El oxígeno y la respiración en fauna
💨 Estrategias respiratorias: las branquias en el medio acuático, la "invención" de los pulmones, el curioso sistema traqueal de insectos, el buceo, los sacos aéreos en aves...
🧐 Ya tienes en tus manos (metafóricamente hablando…) el último boletín del año y de momento también el último de la saga. 😲 Mantengo el formato monográfico y en él te hablaré de branquias de peces y anfibios, pulmones de reptiles, buceos de cachalotes, tenias parásitas que no respiran oxígeno. …🐟 🐸 Y como siempre si quieres ir a la fuente original, mi “bestseller”👉 “Cuatro pinceladas de divulgación científica”.
😀 Hace 3500 millones de años no existía el oxígeno en la atmósfera terrestre. Unos de los primeros seres vivos del planeta, las bacterias fotosintéticas, empezaron a fabricar este gas como producto residual de la fotosíntesis. Tampoco existía el ozono estratosférico protector contra la radiación ultravioleta, ya que esta molécula está formada por 3 átomos de oxígeno (O3 es su fórmula química). En esa época primigenia los rayos ultravioleta llegaban hasta la superficie del océano, causando una alta mortalidad entre el mundo bacteriano. Pero los restos muertos de unas bacterias, actuaban de protección para las otras bacterias. Hablaríamos de un cierto altruismo inconsciente…
La concentración de oxígeno en la atmósfera ha ido fluctuando a lo largo de la historia terrestre, entre un 10 % y un 35 %, actualmente, su concentración es de un 21 %. A lo largo de la evolución han ido “apareciendo” diferentes explosiones de vida que podrían coincidir con estos picos de aumento de oxígeno atmosférico.
¿Para qué sirve el oxígeno?
Este gas es utilizado en las vías metabólicas de los seres vivos, que son básicamente dos, el catabolismo y la obtención de energía. Y el anabolismo y la fabricación o renovación de estructuras biológicas. Interviene en todos estos procesos bioquímicos y ha demostrado ser más eficiente que otros elementos químicos.
¿Cómo se incorpora a los organismos?
Seguro que ya lo sabrás, por el proceso conocido como respiración, el cual consiste en introducir oxígeno al organismo y expulsar un producto de deshecho, el CO2 . Para este menester, los organismos han desarrollado diferentes estrategias. Los organismos acuáticos respiran el oxígeno disuelto en el agua y para eso tienen las branquias. Estas son estructuras internas o externas muy irrigadas con vasos sanguíneos, donde se produce el intercambio gaseoso. Presentes en estadios larvales de insectos acuáticos como efímeras, moscas de las piedras o tricópteros. Estos insectos tienen un plumaje branquial externo y viven en tramos fluviales de aguas con corrientes que les aportan la oxigenación correcta. Los crustáceos marinos como los percebes, los cangrejos o las bellotas de mar, por el contrario, las tienen internas y protegidas en una cavidad del exoesqueleto. Otros gusanos marinos que construyen tubos, como los poliquetos, también han desarrollado una estructura branquial que despliegan en zonas oxigenadas.
Los peces tienen las branquias a ambos lados del cuerpo a la altura de la cabeza y protegidas por una estructura llamada opérculo. Los peces óseos tienen cuatro arcos branquiales a cada lado de la cabeza y los tiburones de cinco a siete arcos por lado, depende de la especie. Los primeros tienen un sistema de bombeo del agua muy eficiente, abren la boca al nadar y el agua les entra dentro, al cerrarla propulsan el agua que pasa por las cámaras branquiales produciendo el intercambio gaseoso. Los tiburones no tienen opérculos protectores de las branquias y no han desarrollado el mecanismo de propulsión del agua como sus parientes óseos. El agua también les entra por la boca, pero el oxígeno difunde menos eficientemente. Por esta razón el movimiento corporal les ayuda al flujo de oxígeno, dicho de otra forma no pueden parar de moverse, si quieren respirar y vivir.
Las branquias también son presentes en los estadios larvales de los anfibios. Las larvas de salamandras y tritones, tienen un plumaje branquial a ambos lados de la cabeza, al desplazarse hacen entrar el agua por la boca y la hacen salir por unas hendiduras que tienen intercaladas con las branquias (mecanismo muy parecido a los peces óseos).
Las larvas de ranas y sapos, los renacuajos, también tienen branquias, pero en este caso, internas. También crean una circulación de agua que entra por la boca y sale por el espiráculo ventral o lateral, depende de la especie. En medios con falta de oxígeno, como aguas estancadas, los peces y los anfibios salen a boquear, suben a la superficie del agua y respiran oxígeno atmosférico.
Normalmente, los anfibios reabsorben las branquias en su etapa adulta, para utilizar otro tipo de respiración. Hay algunos casos muy relevantes en los que esto no pasa, entonces hablamos de neotenia. Este proceso biológico consiste en conservar rasgos infantiles o juveniles en la etapa adulta. El proteo, es un ejemplo y otro caso muy característico es el ajolote (Ambystoma mexicanum). Esta salamandra vive en la zona de la cuenca lacustre de la capital mexicana y está en peligro de extinción. Se caracteriza por tener variedades despigmentadas y una alta capacidad de regeneración de los tejidos. Muchos peces y anfibios combinan esta respiración con la respiración cutánea, tienen una piel muy fina y con mucha irrigación sanguínea para producir el intercambio gaseoso. Por ejemplo, la anguila es un pez migrador que puntualmente puede desplazarse por el medio terrestre y en esos momentos respira por la piel. Algunos animales terrestres que “bucean” puntualmente como los lagartos, las arañas o los escarabajos son capaces de crear burbujas de aire que bajarían entre las patas (arañas), debajo de las alas (escarabajos) o en el hocico (lagartos). Otro sistema muy curioso es el de las tortugas marinas, aparte de respirar el oxígeno atmosférico por pulmones, son capaces de respirar por el recto. Este último tramo del intestino está muy irrigado y mediante contracción hacen entrar el agua oxigenada por la cloaca. Después expulsan otra vez el agua rica en CO2 y pobre en oxígeno.
Pero, si hay unos animales que han desarrollado un sistema respiratorio supereficiente en el medio terrestre y en el aéreo, esos son los insectos y su sistema traqueal. ¿En qué consiste? Todo el exoesqueleto del insecto está perforado con unas estructuras tubulares llamadas tráqueas, en la parte exterior pueden llegar a tener un diámetro de 0,8 mm y se van reduciendo al penetrar en el cuerpo hasta alcanzar tamaños de micras. Estos tubos transportan el oxígeno directamente a los tejidos, sin necesidad del aparato circulatorio. Los gases se pueden mover libremente por el cuerpo del animal o ser bombeados activamente por la musculatura. La parte externa de la tráquea está protegida por un espiráculo que se abre y cierra, impidiendo la desecación. Dentro hay unas pilosidades que impiden la entrada de cuerpos extraños. En insectos voladores pueden existir sacos aéreos, como reservorio de oxígeno, para la gran demanda que supone el vuelo.
Los miriápodos, como el milpiés y el ciempiés, también han desarrollado un sistema traqueal. Las arañas y escorpiones combinan el sistema traqueal con unas estructuras llamadas pulmones en libro, que serían unos órganos abdominales formados por láminas, donde se produciría el intercambio respiratorio.
Los primeros organismos que abandonan la seguridad del medio acuático, son los anfibios. Al colonizar el medio terrestre respiran por la piel y por las membranas de la boca (respiración bucofaríngea). Pero sin duda, su gran éxito evolutivo es la respiración pulmonar, el desarrollo de dos sacos musculares que se dilatan y se expanden propulsando gases, es una maravilla. Estos animales no tienen caja torácica y la fuerza de propulsión la consiguen subiendo y bajando la boca. Los pulmones complementan la respiración en muchos anfibios y también los utilizan como órganos de flotación.
Los reptiles son más eficientes en el uso de sus pulmones y propulsan el aire de los pulmones por la fuerza muscular, torácica y abdominal. Tienen dos pulmones, excepto las serpientes que tienen uno funcional y otro atrofiado con funciones de “bufar” frente a situaciones de peligro. Muchas tortugas y serpientes son capaces de bucear durante un rato. Para eso almacenan suficiente gas en sus pulmones y algunas son capaces de reducir su metabolismo. Las tortugas, como hemos visto antes, pueden complementar el oxígeno atmosférico con la respiración rectal y algunas serpientes pueden incorporar oxígeno a través de la piel.
Si hay un grupo de animales que destaca por su eficiencia en la respiración, ese es el de las aves. Su sistema respiratorio consta de pulmones y sacos aéreos posteriores (en el abdomen) y anteriores (en el tórax). Los posteriores reciben el aire inhalado que es propulsado a los pulmones por la contracción de la musculatura pectoral. Lo pulmones, altamente irrigados, cederían el oxígeno a la sangre. El aire sería “rellenado” de CO2 y bombeado a los sacos anteriores que lo expulsarían al exterior. Las aves consiguen crear un flujo unidireccional del aire y evitan que se mezclen los dos tipos de gases. Estos sacos aéreos le sirven para pesar menos y hacen que aprovechen hasta un 60-65% del aire respirado, muy práctico para la locomoción aérea.
Si algo es útil para la respiración es el músculo diafragma, presente en cocodrilos y en mamíferos. Separa la cavidad torácica de la abdominal e interviene muy activamente en la respiración. Al inspirar se expanden los pulmones dentro de la caja torácica y el oxígeno pasa al interior de los pulmones. Aquí en los alvéolos pulmonares este gas pasará a la sangre. Al contraerse el diafragma y la musculatura pectoral, el aire cargado deCO2 será propulsado al exterior.
Si eres un mamífero terrestre, no tienes problemas para respirar oxígeno atmosférico (como en nuestro caso), ¿Pero las ballenas, los delfines o las nutrias, cómo aguantan tanto tiempo sin respirar debajo del agua? Si hay un mamífero marino maestro en el arte de bucear y cazar, ese es el cachalote (Physeter macrocephalus). Cuando esta ballena se sumerge a profundidades sobre 1000 metros para depredar sobre calamares gigantes, es capaz de aguantar 1 hora y media la respiración. Para conseguir estas apneas, tiene una caja torácica muy flexible, para soportar las altas presiones marinas, reduce el aporte de nitrógeno a los tejidos y baja la tasa metabólica. A nivel sanguíneo tiene muchos glóbulos rojos con hemoglobina y en la musculatura acumula mioglobina, proteína que transporta oxígeno muy eficientemente. Además, tiene una capacidad de dirigir el oxígeno, de manera selectiva, a los órganos vitales. Este animal puede llegar a medir 18 metros y pesar 57 toneladas. En su cabeza tienen un tipo de grasa, conocido como espermaceti o esperma de ballena, que les ayudaría a bajar o subir en profundidad.
En los siglos XVIII y XIX hubo toda una industria ballenera, para la extracción de carne, aceite, grasa, ámbar gris(secreción intestinal)… de diferentes especies de ballena. En 1851 Herman Melville, inmortalizará un cachalote blanco, en su obra Moby Dick. Como a esas profundidades no llega la luz solar, ha desarrollado un sistema de ecolocalización para cazar a sus presas.
¿Todos los animales respiran oxígeno?, pues, no. Algunos animales no tienen disponibilidad de oxígeno en el medio en el que viven y se las han tenido que ingeniar para sobrevivir. Vamos a hablar de un tipo de gusanos planos o platelmintos parásitos, las tenias. Estos parásitos de mamíferos, entre ellos los humanos, entran en el aparato digestivo al ingerir tejido muscular de otro animal con huevos de resistencia. Este gusano se desarrolla en el intestino del mamífero, no tiene aparato respiratorio, ni circulatorio y todo el alimento le pasa a través de la piel, proveniente del hospedador. Al vivir en un medio sin oxígeno ha desarrollado un metabolismo anaeróbico, como el que tiene lugar en nuestros músculos. Realizan una fermentación química para obtener energía, prescindiendo del oxígeno. Una vida oscura, alimentándose y reproduciéndose de manera hermafrodita para producir unos huevos que defecará el hospedador y serán ingeridos por otro hospedador, para completar el ciclo biológico de estos curiosos seres.