La respiración y el sistema respiratorio

La respiración es el proceso por el cual el organismo capta oxígeno y elimina dióxido de carbono. Es un proceso automático y rítmico, controlado por una red de estructuras nerviosas localizadas en el cerebro. El ritmo respiratorio puede modificarse en función de las necesidades del organismo y de las características del medio ambiente. En el proceso respiratorio es fundamental la participación de distintos sistemas orgánicos: a través de los componentes del tracto respiratorio se recorre el camino necesario para que el oxígeno entre en el organismo y el dióxido de carbono pueda eliminarse. El sistema circulatorio se relaciona de una manera muy estrecha con el sistema respiratorio, ya que una vez tomado el oxígeno éste debe incorporarse a la sangre para que pueda ser conducido a todas las células del organismo. Del mismo modo la sangre irá recogiendo el dióxido de carbono procedente del metabolismo celular y lo entregará a los alveolos pulmonares para que éstos inicien su eliminación. También existe una colaboración estrecha con estructuras musculares como el diafragma y los músculos intercostales, los cuales permiten que los pulmones actúen como verdaderas bombas inspirando y expulsado el aire de manera coordinada.

El sistema respiratorio se divide en vías respiratorias altas y vías respiratorias bajas. Las primeras están compuestas por la nariz y la faringe. Las vías bajas están constituidas por la laringe, la tráquea y los pulmones.

El sistema respiratorio

El órgano clave del sistema respiratorio, el lugar donde se produce el intercambio gaseoso, es el pulmón. Se encuentra localizado en el tórax, protegido por huesos (costillas y vértebras) y músculos (intercostales). Este órgano permite el aporte continuo de oxígeno al organismo y se encarga de limpiar la sangre de un gas tóxico: el dióxido de carbono. El sistema respiratorio está formado por un sistema de conductos que permiten que de modo regular entre y salga aire atmosférico desde el exterior hasta los pulmones. Estas vías respiratorias se dividen en una zona superior y una zona inferior (separadas por una zona intermedia entre el sistema respiratorio y el aparato digestivo y que permite que el aire pase hacia los pulmones y el alimento hacia el esófago).

Vías respiratorias altas

La parte alta del sistema respiratorio está formada por la nariz y la cavidad nasal y la faringe (aunque también debería incluirse la boca, pues puede utilizarse para la entrada y salida del aire).

La nariz y la cavidad nasal. La nariz es la parte externa de una estructura interna que se llama cavidad nasal. El tabique nasal la divide en dos partes, derecha e izquierda. Éste está formado por un cartílago y por una estructura ósea. Cada una de las dos partes se abre hacia el exterior por los denominados orificios nasales. La zona más interna continúa hacia la faringe a través de unas estructuras llamadas coanas. La parte inferior de la cavidad nasal, que se conoce con el nombre de paladar, la separa de la cavidad oral.

Estructura de la nariz y de los senos paranasales.

La cavidad nasal se comunica con unos conductos que proceden de un orificio situado en los párpados y que se llaman conductos nasolagrimales. Esto explica por qué cuando una persona tiene un proceso respiratorio, con frecuencia se ven afectados también los ojos, o cuando existe conjuntivitis (infección ocular) es frecuente encontrar secreción, estornudos o dificultad respiratoria. Del mismo modo, si una persona está llorando puede verse dificultada, o incluso ser imposible, la respiración a través de la nariz.

También se continúa con una serie de cavidades de tamaño variable que contienen aire y que se localizan en distintos huesos del cráneo. Se denominan senos paranasales y tienen dos funciones principales: por un lado, al estar rellenos de aire permiten un peso más ligero del cráneo, y por otro participan en las características finales de la voz.

La superficie interna de la cavidad nasal se encuentra recubierta por un tejido especial que se denomina mucosa respiratoria. Este tejido tiene varias funciones fundamentales: durante la inspiración limpia, humedece y calienta el aire, acondicionándolo para que llegue en condiciones ideales a los alveolos pulmonares, lugar del intercambio gaseoso; durante la espiración se encarga de secar y enfriar el aire, proceso por el cual se retienen agua y energía.

También en la región de la cavidad nasal se encuentran estructuras sensitivas relacionadas con el órgano del olfato que se continúan con nervios olfativos que transmiten esta información hasta el cerebro.

La faringe. La cavidad nasal se continúa con la faringe. Ésta se divide en tres partes: nasofaringe, orofaringe y laringofaringe. La parte superior o nasofaringe se comunica con los oídos y en su región posterior se encuentra un órgano linfático denominado amígdala faríngea (adenoides), que si aumenta de tamaño puede dificultar la respiración nasal o alterar las características de la voz.

Corte mediosagital de la faringe. En él pueden distinguirse las tres divisiones del órgano: nasofaringe, orofaringe y laringofaringe.

La orofaringe a su vez se comunica con la boca. El paladar blando separa ambas partes de la faringe.

La laringofaringe es donde se cruzan las vías aéreas y digestivas. Aquí, y gracias a la epiglotis –una estructura cartilaginosa–, el aire que llega a través de la cavidad nasal se conduce hacia la laringe, mientras que el alimento, que procede de la cavidad oral, pasa directamente hacia el esófago.

Vías respiratorias bajas

Las vías respiratorias bajas están constituidas por la laringe, la tráquea, el árbol bronquial y todas las ramificaciones existentes dentro de los pulmones, los bronquios intrapulmonares, los bronquiolos y los alveolos.

La laringe. Es un órgano complejo que tiene dos funciones: controlar el paso del aire desde la faringe hacia los pulmones y actuar como órgano de la fonación. El sonido se produce por el paso del aire a través de la glotis y de unas finas láminas denominadas cuerdas vocales. Estas últimas pueden ejercitarse y entrenarse para mejorar y modular las características de la voz.

La laringe está formada por al menos una docena de estructuras cartilaginosas, unidas por ligamentos y membranas. Algunos de estos cartílagos reciben los nombres de tiroideo, cricoideo, aritenoideo y hueso hioideo. Una parte de la laringe, concretamente el cartílago tiroideo, puede palparse a través de la piel, más fácilmente en los hombres que en las mujeres: es lo que se denomina nuez. La laringe y las cuerdas vocales pueden observarse mediante un aparato que se llama laringoscopio.

La parte más estrecha de la laringe coincide con la zona de la glotis.

El sistema muscular asociado a la laringe tiene dos funciones principales. Por un lado, el sistema muscular intrínseco se encarga de modificar la forma, la longitud y la tensión de las cuerdas vocales; por otro, el extrínseco se encarga de mover la laringe hacia arriba o hacia abajo según las distintas necesidades.

La tráquea y los bronquios principales. A continuación de la laringe se encuentra la tráquea. Es un tubo de aproximadamente 10 a 12 cm de longitud y 2 cm de diámetro. Está formada por entre 16 y 20 anillos cartilaginosos incompletos (el cartílago tiene forma de herradura, con la parte abierta localizada en la región posterior). La zona donde no existe cartílago está constituida por tejido fibroso que permite cierta elasticidad. La parte interna está tapizada por un tejido que contiene glándulas productoras de moco.

Estructura anatómica de la laringe y la tráquea. Imagen izquierda, vista anterior; imagen derecha, vista posterior.

Hacia su parte final la tráquea se divide en dos ramas (aquí tiene forma de Y invertida), que se denominan bronquios principales: uno se dirige al pulmón derecho y otro al pulmón izquierdo. El bronquio derecho es más ancho, más vertical y más corto que el izquierdo. Por ello, cuando algún elemento diferente del aire (como un trozo de alimento) es capaz de atravesar la laringe y llegar a la tráquea, suele quedar alojado en el pulmón derecho. Al igual que la tráquea, los bronquios principales también contienen glándulas productoras de moco.

Los pulmones. Los pulmones ocupan casi la totalidad del tórax. El espacio entre los dos pulmones lo ocupa el corazón, los grandes vasos (la arteria aorta y la vena cava), la tráquea con las dos ramas bronquiales, el esófago y una glándula denominada timo.

Pulmones humanos vistos por su cara interna.

El pulmón derecho es más grande que el izquierdo (56% frente a 44%). Se divide en tres lóbulos: superior, medio e inferior. El pulmón izquierdo (más pequeño debido a la presencia del corazón desplazado ligeramente a la izquierda) tiene solamente dos lóbulos. Los dos pulmones se apoyan en un músculo que sirve de separación entre el tórax y el abdomen y que se llama diafragma. Una parte muy importante de los pulmones la constituye el hilio. Es la zona por la cual entran y salen de los pulmones las vías aéreas, nervios, arterias y venas y capilares. Los pulmones y las paredes del tórax se encuentran recubiertos por unas estructuras muy finas a modo de envolturas que se denominan pleura pulmonar y pleura parietal, respectivamente. Entra las dos pleuras existe una fina película de líquido que permite que los pulmones se muevan adecuadamente y sin rozamientos dentro de la cavidad torácica. Existen distintas enfermedades que pueden afectar a la pleura: su inflamación se denomina pleuresía y conlleva que los movimientos respiratorios sean dolorosos. En ocasiones, el espacio entre las dos pleuras se llena de aire, lo que recibe el nombre de neumotórax y produce dificultades respiratorias.

Estructura del árbol bronquial. La estructura interna de los pulmones viene determinada por las divisiones sucesivas de las vías aéreas bajas, que en ese camino se acompañan de vasos sanguíneos. Los pulmones se dividen en tres regiones. La primera de ellas es una zona que simplemente conduce el aire desde los bronquios principales hacia estructuras más internas y viceversa. En la zona intermedia además de conducirse el aire también se empieza a producir el intercambio gaseoso. Es en la zona final donde ocurre el paso de oxígeno hacia la sangre y la recogida de dióxido de carbono para su eliminación posterior.

Vista anterior de los conductos que configuran los bronquios.

Desde que se produce la primera división de la tráquea en dos bronquios principales hasta que se llega a la zona del intercambio gaseoso se cree que pueden existir aproximadamente 25 subdivisiones. La primera parte del árbol bronquial sólo conduce el aire y está formada por las dos ramas bronquiales, los bronquios y los bronquiolos. Su función es calentar, humedecer y limpiar el aire inspirado y distribuirlo hacia la zona de intercambio gaseoso. A lo largo del trayecto existen estructuras microscópicas a modo de cepillos (denominadas cilios) que se encargan de impedir el paso de partículas extrañas a través del movimiento del moco. También es una zona con numerosas glándulas productoras de moco que ayudan a limpiar el aire. La última parte, con una misión únicamente de conducción, está constituida por los bronquiolos terminales. Los bronquiolos pueden tener un diámetro inferior a un milímetro. Su superficie interna está recubierta por músculo liso (aquel que el organismo no puede controlar de manera voluntaria). Cuando se producen contracciones anormales de estos músculos, el conducto por el que circula el aire se estrecha de manera importante y aparecen síntomas clínicos que se conocen con el nombre de asma bronquial.

A partir de aquí, en la parte interna de los conductos respiratorios comienzan a aparecer unas estructuras en forma de copa que se denominan alveolos y que constituyen el lugar final donde se lleva a cabo el intercambio gaseoso. A medida que continúan las divisiones en el árbol bronquial aumenta el número de alveolos, hasta que llega un momento en que todo el conducto queda formado por ellos, constituyendo lo que se denomina conducto alveolar. El sistema respiratorio termina en los sacos alveolares. El pulmón humano puede contener alrededor de 300 millones de alveolos.

En esta zona existe una íntima relación entre el aire, la sangre y el tejido (los alveolos están separados entre sí por la pared alveolar, que contiene un densa red de capilares sanguíneos y un esqueleto de fibras de tejido). La función del tejido es crear el soporte necesario para que, manteniéndose separadas, exista un contacto máximo y continuo entre las estructuras que llevan aire y aquéllas por las que circula la sangre. Este tejido se denomina parénquima pulmonar y su superficie equivale a 140 m2. Es el lugar donde el oxígeno pasa del aire a la sangre y el dióxido de carbono lo hace desde la sangre al aire.

Vasos sanguíneos, vasos linfáticos y nervios. Con respecto a la circulación sanguínea, el pulmón es un órgano complejo. Presenta dos sistemas vasculares diferentes que no son completamente independientes. La circulación pulmonar (o circulación menor) es la que permite que el oxígeno llegue al organismo. La sangre con un contenido bajo en oxígeno y alto en dióxido de carbono es transportada desde la parte derecha del corazón hasta los pulmones mediante las arterias pulmonares. Éstas entran en el pulmón acompañando a los bronquios principales y se dividen rápidamente, de un modo muy similar a como lo hacen las vías respiratorias. Después de múltiples divisiones, pequeñas arterias acompañan a los conductos alveolares para terminar formando la red de capilares en torno a los alveolos donde se produce el intercambio gaseoso. La sangre ya oxigenada procedente de los capilares es recogida por las vénulas y conducida hasta las venas pequeñas. Sin embargo, las venas ya no acompañan en su recorrido a las arterias ni a las vías aéreas. Lo hacen reuniéndose en venas de mayor tamaño que terminan dividiendo el tejido pulmonar en pequeños lóbulos. A partir de ahí, y cerca del hilio, la venas se unen y forman vasos de mayor grosor que acompañan a los bronquios. Normalmente son cuatro las venas que conducen la sangre de los pulmones hacia la parte izquierda del corazón.

Gracias a la circulación pulmonar, el oxígeno llega al organismo. Las ilustraciones muestran un esquema del sistema respiratorio al completo y una imagen de un tracto respiratorio inferior disecado.

Gracias a la circulación pulmonar, el oxígeno llega al organismo. Las ilustraciones muestran un esquema del sistema respiratorio al completo y una imagen de un tracto respiratorio inferior disecado.

El segundo sistema vascular de los pulmones se denomina circulación bronquial. Es el encargado de llevar el oxígeno y los nutrientes a las paredes de las grandes vías aéreas y a cada una de las células que forman el pulmón. Las arterias bronquiales proceden generalmente de la aorta o de la arteria intercostal. Éstas se dividen para terminar formando una red de capilares alrededor de las paredes de los bronquios y de los vasos. Una vez entregados los nutrientes y el oxígeno, la sangre es recogida por las venas pulmonares (y en mucha menor medida por las venas bronquiales) que desembocan en el hilio.

En los pulmones también existen vasos linfáticos que se encargan de recoger la linfa y de hacerla pasar por distintos nódulos linfáticos como mecanismo de filtrado antes de introducirla en el sistema circulatorio. El sistema linfático es importante, ya que la mayoría de los tumores malignos que se localizan en los pulmones pueden extenderse al resto del organismo a través de esta vía.

Las estructuras pulmonares se encuentran atravesadas por nervios pertenecientes al sistema autónomo o de control involuntario. Éstos pueden actuar sobre el diámetro de los vasos y de las vías aéreas (principalmente a nivel de los bronquios) y también regulan la producción de las glándulas bronquiales. Entran en el pulmón a través del hilio.

El control de la respiración

La respiración es un proceso automático y rítmico controlado por una red de neuronas localizadas en el cerebro. Esta red actúa directamente sobre los músculos que constituyen las paredes del tórax y del abdomen y produce cambios de presión que permiten que el aire circule por los pulmones.

Durante un minuto un bebé inferior al año de edad respira unas 33 veces, mientras que un adulto lo hace sólo alrededor de 14.

El aire entra y sale de los pulmones como respuesta a los cambios de presión. Cuando la presión del aire en los alveolos es inferior a la presión atmosférica, la laringe se abre y el aire entra en los pulmones (inspiración); cuando la presión del aire en los alveolos supera la presión atmosférica, el aire sale de los pulmones (espiración). La presión en los alveolos viene determinada por los movimientos de los músculos del tórax y del abdomen, que permiten que los pulmones se dilaten o se contraigan. Durante la inspiración, los músculos del tórax y el diafragma se contraen lo que faculta que los pulmones se expandan. Durante la espiración, los músculos vuelven a su estado inicial lo que provoca que los pulmones se contraigan. Un bebé de menos de un año de edad puede respirar aproximadamente 33 veces por minuto con un volumen de aire saliendo y entrando de los pulmones en cada respiración de aproximadamente 15 ml. Un adulto respirará alrededor de 14 veces por minuto y en cada una de sus respiraciones moverá aproximadamente 500 ml de aire.

Una característica importante del sistema respiratorio humano es su capacidad para modificar la frecuencia e intensidad de la respiración de acuerdo con características internas y externas. De este modo se regula el ritmo y la duración de cada una de las fases respiratorias. El ritmo se incrementa o se disminuye de acuerdo con la producción de dióxido de carbono y con las necesidades de oxígeno del organismo.

Esquema de los músculos que intervienen en el proceso de la respiración.

Distintos receptores distribuidos a lo largo del organismo mandan señales a la red de neuronas cerebrales que controlan el proceso de la respiración. Por su parte, los receptores químicos detectan los cambios en la concentración de oxígeno y de dióxido de la sangre. Otros receptores mecánicos regulan la expansión de los pulmones, el diámetro de las vías aéreas y la fuerza de la contracción de los músculos respiratorios.

Son muchos los grupos musculares que intervienen en el proceso de la respiración. El más importante es el diafragma, aunque también participan los músculos intercostales (localizados en las costillas), los abdominales y otros como el escaleno o el esternocleidomastoideo. Asimismo, los músculos de la laringe y de la faringe regulan la resistencia al movimiento de los gases a través de las vías respiratorias altas durante la inspiración y la espiración. Todo ello permite cierto control voluntario del proceso respiratorio. Por ejemplo, un individuo puede dejar de respirar temporalmente con sólo desearlo.

El proceso de la respiración está diseñado para que el gasto energético sea mínimo. En reposo, un individuo adulto consume tan sólo el 1% de la energía total necesaria para respirar. Sin embargo, en situaciones de enfermedad o de ejercicio este gasto energético puede incrementarse de modo importante.

Situaciones especiales

Existen situaciones especiales que requieren una determinada adaptación del proceso respiratorio. Principalmente se relacionan con el ejercicio, el sueño, la altitud y la respiración en un medio hostil como el agua.

La respiración durante el ejercicio. Uno de los aspectos más importantes del control de la respiración es que el proceso de ventilación debe incrementarse de manera suficiente para mantener constantes las concentraciones de dióxido de carbono en sangre arterial a pesar de que existan incrementos importantes en el ritmo metabólico (por ejemplo, durante una actividad intensa). Existen distintas señales durante el ejercicio que pueden aumentar la ventilación. Estas señales proceden de receptores mecánicos localizados en las extremidades, de receptores químicos situados en las arterias y de receptores térmicos (pues la temperatura corporal aumenta a medida que se incrementa el metabolismo).

La respiración durante el sueño. Durante el sueño el metabolismo corporal se reduce, pero incluso se reduce más el ritmo respiratorio, con lo que aumenta la concentración de dióxido de carbono y disminuye la de oxígeno. Durante la fase de sueño superficial, la respiración se hace más lenta pero se mantiene regular. Cuando el sueño es más profundo, es mucho más irregular. En ocasiones puede ocurrir que debido a la disminución en la frecuencia de la respiración la concentración de oxígeno de la sangre sea demasiado baja o la concentración de dióxido de carbono sea demasiado alta. En ese caso el individuo se despertará.

El ritmo respiratorio se reduce durante el sueño. Cuando éste es profundo, la respiración se vuelve más irregular.

Durante el sueño existen periodos en los cuales la frecuencia de la respiración es alta y otros en los que el ritmo disminuye de manera importante, e incluso puede llegar a situaciones de ausencia de respiración (apnea). Un patrón de respiración similar puede ocurrir en pacientes que sufran insuficiencia cardiaca o enfermedades del sistema nervioso. En ocasiones, durante el sueño el ritmo respiratorio disminuye de modo importante o incluso puede interrumpirse debido a la obstrucción total o parcial de las vías respiratorias superiores. Quienes padecen este problema no descansan bien porque se despiertan con mucha frecuencia. A veces la causa es un estrechamiento de la laringe y de la faringe por depósitos de grasa o por una mala coordinación entre las vías respiratorias y los músculos del tórax.

El proceso respiratorio y la altitud. A medida que se asciende, la cantidad de oxígeno presente en el aire y en los pulmones disminuye, lo que supone un reto para el proceso respiratorio. Las personas que viven en altitud deben adaptarse a estos cambios mediante un proceso que se denomina aclimatación. Se trata de un proceso no hereditario y reversible (en animales como las llamas, las vicuñas o las alpacas este proceso más que de aclimatación se denomina de adaptación y parece transmitirse a lo largo de las generaciones). El organismo pone en marcha una serie de mecanismos para aumentar el aporte de oxígeno tanto a los pulmones como a cada una de las células individuales. Las respiraciones se hacen más profundas para permitir la llegada de más oxígeno. Se ha comprobado también que las paredes de los alveolos son más finas en personas que viven constantemente en altitud, lo que favorece el paso de oxígeno.

Tanto quienes viven en regiones de gran altura, como los tibetanos cuya vivienda se muestra en la foto superior, como los que viajan allí ocasionalmente deben sufrir un proceso de aclimatación para adaptarse a la altitud. Ello se debe a que la disminución del oxígeno en el aire a esas alturas provoca que también descienda el oxígeno que llega a los pulmones.

Tanto quienes viven en regiones de gran altura, como los tibetanos cuya vivienda se muestra en la foto superior, como los que viajan allí ocasionalmente deben sufrir un proceso de aclimatación para adaptarse a la altitud. Ello se debe a que la disminución del oxígeno en el aire a esas alturas provoca que también descienda el oxígeno que llega a los pulmones.

Por otro lado, la escasez de oxígeno estimula el aumento de hemoglobina en los glóbulos rojos, lo que incrementa su capacidad de transporte hasta los tejidos. A medida que se prolonga la estancia en altitud los tejidos desarrollan más vasos sanguíneos y también se incrementa la red de capilares, todo lo cual ayuda al intercambio gaseoso.

En ocasiones, las personas que llevan años viviendo en altitud pierden su aclimatación y desarrollan mareos crónicos. Este proceso se caracteriza por concentraciones muy altas de hemoglobina.

La respiración durante la natación y el buceo. El agua no es un medio natural para la vida de las personas, pues éstas necesitan el aire para respirar. Sin embargo, todos los vertebrados –entre ellos los seres humanos– tienen unos mecanismos de respuesta (que incluyen el sistema cardiovascular y adaptaciones metabólicas) para conservar oxígeno durante la inmersión en agua durante cortos periodos de tiempo.

Los aparatos externos liberadores de oxígeno, como las bombonas de aire, permiten a los buceadores pasar largo tiempo sumergidos en las profundidades marinas.

La hiperventilación, un incremento de la frecuencia respiratoria, es una forma de aumentar la cantidad de aire que llega a los alveolos pulmonares, y que en ocasiones utilizan los nadadores para prolongar el tiempo que pueden permanecer bajo el agua.

Los buceadores también utilizan aparatos externos que liberan oxígeno; de ese modo no necesitan subir a la superficie a respirar y pueden permanecer sumergidos durante periodos prolongados. Sin embargo, existen inconvenientes debidos al aumento de presión a causa de la profundidad. El factor que más limita el movimiento debajo del agua es la mayor dificultad para respirar. Y esta dificultad se ve aumentada si se emplean aparatos de respiración externos que utilizan aire comprimido.