Este artículo forma parte de la sección The Conversation Júnior, en la que especialistas de las principales universidades y centros de investigación contestan a las dudas de jóvenes curiosos de entre 12 y 16 años. Podéis enviar vuestras preguntas a tcesjunior@theconversation.com.
Pregunta de Alba, de 13 años. IES Manuel Romero. Villanueva de la Concepción (Málaga).
Esta es una de esas frases que uno no sabe si escribirla de forma interrogativa (para convertirla en pregunta) o exclamativa (a modo de queja). Ciertamente, sería interesantísimo poder sumergirnos y bucear despreocupados, disfrutando de los increíbles tesoros del mundo submarino.
Cuestión de branquias
Por desgracia, los seres humanos no podemos respirar sin apoyos artificiales bajo el agua. La respuesta rápida sería que esto sucede sencillamente porque tenemos pulmones. O, dicho de otro modo, porque carecemos de las estructuras anatómicas necesarias para extraer oxígeno de manera eficiente del medio acuoso.
Esas estructuras reciben el nombre de branquias y sí están presentes, por ejemplo, en los peces. También existen otras alternativas para respirar bajo el agua que pueden observarse en invertebrados poco activos y con necesidades de oxígeno bajas.
El funcionamiento del sistema branquial es más o menos sencillo si lo comparamos con el de nuestro sistema respiratorio. Los peces abren la boca para tragar agua y la dejan salir por los laterales de su cuerpo.
En el caso de los peces cartilaginosos (como los tiburones, las rayas o las mantas), el proceso se realiza a través de las llamadas hendiduras branquiales. El resto, los conocidos como peces óseos (las sardinas, los boquerones, las truchas o las merluzas, por ejemplo), expulsan el agua por los opérculos laterales, una estructura a modo de lengüeta que tapa y protege las branquias y que, normalmente, marca el límite trasero de la cabeza.
Tanto si son peces óseos como cartilaginosos, el agua siempre atraviesa los arcos branquiales, unas estructuras sobre las que se disponen unas laminillas con capacidad para extraer eficazmente el oxígeno disuelto en el agua. Si nos fijamos, el recorrido del agua aquí es unidireccional: entra por la boca cargada de oxígeno y sale por los laterales del cuerpo arrastrando consigo el dióxido de carbono.
Por qué nuestros pulmones no valen para eso
El funcionamiento de nuestro sistema respiratorio es totalmente distinto, por lo que nuestros pulmones se encuentran con dos grandes limitaciones para poder respirar bajo el agua.
La primera, y más determinante, es que son incapaces de extraer de forma eficiente el oxígeno del agua. Podríamos pensar que ésta contiene mucho oxígeno, pues en su estructura molecular encontramos dos átomos de hidrógeno por cada átomo de oxígeno (por eso la representamos como H₂O). El problema es que ese oxígeno no es accesible ni para nosotros ni para los peces.
El oxígeno que necesitamos es el que se conoce como oxígeno molecular (representado como O₂) y que está presente tanto en el aire (a una concentración del 21%) como en el agua (en una proporción de en torno al 1% si lo comparamos con el mismo volumen de aire). Pues bien, nuestros pulmones no pueden acceder de forma eficiente al O₂ del agua, mientras que el intrincado diseño de los filamentos branquiales sí es capaz de extraer el 80% de ese oxígeno disuelto.
El segundo problema con el que tendrían que lidiar nuestros pulmones es, precisamente, la densidad del agua. En el supuesto de que pudiéramos obtener oxígeno suficiente directamente de ella, el recorrido es bidireccional, lo que significa que el agua debería entrar y salir por el mismo sitio (como lo hace el aire). Nuestro sistema respiratorio no tiene fuerza suficiente para movilizar todo este líquido y los pulmones quedarían rápidamente encharcados por agua pobre en oxígeno.
En cambio, el aire es muy ligero y podemos hacerlo circular sin problemas mediante la respiración pulmonar, a través de inspiraciones y espiraciones cíclicas (recuerda que es muy importante escribir “espirar” con “s”; si lo escribes con “x” quiere decir “morirse”).
Intercambio de gases en los alveolos
Cuando el aire entra por las fosas nasales (preferentemente) o por la boca, atraviesa la faringe y la laringe y es conducido por la tráquea, los bronquios y los bronquiolos hasta el interior de los pulmones. Allí llega al interior de unas estructuras huecas, a modo de sacos, conocidas como alveolos (hay unos 300 millones de media por pulmón).
Las paredes de estos alveolos están recubiertas por una única capa muy fina de células en estrecho contacto con los capilares sanguíneos. La concentración de O₂ en el aire es tan elevada que atraviesa sin dificultad las membranas celulares hacia la sangre para tratar de equilibrar la presión parcial a uno y otro lado de las mismas (entre el aire y la sangre).
Y lo mismo pasa con el dióxido de carbono, pero en sentido inverso: se moviliza desde la sangre hacia el aire del interior de los alveolos para ser expulsado en la siguiente espiración.
En cada ciclo respiratorio hacemos entrar y salir de los pulmones aire (entre 5 y 6 litros por minuto), renovándolo continuamente y asegurando el suministro de oxígeno a nuestro cuerpo.
Las ballenas o los delfines tampoco pueden respirar bajo el agua
Pero esto no es exclusivo de los seres humanos. De hecho, nuestro sistema respiratorio es muy similar al del resto de amniotas, palabreja que usamos para designar a todos los vertebrados cuyo embrión se desarrolla flotando en líquido amniótico gracias a una capa que lo rodea llamada amnios; es decir, reptiles, aves y mamíferos. Ni siquiera los mamíferos marinos (como las ballenas o los delfines) pueden respirar bajo el agua, teniendo que subir con mayor o menor frecuencia a superficie para abastecerse de oxígeno.
Los anfibios se encuentran a medio camino entre un sistema y otro. De hecho, la mayoría de los ejemplares juveniles viven en el medio acuoso respirando con branquias que perderán de adultos para dar paso a unos pulmones rudimentarios que necesitan el apoyo de la respiración cutánea. Por eso tienen la piel viscosa.
Carlos Jerez del Valle, profesor de Ciencias Experimentales en el Centro de Magisterio La Inmaculada (adscrito a la Universidad de Granada), UNIR - Universidad Internacional de La Rioja.
El museo interactivo Parque de las Ciencias de Andalucía colabora en la sección The Conversation Júnior.
