Intercambio de gases

Difusión y solubilidad de los gases

La velocidad de difusión de los gases depende de la superficie, el gradiente de concentración, la permeabilidad y el grosor de la membrana. La difusión de gases se producirá entre dos superficies próximas. Por ejemplo, esto ocurre entre los alvéolos y los capilares del pulmón.

$Diffusionrate\propto \frac{Surfacearea\times Concentrationgradient\times Membranepermeability}{Membranethickness}$

Presión parcial e intercambio gaseoso

La presión parcial se refiere a la presión ejercida por un gas concreto en la mezcla de gases y se utiliza para predecir el movimiento de los gases. El gas se moverá de una zona de presión parcial alta a otra de presión parcial más baja porque cuanto mayor sea la diferencia entre las presiones parciales de los dos medios, más rápido será el movimiento de los gases.

Pulmón de mamífero en el proceso de intercambio

La tráquea es una vía respiratoria flexible sostenida por los anillos cartilaginosos, que impiden que la tráquea se colapse cuando cae la presión del aire en su interior al inspirar. La tráquea se divide en dos divisiones llamadas bronquios. A continuación, los bronquios se dividen en una serie de bronquiolos que terminan en alvéolos , diminutos sacos de aire. La membrana alveolar es la superficie de intercambio de gases.

Intercambio gaseoso en el pulmón

Cuando inhalas oxígeno, éste entra en los pulmones y viaja hasta los alvéolos. Las células que recubren los alvéolos y los capilares que transportan la sangre están en estrecho contacto entre sí. El grosor medio de la barrera es de 1 micra, ¡es decir, 1/10 000 de centímetro! El oxígeno pasa a través de la barrera a la sangre de los capilares. A su vez, el dióxido de carbono pasa a los alvéolos desde el torrente sanguíneo y se exhala.

El oxígeno viaja desde los pulmones a las venas pulmonares, que llevan el oxígeno al lado izquierdo del corazón, donde se bombea al resto del cuerpo. La sangre desoxigenada vuelve al lado derecho del corazón y se bombea a través de la arteria pulmonar de vuelta a los pulmones.

Fig. 1 - El sistema humano de intercambio gaseoso

Los alvéolos tienen adaptaciones para facilitar un intercambio de gases eficaz. Conocerás cuatro adaptaciones centrales.

1. Gran superficie - una superficie mayor permite un intercambio de gases más eficaz.
2. Las paredes de los alvéolos sólo tienen una célula de grosor - esto significa que están en contacto muy estrecho con los capilares.
3. Las paredes alveolaresestán húmedas - la capa de humedad permite que los gases se disuelvan más rápidamente.
4. Los alvéolos tienen un buen riego sanguíneo - debido al estrecho contacto con los capilares, lo que hace que el intercambio de gases sea más rápido y eficaz.

Fig. 2 - Movimiento de gases entre alvéolos y capilares

Proceso de intercambio de gases en los organismos unicelulares

Los organismos unicelulares tienen una gran relación superficie-volumen, lo que permite una difusión eficaz de los gases. El oxígeno se difunde en la célula y el dióxido de carbono sale de ella, seguido de la respiración. La membrana es totalmente permeable para facilitar este intercambio. La distancia entre el medio interno y el externo es lo suficientemente pequeña y la superficie lo suficientemente grande para las necesidades de la célula. No se requieren estructuras especializadas para el intercambio de gases.

Fig. 3 - Intercambio gaseoso simple en un organismo unicelular

Proceso de intercambio gaseoso en los insectos

Los insectos tienen una red interna de tubos llamados tráqueas que se dividen en traqueolas más pequeñas (los tubos terminales). Sólo hay una breve vía de difusión desde las traqueolas: el oxígeno se lleva directamente a los tejidos que respiran.

Los gases se mueven de tres formas

1. A lo largo del gradiente de difusión - el oxígeno se gasta durante la respiración celular, lo que hace que la concentración disminuya y el gradiente aumente, lo que hace que el oxígeno se difunda desde la atmósfera. A su vez, el dióxido de carbono aumenta y se difunde por el gradiente de concentración, hacia la atmósfera.
2. Transporte de masas - la contracción muscular puede apretar el aire hacia dentro y hacia fuera, provocando un movimiento de masas, que acelera el proceso de intercambio.
3. Losextremos de las traqueolas se llenan de agua - durante las actividades importantes, los músculos pueden iniciar la respiración anaeróbica, así como la aeróbica. La respiración anaeróbica produce lactato, que disminuye el potencial hídrico de las células musculares. El agua empezará a descender por el gradiente mediante ósmosis hacia las células musculares. El agua de las traqueolas reducirá su volumen y la difusión final del gas será en fase gaseosa en lugar de líquida. La difusión será más rápida.

Proceso de intercambio gaseoso en los peces

Los peces tienen branquias para facilitar el intercambio gaseoso debido a su pequeña relación superficie/volumen (similar a los pulmones de los mamíferos). Las branquias están formadas por filamentos branquiales. Los filamentos branquiales están apilados (imagina que apilas tus cuadernos, así). Contienen láminas bran quiales que forman un ángulo recto con los filamentos. Aumentan la superficie para el intercambio de gases.

¿Te has dado cuenta de que el movimiento del agua sobre las branquias y el flujo sanguíneo tienen direcciones opuestas en la Figura 6? Se trata del sistema de intercambio contracorriente.

Sistema de intercambio contracorriente

El sistema de intercambio contracorriente permite que la sangre esté bien cargada de oxígeno cuando se encuentra con el agua. Se producirá difusión y el oxígeno pasará a la sangre. La sangre con poco oxígeno se encontrará con el agua, que tiene más oxígeno. Fíjate en la figura 7; ¿qué pasaría si el flujo fuera paralelo en vez de contracorriente? La sangre absorbería un porcentaje mucho menor del 50% del oxígeno disponible, razón por la que los peces prefieren atenerse al flujo contracorriente, ¿tú no?

Proceso de intercambio gaseoso en la hoja de una planta

El intercambio gaseoso en la hoja se produce en la fase gaseosa más rápidamente que en el agua. Las células vivas están en estrecho contacto con la fuente de oxígeno y dióxido de carbono (aire).

Las hojas, como principales superficies de intercambio de gases, tienen adaptaciones para una difusión rápida:

• Estomas : poros diminutos en la superficie de la hoja, que permiten un estrecho contacto del aire con las células.
• Espacios de aire interconectados en todo el mesófilo (el tejido interno del suelo situado entre las dos capas de células epidérmicas de la hoja): los gases pueden entrar rápidamente en contacto con el mesófilo.
• Gran superficie

Factores que afectan a la velocidad de difusión de los gases

• El grosor de la memb rana - cuanto más finas sean las membranas, más rápida será la difusión. Por ejemplo, la barrera entre los alvéolos y los capilares sólo tiene una célula de grosor en los pulmones.
• La superficie de la membrana: cuanto mayor sea la superficie, mayor será el intercambio de gases. Por ejemplo, los peces contienen pilas de filamentos branquiales y laminillas branquiales, lo que aumenta la superficie de intercambio.
• La diferencia de presión a través de la memb rana - a más presión, más gases se difundirán. Por ejemplo, el transporte de masa en los insectos, las contracciones musculares pueden empujar los gases.
• Gradiente de difusión elevado - por ejemplo, sistema de intercambio a contracorriente en los peces.