La mayor parte de los animales disponen de sistemas respiratorios que tiene la función de intercambiar gases entre sus células y el ambiente que los rodea, su estructura y función es muy variable dependiendo del tipo de organismo. El aparato respiratorio o sistema respiratorio es el conjunto de órganos que sirven para intercambiar gases con el medio ambiente. En los vertebrados terrestres está formado por las vías aéreas y los pulmones. A través de las vías aéreas, el aire circula en dirección a los pulmones, y en estos órganos la sangre capta el oxígeno y se desprende del dióxido de carbono.
El órgano principal del aparato respiratorio humano y de los animales mamíferos es el pulmón. En los alveolos pulmonares se produce mediante difusión pasiva el proceso de intercambio gaseoso, gracias al cual la sangre capta el oxígeno atmosférico y elimina el dióxido de carbono (CO2) producto de desecho del metabolismo. El aparato respiratorio humano está constituido por las fosas nasales, boca, faringe, laringe, tráquea y pulmones. Los pulmones constan de bronquios, bronquiolos y alveolos pulmonares.
Los músculos respiratorios son el diafragma y los músculos intercostales. En la inspiración el diafragma se contrae y desciende, por lo cual la cavidad torácica se amplía y el aire entra en los pulmones. En la espiración o exhalación, el diafragma se relaja y sube, la cavidad torácica disminuye de tamaño provocando la salida del aire de los pulmones hacia el exterior.
Aparato respiratorio humano
thumb|Aparato respiratorio humano. thumb|Esquema del alveolo pulmonar y la red capilar que hace posible el intercambio de oxígeno con la sangre. En los seres humanos, el sistema respiratorio está formado por las vías aéreas, los pulmones y músculos respiratorios que provocan el movimiento del aire tanto hacia adentro como hacia afuera del cuerpo. En los alveolos pulmonares las moléculas de oxígeno y dióxido de carbono se intercambian pasivamente, por difusión entre el entorno gaseoso y la sangre. De esta forma el sistema respiratorio hace posible la oxigenación y la eliminación del dióxido de carbono que es una sustancia de desecho del metabolismo celular. El sistema también cumple la función de mantener el balance entre ácidos y bases en el cuerpo a través de la eliminación de dióxido de carbono de la sangre.
Partes del aparato respiratorio El aparato respiratorio humano consta de los siguientes elementos: Fosas nasales: Son dos amplias cavidades cuya función es permitir la entrada y salida del aire, el cual se humedece, filtra y calienta a través de unas estructuras llamadas cornetes. Faringe: Estructura con forma de tubo situada en el cuello y revestido de membrana mucosa; conecta la cavidad bucal y las fosas nasales con el esófago y la laringe. Laringe: Es un conducto que permite el paso del aire desde la faringe hacia la tráquea y los pulmones. En la laringe se encuentran las cuerdas vocales que dejan entre sí un espacio llamado glotis. Cuerdas vocales. Son dos repliegues situados en la laringe que vibran cuando el aire los atraviesa produciendo la voz. Glotis. Es la porción más estrecha de la luz laríngea, espacio que está limitado por las cuerdas vocales. Epiglotis: La epiglotis es un cartílago situado encima de la glotis que obstruye el paso del bolo alimenticio en el momento de la deglución evitando que este se vaya al sistema respiratorio. Marca el límite entre la orofaringe y la laringofaringe. Tráquea: Es un conducto en forma de tubo que tiene la función de hacer posible el paso del aire entre la laringe y los bronquios. Su pared está reforzada por un conjunto de cartílagos con forma de C que dificultan que la vía se colapse por compresión externa sobre el cuello.El cuerpo humano. Salud y enfermedad. Memmler, 11ª edición. Consultado el 8 de enero de 2018. Pulmones: Órganos cuya función es realizar el intercambio gaseoso con la sangre. Dentro de cada pulmón, el árbol bronquial se divide progresivamente dando ramificaciones cada vez más pequeñas. La tráquea da origen a los dos bronquios principales que se dividen en bronquios secundarios o lobulares. Cada bronquio lobular se divide en bronquios terciarios o segmentarios que se dividen en bronquiolos. El bronquiolo continúa el proceso de ramificación y da origen al bronquiolo terminal de donde parten los bronquiolos respiratorio que es donde se encuentran los sacos alveolares. Bronquio: Conducto tubular fibrocartilaginoso que conduce el aire desde la tráquea hasta los bronquiolos. Bronquiolo: Conducto que conduce el aire desde los bronquios hasta los alvéolos. Alvéolo: Los alveolos están situados al final de las últimas ramificaciones de los bronquiolos. Tienen la forma de pequeños sacos y son el lugar en el que se produce el intercambio de gases con la sangre. Su pared es muy delgada, pues está constituida por una capa unicelular, es decir formada por una única célula. Sumando los dos pulmones, el organismo humano dispone de alrededor de 600 millones de alveolos que si se desplegaran en su totalidad ocuparían una superficie de 60m², esta enorme superficie es la que hace posible obtener la cantidad de oxígeno necesaria para las funciones vitales.El cuerpo humano. Salud y enfermedad. Memmler, 11ª edición. Consultado el 8 de enero de 2018. Músculos intercostales: Músculos situados en el espacio existente entre dos costillas consecutivas. Tienen un importante papel para movilizar el tórax durante la inspiración. Diafragma: Músculo que separa la cavidad torácica de la cavidad abdominal. Cuando se contrae baja y aumenta el tamaño de la cavidad torácica provocando la inspiración. Cuando se relaja sube, disminuye el tamaño de la cavidad torácica y provoca la espiración. Pleura y cavidad pleural: La pleura es una membrana serosa que recubre ambos pulmones. Consta de dos capas, la pleura parietal en contacto con la pared del tórax y la pleura visceral en contacto con los pulmones. Entre ambas capas queda un espacio que se llama cavidad pleural. La presión en la cavidad pleural es menor que la presión atmosférica lo cual hace posible la expansión de los pulmones durante la inspiración.
Ventilación
thumb|Movimientos de entrada de aire a los pulmones (inspiración) y salida (espiración), en verde el diafragma. La función del aparato respiratorio consiste en desplazar volúmenes de aire desde la atmósfera a los pulmones y viceversa. Lo anterior es posible gracias a un proceso conocido como ventilación.
La ventilación es un proceso cíclico y consta de dos etapas: la inspiración, que es la entrada de aire a los pulmones, y la espiración, que es la salida. La inspiración es un fenómeno activo, caracterizado por el aumento del volumen torácico que provoca una presión intrapulmonar negativa y determina el desplazamiento de aire desde el exterior hacia los pulmones. La contracción de los músculos inspiratorios principales, diafragma e intercostales externos, es la responsable de este proceso. Una vez que la presión intrapulmonar iguala a la atmosférica, la inspiración se detiene y entonces, gracias a la fuerza elástica de la caja torácica, esta se retrae, generando una presión positiva que supera a la atmosférica y determinando la salida de aire desde los pulmones.
En condiciones normales la espiración es un proceso pasivo, al relajarse el diafragma este sube y vuelve a su posición inicial. Sin embargo, en la espiración forzada, el músculo recto del abdomen se contrae, lo que propulsa las vísceras abdominales hacia arriba, este proceso hace disminuir aún más el volumen intratorácico y aumenta la cantidad de aire que se desplaza al exterior.Tortora, Gerard J.; Bryan Derrickson. Principios de anatomía y fisiología. 2013. En Google Books.
Control de la ventilación
La ventilación es controlada de forma muy cuidadosa para hacer posible que los niveles de PaO2 y PaCO2 arteriales se mantengan dentro de límites estrechos a pesar de que las demandas de captación de O2 y eliminación de CO2 varían mucho. El sistema respiratorio dispone de un conjunto de sensores que reúnen información, la cual llega al controlador central del encéfalo, que coordina la información y envía impulsos hacia los músculos respiratorios efectores, que causan la ventilación.
Sensores (entradas)
Los sensores protagonistas en el control de la respiración son los quimiorreceptores, estos responden a los cambios en la composición química de la sangre u otro líquido. Se han clasificado anatómicamente como centrales y periféricos.
Quimiorreceptores centrales. Se encuentran cerca de la superficie ventral del bulbo raquídeo están rodeados por el líquido extracelular del cerebro y responden a los cambios de H+ en ese líquido. El nivel de CO2 en la sangre regula la ventilación principalmente por su efecto sobre el pH del líquido cefalorraquídeo. Quimiorreceptores periféricos. Se hallan dentro de los cuerpos carotídeos, en la bifurcación de las arterias carótidas primitivas, y en los cuerpos aórticos, por encima y por debajo del cayado aórtico. Responden al descenso de la PO2 arterial y al aumento de la pCO2 y de la concentración de H+. Son los responsables de cualquier aumento de la ventilación en el ser humano como respuesta de la hipoxemia arterial.
En los pulmones también existen receptores sensoriales que intervienen en el control del calibre de las vías aéreas, la secreción bronquial, así como en la liberación de mediadores por las células cebadas u otras células inflamatorias, esta información llega a los centros superiores a través de las fibras sensoriales del nervio vago.{JohnB.West}
Control central cerebral
thumb|Centros respiratorios del encéfalo. El control de la ventilación es posible gracias a una compleja interconexión de neuronas situadas en varias localizaciones del cerebro de donde parten las órdenes que a través de los nervios llegan a los diferentes músculos encargados de la ventilación pulmonar. El proceso automático normal de la respiración es involuntario y se origina en impulsos que provienen del tallo cerebral, sin embargo, se puede tener cierto control voluntario dentro de determinados límites, ya que los estímulos de la corteza cerebral se pueden priorizar respecto a los del tallo cerebral.
Los centros respiratorios cerebrales principales están ubicados en el bulbo raquídeo y establecen de forma automática el patrón rítmico de la respiración. Puede distinguirse un Grupo Respiratorio Dorsal que puede modificar el ritmo básico según las necesidades del organismo y un Grupo Respiratorio Ventral que contienen neuronas que se activan cuando es preciso un nivel elevado de ventilación. Existen otros dos núcleos de neuronas situados en la protuberancia llamados Centro Neumotáxico y Centro Apnéustico que también influyen sobre la frecuencia y profundidad de la inspiración.Guyton y Hall: Tratado de fisiología médica, 12ª edición. Bases de la fisiología. Editorial Tebar, 2007.
La corteza cerebral tiene un papel en el control voluntario de la ventilación, dado que es posible realizar una hiperventilacíón o hipoventilación voluntaria durante cortos periodos de tiempo. Otras partes del cerebro como el sistema límbico y el hipotálamo pueden afectar el patrón de la respiración, por ejemplo en alteraciones emocionales.
Efectores (salidas)
Como actuadores del sistema respiratorio están el diafragma, los músculos intercostales, abdominales y los músculos accesorios. En el contexto del control de la ventilación es fundamental que estos grupos musculares trabajen conjuntamente en forma coordinada. Hay evidencias de que en algunos neonatos, en particular los prematuros, existe falta de coordinación en la actividad de los músculos respiratorios, en especial durante el sueño. Por ejemplo, los músculos torácicos pueden realizar el trabajo inspiratorio mientras los músculos abdominales efectúan el trabajo espiratorio.
Intercambio gaseoso