La respiración en los organismos

Los seres vivos, al igual que las máquinas, necesitan energía para funcionar, la cual toman del exterior con los alimentos que ingieren. Pero esa energía acumulada en los alimentos se encuentra en ellos en forma de energía potencial, por lo que tiene que liberarse para poder ser aprovechada.

Este proceso se lleva a cabo por medio de la respiración, fenómeno en el que, por acción del oxigeno, se desdobla la materia orgánica dejando libre la energía para que el organismo la utilice en todas sus funciones, originándose, además, bióxido de carbono y agua, que se eliminan.

El fenómeno respiratorio se realiza dentro de cada una de las células que constituyen al individuo, al llegar el oxígeno a ellas desde el medio ambiente que rodea al organismo, a través de los llamados aparatos respiratorios. Este mecanismo comprende tres fases diferentes: la del intercambio de gases entre el medio ambiente y el organismo; el intercambio de dichos gases con las células del organismo, y las reacciones químicas que se desarrollan en estas células.

Para la segunda fase no se precisan estructuras especiales, ya que el oxígeno entra a las células a través de su membrana por un fenómeno llamado difusión; el bióxido de carbono y el agua que se desprenden en la respiración salen de la célula por el mismo procedimiento.

Para la primera fase sí son necesarias las adaptaciones especiales en su morfología, que son diferentes de unos organismos a otros. Estas estructuras en los seres marinos tienen que permitir la entrada del oxígeno que se encuentra disuelto en el agua y regresar el bióxido de carbono a ella. También del aire respiran utilizando el oxígeno atmosférico.

Las diferencias entre los organismos que toman el oxígeno del agua y los que lo hacen del que se encuentra en la atmósfera se manifiestan desde el punto de vista anatómico, de forma muy señalada, por la diferente procedencia del oxígeno respirable y por la distinta cantidad del mismo de que puede disponerse en el medio aéreo y en el acuático.

En los océanos, como en el medio terrestre, se encuentran seres capaces de liberar su energía en medios que contienen oxígeno, es decir, de respiración anaerobia, como las bacterias que obtienen la energía que necesitan de las reacciones químicas que producen en las sustancias orgánicas sobre las que viven, aunque también existen bacterias marinas aerobias que precisan del oxígeno en cantidades muy grandes, incluso mayores que otros organismos marinos.

Casi todos los vegetales y animales marinos son aerobios, sin embargo, la cantidad de oxígeno de que disponen es mucho menor que aquella de que disfrutan los que viven sobre los continentes, puesto que hay menos oxígeno disuelto en el agua del mar por unidad de volumen que el que se encuentra en forma mezclada en el aire. En la atmósfera existe el 21 por ciento, aproximadamente, de oxígeno, es decir, unos 210 centímetros cúbicos por litro de aire. En el agua del mar, en cambio, la cantidad máxima posible es de 9cc por litro y depende de manera muy directa de la temperatura, descendiendo notablemente su solubilidad al aumentar aquélla.

La respiración en los vegetales marinos se hace en presencia de oxígeno y la forma en que éste se absorbe es muy variable. En los microscópicos que forman parte del fitoplancton, como las diatomeas y los dinoflagelados, al tener su cuerpo formado por una célula, es decir, ser unicelulares, los gases, oxígeno y bióxido de carbono pasan a través de las membranas que limitan su cuerpo.

Figura 24. Dinoflagelado.

Las algas y las fanerógamas que viven en el mar y que se localizan en la zona litoral en donde el oxígeno es más abundante por la acción del oleaje, toman este gas del que se encuentra difundido o disuelto en el agua, efectuándose el intercambio de gases a través de toda la superficie exterior de la planta, y éstos circulan en su interior a través de tejidos especiales que poseen lagunas aéreas. En algunas de las fanerógamas marinas existen además órganos especializados para el intercambio de gases, éstos son los estomas, formados por dos células en forma de riñón que al estar unidas por sus extremos dejan un espacio entre ellas, llamado ostiolo, para la circulación de los gases.

En los animales marinos unicelulares microscópicos, como los foraminíferos y tintínidos, se realiza el intercambio gaseoso a través de su membrana. En las esponjas, su cuerpo está recorrido en su interior por un sistema de canales vibrátiles a través de los cuales circula una corriente de agua que lleva el oxígeno necesario para la respiración, el que penetra a través de las células de todo el cuerpo, y es expulsado también directamente al agua el bióxido de carbono. Algunas esponjas, como las de baño, son recorridas en cada centímetro cúbico de su cuerpo por 22 litros de agua al día; estas corrientes sustituyen la función de la sangre de otros animales.

Las anémonas intercambian los gases respiratorios directamente por la pared de su cuerpo, por lo que se las localiza en áreas donde las corrientes aumentan la cantidad de estos gases. Es de hacer notar que todos los celenterados cnidaria, a los que pertenecen las anémonas, consumen pequeñas cantidades de oxígeno debido a la escasísima materia orgánica que contiene su cuerpo. Existen animales de este grupo, como las medusas, en los que la cantidad de agua alcanza hasta el 98 por ciento de su peso y sólo contienen un dos por ciento de materia orgánica. Estos animales consumen cinco centésimas de centímetro cúbico por gramo de peso por hora de oxígeno.

En algunos celenterados la respiración se ve favorecida por las algas verdes o zooclorelas que viven en sus tejidos, que al realizar su fotosíntesis desprenden oxígeno de continuo.

Los demás grupos de animales marinos ya presentan órganos especializados para realizar su intercambio de gases con el medio y sus necesidades respiratorias están íntimamente relacionadas con la temperatura de su cuerpo.

En los organismos de temperatura variable o poiquilotermos, en los que su temperatura cambia de acuerdo con la del medio, las necesidades de oxígeno son menores, ya que la mayoría de ellos lo toma del disuelto en el agua; para esto, el intercambio de gases se realiza a través de la pared del cuerpo, siendo cutánea como en el caso de muchos invertebrados, o de órganos especializados llamados branquias, como en el de los peces, y sólo toman el oxígeno atmosférico los reptiles marinos que tienen pulmones.

En los poiquilotermos, para aprovechar la pequeña cantidad de gas de que se dispone en el mar, la superficie respiratoria, es decir, la de contacto entre el órgano respiratorio y el medio ambiente, es proporcionalmente más grande que en los terrestres, y es tanto mayor esa superficie cuanto más intensa es la actividad fisiológica, lo que se pone de manifiesto en los diferentes tipos de organismos, como ocurre por ejemplo con los peces, en los que el desarrollo de las branquias es mayor en los que hacen vida activa pelágica como los atunes, que en los que hacen vida bentónica sedentaria, como los lenguados.

En el caso de los animales marinos homeotermos, es decir, los que tienen temperatura constante en su cuerpo independientemente de las variaciones externas, como los pinnípedos, los cetáceos y las aves marinas, se presenta la necesidad de una mayor actividad respiratoria para mantener su temperatura, y se encuentran como órganos respiratorios los pulmones, que permiten fijar mayor cantidad del oxígeno atmosférico existente.

Se puede considerar que el modo típico de respiración en los animales marinos es el llamado branquial, que se lleva a cabo por medio de órganos adaptados para el intercambio de gases dentro del agua, llamados branquias. Éstas se encuentran en grupos como en los anélidos y otros gusanos marinos, en los moluscos, en los artrópodos y en los peces.

Las branquias son expansiones membranosas que se forman a expensas de los tegumentos del animal y cuyo aspecto es laminar, arborescente o filamentoso. Algunas branquias son externas y están implantadas en las porciones terminales del cuerpo o sobre las extremidades del animal. Las branquias están revestidas por membranas muy delgadas a través de la cuales se efectúa el intercambio de gases entre el agua y la sangre, en el caso de los peces, y la hemolinfa en el de los invertebrados, que circulan en forma constante por los órganos citados y llevan el oxígeno a todos los tejidos del organismo.

Los animales de respiración branquial mueren al poco tiempo fuera del agua, pero existen algunos, como ciertos peces y cangrejos, que pueden vivir mucho tiempo en contacto con la atmósfera a condición de que sus branquias se conserven húmedas y debidamente protegidas de la desecación. Esto se observa en los animales como las lapas que habitan los charcos de marea: al presentarse la bajamar quedan sin agua que les cubra, por lo que se pegan totalmente a la roca para evitar que sus branquias se sequen.

Figura 25. Branquias en forma de abánico de un sabélido.

En los anélidos poliquetos las branquias pueden ser de dos tipos. En los sedentarios que viven frecuentemente en tubos, éstas son filamentosas como las de Terebella, que se desarrollan en forma ramificada en la región anterior del cuerpo. En Sabella las branquias se desarrollan en forma de abanico extendido, están situadas en la región cefálica y las sacan de su tubo moviéndolas intensamente para el intercambio gaseoso, y cuando algún objeto u organismo hace contacto con ellas, el animal contrae su cuerpo y las introduce en su tubo. En los anélidos poliquetos errantes, como Nereis, las branquias son expansiones laminares o ramificadas, colocadas en sus falsos pies o parápodos que están a los lados de cada anillo de su cuerpo en las regiones media y posterior.

En los crustáceos, las branquias tienen forma de hoja, es decir, son foliáceas y dependen de los diferentes tipos de patas en donde se colocan: torácicas y abdominales; también existen las cefálicas.

En los crustáceos superiores como los malacostráceos, entre los que se encuentran los cangrejos, las branquias también dependen de los apéndices cefalotorácicos y están protegidos en el interior de verdaderas cámaras branquiales, a través de las que circula el agua, ayudadas por estos apéndices o por otros de los que dependen. En otros crustáceos pueden existir diversas clases de branquias, dependiendo de su situación y origen.

En los escasos arácnidos marinos existentes, como Limulus, también llamados cangrejos cacerola, se presentan branquias formadas por expansiones laminares dependientes de las patas abdominales, que cumplen simultáneamente una función locomotora, de natación, e intervienen en la respiración.

En los moluscos, las branquias están situadas en el seno de una cavidad que las protege, la llamada cavidad paleal, formada por la unión de los bordes del manto, comunicándose con el exterior por diversos procedimientos, pero frecuentemente por la existencia de tubos denominados sifones por los que entra y sale el agua.

En los gasterópodos, llamados comúnmente caracoles de mar, las branquias están situadas de manera diferente en la cavidad paleal. Cuando están por delante del saco visceral, en cuyo caso son dos y simétricas en relación con el eje central del cuerpo, los gasterópodos reciben el nombre de posobranquios, como las cipreas y los conos. Cuando están situadas detrás del saco visceral y existe sólo una, reciben el nombre de opistobranquios, siendo entonces menor la cavidad paleal, como sucede en las denominadas liebres de mar.

En los lamelibranquios, que son otro tipo de moluscos también llamados bivalvos, como el ostión y las almejas, su nombre indica que las branquias son laminares y están en número de dos pares, a cada lado del pie; cada lámina está formada por numerosos filamentos ciliares verticales y longitudinales, determinándose la corriente de agua por acción de los cilios. Entre los filamentos branquiales existen numerosos orificios que comunican la cavidad paleal con el interior de las branquias y a su vez ésta con el exterior, por uno de ellos penetra el agua con el oxígeno, llamado branquial, y por el otro, el cloacal, sale el agua.

En el calamar y los pulpos, moluscos cefalópodos, las branquias son laminares; existe un par colocado en la cavidad paleal, en la región ventral por delante del saco de la tinta, y el intercambio de gases lo hacen gracias a las corrientes de agua que recorren su cuerpo durante la locomoción.

En los peces cartilaginosos, como los tiburones y las rayas, las branquias están sostenidas por tabiques interbranquiales, llamados arcos branquiales, que son rectos y separan las cámaras que comunican al exterior por medio de aberturas colocadas a los lados de la cabeza, por detrás de los ojos. El número de branquias y, por lo tanto, de aberturas, es normalmente de cinco, pero puede ser, excepcionalmente, de seis o siete.

En los peces óseos como los atunes, las branquias están situadas en una cavidad llamada "agalla" que comunica con el exterior por una abertura: el opérculo. El número de branquias no pasa nunca de cinco, y puede reducirse a cuatro como consecuencia de la extensión del opérculo. Las branquias de los peces están conectadas con la región bucofaríngea y el agua con oxígeno entra por la boca, saliendo la que contiene bióxido de carbono por las aberturas branquiales o por los opérculos.

Los animales de respiración pulmonar que viven en el océano son los reptiles marinos, principalmente tortugas, aunque muy escasos, y los mamíferos del grupo de los cetáceos, sirenios y pinnípedos.

En los reptiles que viven en el mar no hay modificaciones en cuanto se refiere a los pulmones, por lo que pueden vivir fácilmente en tierra.

En los sirenios como los manatíes y pinnípedos como las focas, tampoco son grandes las modificaciones pulmonares, salvo que se forman los llamados sacos aéreos, que les permiten almacenar aire.

Los cambios se presentan principalmente en los cetáceos, tan unidos con el medio acuático que no pueden subsistir fuera del agua, ya que han adaptado su morfología a este tipo de vida.

En primer lugar, independizan las vías respiratorias de la digestiva por medio de válvulas especiales que cierran las aberturas nasales durante la inmersión. En segundo, los pulmones son muy amplios y dilatables, y el volumen está amplificado, como en las aves, por la presencia de sacos aéreos, lo que permite que una ballena pueda estar, sin esfuerzo, media hora bajo el agua sin renovar aire de sus pulmones y, si hace falta, permanece así hasta una hora, lo que se facilita por una reducción de la actividad respiratoria celular durante las inmersiones. Al almacenamiento del aire en estos animales ayuda la gran cantidad de sangre contenida en el sistema vascular.

Para facilitar el intercambio de gases respiratorios, sin que el animal tenga que salir mucho a la superficie, las aberturas nasales se han desplazado de su posición normal en los mamíferos, de la región anterior del rostro hacia la porción superior de la cabeza, donde se abren formando los espiráculos que se cierran en la inmersión por medio de esfínteres y válvulas especiales.

En las ballenas y rorcuales existen dos espiráculos, mientras que en los cachalotes y delfines sólo hay uno, por la unión de las fosas nasales en una sola.

Como hemos visto, esta función respiratoria con la que los organismos liberan energía necesaria para desarrollar todas sus actividades, alcanza una gran diversificación en el maravilloso mundo marino.