este dióxido de carbono se difunde en la sangre venosa y, en última instancia, aumenta la presión parcial del dióxido de carbono en la sangre arterial.
Esto es detectado de inmediato por los quimiorreceptores de dióxido de carbono en el tallo cerebral.
Los centros respiratorios responden a esta información haciendo que la frecuencia y la profundidad de la respiración aumenten hasta tal punto que las presiones parciales de dióxido de carbono y oxígeno en la sangre arterial regresen casi de inmediato a los mismos niveles que en reposo.
Los centros respiratorios se comunican con los músculos de la respiración a través de los nervios motores, de los cuales los nervios frénicos, que inervan el diafragma, son probablemente los más importantes.
La respiración automática puede ser anulada en una medida limitada por simple elección, o para facilitar la natación, el habla, el canto u otro entrenamiento vocal.
Es imposible suprimir la necesidad de respirar hasta el punto de la hipoxia, pero el entrenamiento puede aumentar la capacidad de mantener la respiración; por ejemplo, en febrero de 2016, un apneista profesional español rompió el récord mundial de mantener el aliento bajo el agua en poco más de 24 minutos.
También existen otros reflejos automáticos de control de la respiración.
La inmersión, particularmente en la cara, en agua fría, desencadena una respuesta llamada reflejo de buceo. Esto en primer lugar tiene el resultado de cerrar las vías respiratorias en contra de la afluencia de agua. La tasa metabólica se ralentiza hacia abajo.
Esto se combina con una vasoconstricción intensa de las arterias en las extremidades y las vísceras abdominales. Esto reserva el oxígeno que está en la sangre y los pulmones al comienzo de la inmersión, casi exclusivamente para el corazón y el cerebro.
El reflejo de buceo es una respuesta de uso frecuente en animales que rutinariamente necesitan bucear, como pingüinos, focas y ballenas. También es más efectivo en bebés y niños muy pequeños que en adultos.
Defensas contra la infección
El revestimiento epitelial del tracto respiratorio superior se intercala con células caliciformes que secretan un moco protector. Esto ayuda a filtrar los desechos, que eventualmente se tragan en el ambiente estomacal altamente ácido o se expulsan por escupir.
El epitelio que recubre el tracto respiratorio está cubierto de pequeños pelos llamados cilios. Estos baten rítmicamente desde los pulmones, moviendo las partículas extrañas secretadas de moco hacia la laringofaringe hacia arriba y hacia afuera, en un proceso llamado escalera mecánica mucociliar.
Además de mantener el tracto respiratorio inferior estéril, evitan la acumulación de moco en los pulmones. Los macrófagos en los alvéolos son parte del sistema inmune que engulle y digiere los agentes nocivos inhalados.
El pelo en las fosas nasales juega un papel protector, atrapando partículas como el polvo. El reflejo de la tos expulsa todos los irritantes dentro de la membrana mucosa hacia el exterior.
Las vías respiratorias de los pulmones contienen anillos de músculo. Cuando los conductos están irritados por algún alérgeno, estos músculos pueden contraerse.
Desórdenes respiratorios
Los patrones de respiración anormales incluyen la respiración de Kussmaul, la respiración de Biot y la respiración de Cheyne-Stokes.
Otros trastornos de la respiración incluyen dificultad para respirar (disnea), estridor, apnea, apnea del sueño (apnea obstructiva del sueño), respiración por la boca y ronquidos.
Muchas condiciones se asocian con vías aéreas obstruidas. La hipopnea se refiere a la respiración demasiado superficial; la hiperpnea se refiere a la respiración rápida y profunda provocada por la demanda de más oxígeno, como por ejemplo, mediante el ejercicio.
Los términos hipoventilación e hiperventilación también se refieren a la respiración superficial y la respiración rápida y profunda, respectivamente, pero en circunstancias o enfermedades inapropiadas.
Sin embargo, esta distinción (entre, por ejemplo, la hiperpnea y la hiperventilación) no siempre se cumple, por lo que estos términos se usan con frecuencia indistintamente.
Se puede usar una variedad de pruebas de aliento para diagnosticar enfermedades tales como intolerancias dietéticas. Un rinomanómetro utiliza tecnología acústica para examinar el flujo de aire a través de los conductos nasales.
Respiración y humor
Ciertos patrones de respiración tienden a ocurrir con ciertos estados de ánimo. Debido a esta relación, los practicantes de varias disciplinas consideran que pueden alentar la aparición de un estado de ánimo particular al adoptar un patrón de respiración en particular.
Por ejemplo, y tal vez la recomendación más común, es que la respiración profunda que utiliza el diafragma y el abdomen más puede alentar un estado de ánimo más relajado y seguro.
Los practicantes de diferentes disciplinas a menudo interpretan la importancia de la regulación de la respiración y su influencia percibida en el estado de ánimo de diferentes maneras.
Los budistas pueden considerar que ayuda a precipitar una sensación de paz interna, a los sanadores holísticos que fomenta un estado general de salud y asesores comerciales que proporciona alivio del estrés basado en el trabajo.
