CN.B.5.4.5. Usar modelos y describir los sistemas circulatorio y respiratorio en el ser humano, y establecer la relación funcional entre ellos, la cual mantiene el equilibrio homeostático.
Profesor: Marcelo Amores Palma
En reposo, sin correr ni hablar, tu cuerpo respira de manera constante y rítmica. Cada inspiración y cada espiración parecen actos simples, casi automáticos, pero en realidad responden a un control fisiológico preciso que se ajusta segundo a segundo a las necesidades del organismo. Antes de avanzar, conviene recuperar una experiencia cercana: ¿cuántas veces respiras por minuto cuando estás en calma y por qué ese número no es igual en todas las personas ni en todas las situaciones? A partir de esta observación cotidiana surge una idea que desafía lo evidente. La respiración no se limita al movimiento del aire que entra y sale de los pulmones. Junto a los fenómenos mecánicos intervienen procesos químicos complejos que permiten el transporte de gases en la sangre y el funcionamiento celular. Reconocer esta doble dimensión —mecánica y química— es clave para comprender la relación funcional entre los sistemas respiratorio y circulatorio y su papel en el mantenimiento del equilibrio homeostático.
La respiración es una función mediante la cual el oxígeno penetra en el organismo para cumplir con el papel a él encomendado. Este oxígeno puede provenir directamente del aire o indirectamente de cuerpos que lo contengan.
En el organismo humano, la respiración consta de dos partes: una encargada de llevar el oxígeno desde la atmósfera hasta los pulmones, y otra que consiste en el paso del oxígeno de los pulmones a la sangre y luego a los tejidos.
El aire penetra en el aparato respiratorio, comparable a un recipiente de forma cónica, cuyo vértice se encuentra en las fosas nasales, y su base, amplia, a nivel de los alvéolos pulmonares. El aire circula en su interior para luego salir por el mismo orificio, pero la velocidad que lleva es diferente en el vértice estrecho –en donde es mayor– que en la base amplia –en donde es menor–. De esto se deduce que el aire, al circular con mayor velocidad, es más puro que al circular con lentitud. Esto le permite realizar los intercambios gaseosos propios de la respiración.
Factores que influyen en la respiración
Elasticidad pulmonar
propiedad del pulmón de variar el volumen.
Solidaridad entre la caja torácica y los pulmones
la caja torácica es cerrada, alberga a los pulmones y se relaciona íntimamente con ellos.
Entre las paredes, existe una cavidad formada por la pleura, que favorece el deslizamiento.
Movimientos del tórax y de los pulmones
los movimientos de la caja torácica, debidos a las contracciones de los músculos que en ella se insertan, hacen posible los movimientos de los pulmones, con el fin de agrandarlos o reducirlos de volumen.
En la respiración se realizan dos clases de fenómenos: mecánicos y químicos.
Fenómenos mecánicos
La penetración del aire desde el exterior hasta la intimidad de los pulmones y luego su salida es un acto esencialmente mecánico, que comprende dos fases: la inspiración y la espiración.
Inspiración
Se entiende por inspiración el paso del oxígeno del aire desde el exterior hasta el parénquima pulmonar. Este acto mecánico se realiza debido a la ampliación del volumen pulmonar, lo cual es posible gracias a las contracciones de los músculos respiratorios que dilatan la cavidad torácica. Al aumentar el volumen del pulmón, el aire externo penetra con facilidad.
Espiración
Es el acto por el cual el aire sale desde el interior del pulmón hasta el exterior. Es un movimiento pasivo resultante del retorno del tórax y de los pulmones a su posición primitiva, de la que habían salido debido al trabajo muscular determinante de la inspiración. Así, la espiración es netamente pasiva y consiste en la expulsión del aire contenido en los alvéolos pulmonares. La unión de la inspiración con la espiración forma la respiración, traducida al exterior por movimientos periódicos de la caja torácica. La inspiración es más larga que la espiración. En una persona normal adulta, las respiraciones son de 16 a 18 por minuto. El número de respiraciones varía con la edad y con el ejercicio. Los órganos en actividad respiran más que en reposo. De día la respiración es muy activa; de noche, en el sueño, es más lenta. En el niño es mayor que en el adulto.
Modificaciones de los órganos vecinos en la respiración
Sincrónicamente con los movimientos anotados de la respiración, se presentan determinados movimientos de los órganos vecinos, ya sean respiratorios o digestivos. Así, las ventanas de la nariz se abren en la inspiración y se cierran en la espiración. La faringe realiza los mismos movimientos que en la deglución ; la laringe desciende en la inspiración y dilata la glotis para ascender y estrechar la glotis en la espiración. La tráquea realiza los mismos movimientos que la laringe; los bronquiolos aumentan su capacidad en la inspiración y la disminuyen en la espiración.
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filter, lag
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intersect, setdiff, setequal, union
# -------------------------------# Aire inspirado# -------------------------------aire_inspirado<-data.frame( Unidad =1:100, Gas =c(rep("CO2", 1),rep("O2", 20),rep("N2", 79)), Estado ="Aire inspirado")# -------------------------------# Aire espirado# -------------------------------aire_espirado<-aire_inspirado%>%mutate( Gas =case_when(Unidad%in%1:5~"CO2",Unidad%in%6:21~"O2",TRUE~"N2"), Estado ="Aire espirado")# Unir datosdatos<-bind_rows(aire_inspirado, aire_espirado)# Orden lógico de lectura (paneles)datos$Estado<-factor(datos$Estado, levels =c("Aire inspirado", "Aire espirado"))# ORDEN QUÍMICO DE LOS GASES (clave)datos$Gas<-factor(datos$Gas, levels =c("N2", "O2", "CO2"))# Posiciones fijas (10 × 10)datos<-datos%>%mutate( x =(Unidad-1)%%10, y =10-((Unidad-1)%/%10))# -------------------------------# Etiquetas centradas por gas# -------------------------------etiquetas<-datos%>%group_by(Estado, Gas)%>%summarise( x =mean(x), y =mean(y), porcentaje =n(), .groups ="drop")%>%mutate( etiqueta =paste0(porcentaje, " %"))# -------------------------------# Gráfico# -------------------------------ggplot(datos, aes(x, y, fill =Gas))+geom_tile(color ="white")+geom_text( data =etiquetas,aes(x, y, label =etiqueta), inherit.aes =FALSE, size =4, fontface ="bold")+facet_wrap(~Estado, ncol =2)+coord_equal()+scale_x_continuous(expand =c(0, 0))+scale_y_continuous(expand =c(0, 0))+scale_fill_manual( values =c("N2"="#B7C9D3","O2"="#4DA3FF","CO2"="#E4572E"), labels =c(expression("Nitrógeno, "*N[2]),expression("Oxígeno, "*O[2]),expression("Dióxido de carbono, "*CO[2])))+labs( title ="Composición del aire antes y después de la respiración", subtitle ="Cada cuadrado representa el uno por ciento del volumen de aire", fill ="Gases del aire")+theme_minimal(base_size =13)+theme( plot.title =element_text(face ="bold", hjust =0.5), plot.subtitle =element_text(hjust =0.5), axis.title =element_blank(), axis.text =element_blank(), axis.ticks =element_blank(), panel.grid =element_blank(), legend.position ="bottom")
El aire atmosférico se compone de: veinte partes de oxígeno, setenta y nueve de nitrógeno, pequeña cantidad de anhídrido carbónico, vapor de agua y gases raros. Después de la respiración, el aire modifica su cantidad de oxígeno, la que disminuye a 16 partes y aumenta el anhídrido carbónico, sin alterar la cantidad de nitrógeno. Esto nos demuestra que en el proceso respiratorio se han realizado transformaciones químicas, producidas entre los elementos del aire de la respiración por una parte, y los de la sangre —que llega a los pulmones— por otra, al ponerse en contacto.
El intercambio gaseoso entre estos elementos obedece a ciertas leyes físicas como las de diferencia tensional de los gases, ley de difusión de los gases, entre otras. El oxígeno del aire a nivel de los alvéolos tiene mayor tensión que en la sangre venosa. Por otra parte, el anhídrido carbónico de la sangre venosa se encuentra a gran presión.
Estos dos elementos gaseosos están separados solo por las paredes endoteliales de los alvéolos y de los capilares, a través de los cuales se realizan fenómenos osmóticos, con el objeto de igualar las dos presiones; pasa el gas que se encuentra a mayor presión hacia el lugar de menor presión, así como el oxígeno del aire llega a la sangre y el anhídrido carbónico sale de ella. Lo anterior corresponde al fenómeno denominado hematosis pulmonar. Esto es posible debido a que los glóbulos rojos de la sangre poseen una sustancia, la hemoglobina, caracterizada por su avidez de oxígeno, debido al hierro que contiene. Al contacto con el oxígeno, la hemogoblina se transforma en un compuesto llamado oxihemoglobina, sustancia inestable que al ponerse en contacto con las células del endotelio capilar, cede su oxígeno y recibe el CO2 proveniente de la desasimilación celular, como residuo de las combustiones, y se transforma en carboxihemoglobina. Esto se manifiesta por el cambio en la coloración de la sangre: de roja viva se hace roja negruzca.
El anhídrido carbónico sigue la circulación venosa, y busca su salida por la arteria pulmonar hacia los alvéolos pulmonares. Por ello, esta arteria es la única del organismo que conduce sangre venosa. Una vez realizado el fenómeno de la hematosis, la sangre purificada regresa al corazón por intermedio de las venas pulmonares. Estas venas son las únicas que, como tales, conducen sangre arterial. Y sigue un nuevo ciclo.
library(ggplot2)delta_p<-seq(0, 100, by =5)flujo<-delta_p*0.8datos<-data.frame( Diferencia_presion =delta_p, Flujo_O2 =flujo)ggplot(datos, aes(x =Diferencia_presion, y =Flujo_O2))+geom_line(linewidth =1.2, color ="#4DA3FF")+geom_point(size =2, color ="#4DA3FF")+labs( title =expression("Modelo de difusión de oxígeno ("*O[2]*")"), subtitle ="Relación proporcional según la ley de Fick", x =expression("Diferencia de presión parcial de "*O[2]*" (mmHg)"), y =expression("Flujo relativo de "*O[2]))+theme_minimal(base_size =13)+theme( plot.title =element_text(face ="bold", hjust =0.5), plot.subtitle =element_text(hjust =0.5))
Este gráfico representa un modelo matemático simplificado de la ley de Fick aplicado al sistema respiratorio. Muestra que el flujo de oxígeno a través de la membrana alveolo-capilar es directamente proporcional a la diferencia de presión parcial entre el aire alveolar y la sangre. El modelo permite comprender cómo cambios en el gradiente de concentración afectan la eficiencia del intercambio gaseoso.
El estudio integrado de la respiración y la circulación revela que cada movimiento respiratorio desencadena una cadena de procesos físicos y químicos que se extienden desde los pulmones hasta las células. La sangre actúa como un medio de transporte especializado, regulado por reacciones químicas que permiten captar oxígeno y eliminar dióxido de carbono de forma eficiente. Esta coordinación explica por qué cambios en la frecuencia respiratoria o en la circulación afectan directamente al funcionamiento del organismo.
Comprender estos mecanismos abre nuevas posibilidades de análisis: cómo se adaptan estos procesos al ejercicio, a la altura, a la edad o a distintas condiciones de salud, y de qué manera pequeños cambios pueden tener efectos significativos en el equilibrio interno. Explorar estas relaciones con mayor profundidad permite avanzar hacia una comprensión más fina y aplicada del cuerpo humano, manteniendo viva la curiosidad científica y el interés por seguir investigando cómo funcionan, en conjunto, los sistemas que sostienen la vida.
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