IED Serrezuela, 2013

1. NUTRICIÓN, RESPIRACIÓN 3
Factores que afectan al intercambio de gases, parte II
El grosor y forma de los capilares
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Como ya habíamos hablado en temas anteriores, los capilares son el mecanismo
integrador entre los diferentes sistemas de órganos del cuerpo. Se trata de zonas donde el
epitelio sanguíneo se hace tan extremadamente delgado, que permite el paso de
sustancias a través de las membranas de manera sencilla.
Los gases tales como el oxígeno y el dióxido de carbono atraviesan la membrana
mediante transporte pasivo a través de la membrana, y básicamente la única condición es
que las presiones a un lado y al otro de la membrana sean diferentes.
Los animales por ejemplo, deben vivir en un ambiente que posee una alta concentración
de oxígeno en el aire, y ellos mismos poseen una baja presión de oxígeno en sangre, lo
que permite que, el oxígeno en el ambiente atraviese la membrana a favor del gradiente
de concentración.
Al mismo tiempo, el ambiente debe tener una baja concentración de dióxido de carbono,
mientras ellos mismos poseen una relativamente alta concentración de dióxido de
carbono en sangre, de este modo, el dióxido de carbono puede fluir al exterior a través de
la membrana a favor del gradiente de concentración.
Las plantas por otro lado son una historia diferente, ya que en ellas el flujo de gases es
inverso, aunque ese detalle lo veremos en temas posteriores.
Por lo general, la eficiencia de un capilar depende de la cantidad de tejido capilar
expuesta al medio donde se encuentran las sustancias que pasan de un lado al otro de la
membrana. Debido a que el paso de sustancias depende exclusivamente de un
mecanismo físico, aparte de disminuir el grosor del epitelio, o existe otra forma de
acelerar el flujo de sustancias sin la intervención de proteínas.
Sin embargo, existe una forma de mejorar la eficiencia, y es precisamente incrementando
el tejido capilar en contacto con el medio donde se encuentran las sustancias que pasan
de un lado al otro de la membrana. Esto se logra mediante pliegues del tejido capilar tal
como se muestra en la siguiente imagen “ver enlace anterior”.
Al incrementar el tejido capilar, se incrementa la superficie de flujo de sustancias,
mejorando la eficiencia neta del proceso.
El fluido de transporte de oxígeno
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Para mantener una concentración de oxigeno baja en la zona inmediatamente cercana a la
membrana que hace el intercambio de gases, los animales más grandes utilizan fluidos
especiales que transportan el oxígeno (sangre o hemolinfa), lo que provoca que el
gradiente de concentración siempre este a favor del ingreso del gas.
En los vertebrados terrestres esta función es cumplida por la hemoglobina, mientras que
en cierto grupo de artrópodos, es llevada a cabo por la hemocianina.
Los detalles de la bioquímica de ambas sustancias serán vistas en mayor profundidad
cuando discutamos la biología del sistema circulatorio.
El confinamiento
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Mientras que la mayoría de los seres vivos pueden realizar el intercambio de gases a
través de la totalidad de su superficie corporal, ciertos seres vivos como las plantas
terrestres y los animales superiores como los artrópodos y la mayoría de los vertebrados
esto no es tan sencillo.
En ellos, la superficie de sus cuerpos se encuentra confinada, es decir, sus “pieles” son
incapaces de realizar el intercambio de gases, o si lo hacen, lo realizan de manera muy
limitada.
En estos tipos de seres vivos es donde aparece el requerimiento del concepto de un
sistema de órganos especializados en la captura de oxígeno, emisión de dióxido de
carbono, distribución de oxígeno y transporte de dióxido de carbono.
La relación entre el área y el volumen
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volumen.html
Mientras que el área crece de manera cuadrática, el volumen lo hace de manera cubica;
esta es una ley matemática muy simple. Lo que nos dice sobre la respiración/absorción
de nutrientes/filtración es que, a medida que un ser vivo esférico crece, la superficie de
intercambio de gases/electrolitos (y en general de cualquier sustancia) se hace
proporcionalmente menos efectiva para sustentar el volumen creciente que encierra.
En otras palabras, los seres vivos más grandes tendrán más problemas para realizar el
intercambio de sustancias, y este problema puede solucionarse de dos maneras generales,
uno mediante la alteración de sus formas, de modo tal que la mayoría de sus tejidos estén
en contacto con los nutrientes, o simplemente mediante el desarrollo de un sistema de
órganos especializado en el intercambio de gases/absorción de nutrientes/filtración.
Respiración organísmica en los seres vivos unicelulares
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El intercambio de gases y en general, el intercambio de sustancias a través de la
membrana dependerá de la relación área-volumen-forma entre la célula y su medio
ambiente.
Para células esféricas y rígidas como las bacterianas, los tamaños que pueden alcanzar
son muy limitados, ya que al incrementar sus tamaños, la cantidad de superficie de
membrana se hace menos efectiva para sustentar los procesos internos.
Las células eucarióticas crecen más, debido a que sus membranas pueden tener formas
cambiantes.
En cuanto a los hongos, aunque son organismos vivos multicelulares, estos no poseen
sistemas de tejidos especializados en el intercambio de gases, básicamente los absorben y
los emiten a través de la membrana igual que cualquier nutriente o desecho.
Respiración organísmica en las plantas
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plantas.html
En las plantas verdes se dan ambos procesos dependientes de intercambio de gases, la
fotosíntesis y la respiración celular aeróbica.
En la respiración celular aeróbica se utilizan compuestos químicos reducidos (lo que
quiere decir que poseen altos niveles de energía y en términos de química orgánica, que
son muy complejos, como los azucares o los lípidos) para oxidarlos con la ayuda del
oxígeno atmosférico y obtener energía celular (ATP o GDP) dióxido de carbono y agua.
Para nuestro tema de respiración organísmica (el intercambio de gases entre un ser vivo y
su ambiente) esto nos quiere decir que, en la respiración celular va con un ingreso de
oxígeno y una emisión de dióxido de carbono.
En la fotosíntesis también se debe dar un intercambio de gases, pero esta vez de manera
inversa al de la respiración celular aeróbica, en la fotosíntesis el dióxido de carbono
ingresa, junto con la luz del sol y el agua, obteniéndose azucares y oxígeno. Lo anterior
nos indica que el flujo de gases en la fotosíntesis se da con un ingreso de dióxido de
carbono y una emisión de oxígeno.
En las plantas ambos procesos NO están equilibrados, ya que si las plantas produjesen la
misma cantidad de oxigeno que consumieran, el planeta no tendría los altos niveles de
oxígeno que posee.
De ambos procesos es las eficiente es la fotosíntesis, lo que quiere decir que el flujo de
gases en las plantas de manera neta es el de la fotosíntesis ellas deben absorbe dióxido de
carbono y emitir oxígeno y vapor de agua.
Las plantas inferiores y las cianobacterias realizan este proceso como cualquier ser vivo
unicelular, mediante transporte pasivo a través de las membranas y los epitelios.
a- Respiración organísmica en las plantas vasculares
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organismica.html
Para poder llevar a cabo la fotosíntesis, las plantas verdes requieren de una fuente de
dióxido de carbono y del mecanismo para eliminar el oxígeno de sus sistemas una vez
han tomado el suficiente para llevar a cabo su propia respiración celular.
A diferencia de los animales, las plantas no poseen órganos especializados parta el
intercambio de gases (con algunas excepciones inevitables). Es más, la mayor parte de
las plantas, que son algas verdes e incluso los musgos, pueden realizar el intercambio de
gases a través de toda la superficie de sus cuerpos, pues no están confinadas por una
cutícula.
En esta serie de escritos nos enfocaremos en las plantas vasculares, las cuales poseen una
cutícula serosa, la cual aunque les permite sobrevivir en zonas de baja humedad (la
cutícula evita el escape de agua en forma de vapor) también les impide realizar el
intercambio de gases a través de la superficie de la planta. Para evitar esa limitación,
todas las zonas verdes de una planta poseen ciertos orificios llamados estomas que
permiten un intercambio relativamente selectivo de gases.
Cada parte de la planta cuida de su propio intercambio de gases. A pesar de que las
plantas poseen un aparato circulatorio bastante elaborado, este no se encuentra integrado
al intercambio de gases, como si ocurre en los animales.
Las raíces, los tallos y las hojas respiran a unas tasas inferiores de lo que lo hacen la
mayoría de los animales. Solo durante la fotosíntesis se intercambian grandes volúmenes
de gases, y cada hoja está bien adatada para cuidar de sí misma y de sus necesidades en
cuanto a gases respiratorios.
La distancia a través de la cual los gases deben difundirse no es muy grande. Cada célula
viva de la planta está localizada cerca a la superficie. Aunque es muy obvio para las
hojas, esto también es cierto para los tallos. De hecho, en los tallos las únicas células que
están vivas son las de la superficie, siendo que las células internas del tallo están muertas
y solas suministran una estructura de soporte para el crecimiento de la planta.
La mayoría de las células vivas de una planta poseen al menos una parte de su superficie
expuesta al aire atmosférico. Por ejemplo, la organización de las células del parénquima
no es compacta y no está unida por una superficie acuosa o cerosa, lo que implica que el
aire se puede difundir en medio de las células vivas sin tener que diluirse en un medio
acuoso. Los gases se difunden mucho más eficientemente (muchas miles de veces más
rápido) en un medio gaseoso como el aire que en el agua. Una vez que los gases diluidos
como el oxígeno, alcanzan los espacios abiertos del parénquima, este se difunde
rápidamente hacia el exterior de la planta.
Aunque le oxigeno se transfiere por transporte pasivo a través de las membranas del
parénquima, esto no es del todo cierto para el dióxido de carbono, que puede ser ayudado
por canales de aquaporina, es decir, el dióxido de carbono puede pasar a través de la
membrana por un trasporte pasivo facilitado.
b- Respiración organísmica en las plantas CAM y C4
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Uno de los principales problemas que afrontan las plantas es la limitada abundancia del
cas de dióxido de carbono (el cual compone cerca de 0.04% de la atmósfera). Debido a
esto, la presión parcial de dióxido de carbono es muy baja, lo que conlleva a una baja
tasa de difusión a través de los estomas y a que finalmente, sea bastante difícil para las
plantas obtener dióxido de carbono.
Ahora, el problema se agrava debido a que los estomas tiende a cerrarse en condiciones
de alta temperatura y baja humedad relativa; pues de lo contrario la planta se desecaría
como una uva pasa.
Irónicamente, el dióxido de carbono está menos disponible cuando la luz del Sol está a su
tope y por lo tanto, cuando la fotosíntesis podría llevarse a cabo a su máxima eficiencia.
Muchas plantas que viven en zonas secas y muy cálidas no pueden abrir sus estomas, por
el riesgo de desecación, pero entonces ¿Cómo capturan dióxido de carbono?
La mayoría de estas plantas poseen adaptaciones que facilitan la fijación del carbono de
manera enzimática. Por un lado, las plantas C4 fijan el carbono en un compuesto de
cuatro carbonos "en esta se genera un ciclo interno de alta eficiencia que reduce la
perdida de dióxido de carbono por la respiración propia de la planta, lo que a su vez
reduce los requerimientos de dióxido de carbono externo, lo cual subsecuentemente
permite tener los estomas cerrados mas tiempo), mientras que las plantas CAM lo fijan
durante la noche (lo cual evita la perdida de agua por evaporación). El compuesto de
cuatro carbonos es luego utilizado para iniciar las reacciones del ciclo de Kalvin.
Debido a que el dióxido de carbono se procesa de manera enzimática, la fotosíntesis por
estos mecanismos es mucho más eficiente, en otras palabras, las plantas C4 producen
más azúcar.