La respiración ( espiración [1] o ventilación ) es el proceso de mover aire hacia y desde los pulmones para facilitar el intercambio de gases con el ambiente interno , principalmente para eliminar el dióxido de carbono y traer oxígeno .
Todas las criaturas aeróbicas necesitan oxígeno para la respiración celular , que extrae energía de la reacción del oxígeno con las moléculas derivadas de los alimentos y produce dióxido de carbono como producto de desecho. La respiración, o respiración externa, lleva aire a los pulmones donde se produce el intercambio de gases en los alvéolos mediante difusión . El sistema circulatorio del cuerpo transporta estos gases hacia y desde las células, donde tiene lugar la respiración celular. [2] [3]
La respiración de todos los vertebrados con pulmones consiste en ciclos repetitivos de inhalación y exhalación a través de un sistema muy ramificado de tubos o vías respiratorias que van desde la nariz hasta los alvéolos. [4] El número de ciclos respiratorios por minuto es la respiración o frecuencia respiratoria , y es uno de los cuatro principales signos vitales de la vida. [5] En condiciones normales, la profundidad y la frecuencia de la respiración están controladas automática e inconscientemente por varios mecanismos homeostáticos que mantienen constantes las presiones parciales de dióxido de carbono y oxígeno en la sangre arterial. Mantener inalterada la presión parcial de dióxido de carbono en la sangre arterial en una amplia variedad de circunstancias fisiológicas contribuye significativamente a un control estricto del pH de los líquidos extracelulares (LEC). La respiración excesiva ( hiperventilación ) y la respiración insuficiente ( hipoventilación ), que disminuyen y aumentan la presión parcial arterial de dióxido de carbono respectivamente, provocan un aumento del pH del LEC en el primer caso y una disminución del pH en el segundo. Ambos causan síntomas angustiantes.
La respiración tiene otras funciones importantes. Proporciona un mecanismo para el habla , la risa y expresiones similares de las emociones. También se utiliza para reflejos como bostezar , toser y estornudar . Los animales que no pueden termorregularse mediante la transpiración , porque carecen de suficientes glándulas sudoríparas , pueden perder calor por evaporación a través del jadeo.
Los pulmones no son capaces de inflarse por sí solos, y sólo se expandirán cuando haya un aumento en el volumen de la cavidad torácica . [6] [7] En los seres humanos, como en otros mamíferos , esto se logra principalmente mediante la contracción del diafragma , pero también mediante la contracción de los músculos intercostales que tiran de la caja torácica hacia arriba y hacia afuera, como se muestra en los diagramas de la página. bien. [8] Durante la inhalación fuerte (Figura de la derecha), los músculos accesorios de la inhalación , que conectan las costillas y el esternón con las vértebras cervicales y la base del cráneo, en muchos casos a través de una unión intermedia a las clavículas , exageran el mango de la bomba y movimientos del mango del cubo (ver ilustraciones a la izquierda), provocando un mayor cambio en el volumen de la cavidad torácica. [8] Durante la exhalación (exhalación), en reposo, todos los músculos de la inhalación se relajan, devolviendo el pecho y el abdomen a una posición llamada "posición de reposo", que está determinada por su elasticidad anatómica. [8] En este punto, los pulmones contienen la capacidad residual funcional de aire, que, en el ser humano adulto, tiene un volumen de aproximadamente 2,5 a 3,0 litros. [8]
Durante la respiración pesada ( hiperpnea ), como por ejemplo durante el ejercicio, la exhalación se produce por la relajación de todos los músculos de la inhalación (al igual que en reposo), pero, además, los músculos abdominales, en lugar de ser pasivos. , ahora se contrae fuertemente provocando que la caja torácica se tire hacia abajo (frente y lados). [8] Esto no sólo disminuye el tamaño de la caja torácica sino que también empuja los órganos abdominales hacia arriba contra el diafragma, lo que en consecuencia sobresale profundamente en el tórax. El volumen pulmonar al final de la espiración es ahora menos aire que la "capacidad residual funcional" en reposo. [8] Sin embargo, en un mamífero normal, los pulmones no se pueden vaciar completamente. En un ser humano adulto, siempre queda al menos un litro de aire residual en los pulmones después de una exhalación máxima. [8]
La respiración diafragmática hace que el abdomen se abulte y retroceda rítmicamente. Por lo tanto, a menudo se la denomina "respiración abdominal". Estos términos suelen usarse indistintamente porque describen la misma acción.
Cuando se activan los músculos accesorios de la inhalación, especialmente durante la respiración dificultosa , las clavículas se tiran hacia arriba, como se explicó anteriormente. Esta manifestación externa del uso de los músculos accesorios de la inhalación a veces se denomina respiración clavicular y se observa especialmente durante los ataques de asma y en personas con enfermedad pulmonar obstructiva crónica .
Lo ideal es que el aire se exhale primero y luego se inhale por la nariz . Las cavidades nasales (entre las fosas nasales y la faringe ) son bastante estrechas, en primer lugar por estar divididas en dos por el tabique nasal , y en segundo lugar por paredes laterales que presentan varios pliegues longitudinales, o estantes, llamados cornetes nasales , [9] dejando así al descubierto una gran área de la membrana mucosa nasal al aire cuando se inhala (y exhala). Esto hace que el aire inhalado absorba la humedad del moco húmedo y el calor de los vasos sanguíneos subyacentes, de modo que el aire esté casi saturado con vapor de agua y esté casi a la temperatura corporal cuando llega a la laringe . [8] Parte de esta humedad y calor se recupera a medida que el aire exhalado sale sobre la mucosidad parcialmente seca y enfriada en los conductos nasales, durante la exhalación. El moco pegajoso también atrapa gran parte de las partículas que se respiran, impidiendo que lleguen a los pulmones. [8] [9]
La anatomía de un sistema respiratorio típico de un mamífero, debajo de las estructuras que normalmente figuran entre las "vías respiratorias superiores" (las cavidades nasales, la faringe y la laringe), a menudo se describe como un árbol respiratorio o árbol traqueobronquial (figura de la izquierda). Las vías respiratorias más grandes dan lugar a ramas que son ligeramente más estrechas, pero más numerosas que la vía aérea "troncal" que da origen a las ramas. El árbol respiratorio humano puede constar, en promedio, de 23 ramificaciones de este tipo en vías respiratorias progresivamente más pequeñas, mientras que el árbol respiratorio del ratón tiene hasta 13 de esas ramificaciones. Las divisiones proximales (las más cercanas a la copa del árbol, como la tráquea y los bronquios) funcionan principalmente para transmitir aire a las vías respiratorias inferiores. Las divisiones posteriores, como los bronquiolos respiratorios, los conductos alveolares y los alvéolos, están especializados en el intercambio de gases . [8] [10]
La tráquea y las primeras porciones de los bronquios principales se encuentran fuera de los pulmones. El resto del "árbol" se ramifica dentro de los pulmones y, en última instancia, se extiende a todas las partes de los pulmones .
Los alvéolos son las terminales ciegas del "árbol", lo que significa que cualquier aire que entre en ellos tiene que salir por el mismo camino por el que entró. Un sistema como este crea un espacio muerto , término que designa el volumen de aire que llena las vías respiratorias al final de la inhalación y se exhala, sin cambios, durante la siguiente exhalación, sin haber llegado nunca a los alvéolos. De manera similar, el espacio muerto se llena con aire alveolar al final de la exhalación, que es el primer aire que regresa a los alvéolos durante la inhalación, antes de cualquier aire fresco que le siga. El volumen del espacio muerto de un ser humano adulto típico es de unos 150 ml.
El objetivo principal de la respiración es refrescar el aire en los alvéolos para que pueda tener lugar el intercambio de gases en la sangre. El equilibrio de las presiones parciales de los gases en la sangre alveolar y el aire alveolar se produce por difusión . Después de exhalar, los pulmones humanos adultos todavía contienen entre 2,5 y 3 litros de aire, su capacidad residual funcional o FRC. Al inhalar, sólo se introducen unos 350 ml de aire atmosférico nuevo, cálido y humedecido, que se mezcla bien con el FRC. En consecuencia, la composición del gas del FRC cambia muy poco durante el ciclo respiratorio. Esto significa que la sangre capilar pulmonar siempre se equilibra con una composición de aire relativamente constante en los pulmones y la velocidad de difusión con los gases en sangre arterial permanece igualmente constante con cada respiración. Por lo tanto, los tejidos corporales no están expuestos a grandes oscilaciones en las tensiones de oxígeno y dióxido de carbono en la sangre causadas por el ciclo respiratorio, y los quimiorreceptores periféricos y centrales miden sólo cambios graduales en los gases disueltos. Por tanto, el control homeostático de la frecuencia respiratoria depende sólo de las presiones parciales de oxígeno y dióxido de carbono en la sangre arterial, que luego también mantiene un pH constante de la sangre. [8]
La frecuencia y la profundidad de la respiración son controladas automáticamente por los centros respiratorios que reciben información de los quimiorreceptores periféricos y centrales . Estos quimiorreceptores monitorean continuamente las presiones parciales de dióxido de carbono y oxígeno en la sangre arterial. El primero de estos sensores son los quimiorreceptores centrales situados en la superficie del bulbo raquídeo del tronco del encéfalo , que son especialmente sensibles al pH , así como a la presión parcial del dióxido de carbono en la sangre y el líquido cefalorraquídeo . [8] El segundo grupo de sensores mide la presión parcial de oxígeno en la sangre arterial. En conjunto, estos últimos se conocen como quimiorreceptores periféricos y están situados en los cuerpos aórtico y carotídeo . [8] La información de todos estos quimiorreceptores se transmite a los centros respiratorios en el puente y el bulbo raquídeo , que responde a las fluctuaciones en las presiones parciales de dióxido de carbono y oxígeno en la sangre arterial ajustando la frecuencia y la profundidad de la respiración, de tal manera una manera de restablecer la presión parcial de dióxido de carbono a 5,3 kPa (40 mm Hg), el pH a 7,4 y, en menor medida, la presión parcial de oxígeno a 13 kPa (100 mm Hg). [8] Por ejemplo, el ejercicio aumenta la producción de dióxido de carbono por parte de los músculos activos. Este dióxido de carbono se difunde hacia la sangre venosa y finalmente aumenta la presión parcial del dióxido de carbono en la sangre arterial. Esto es inmediatamente detectado por los quimiorreceptores de dióxido de carbono en el tronco del encéfalo. Los centros respiratorios responden a esta información haciendo que la frecuencia y la profundidad de la respiración aumenten hasta tal punto que las presiones parciales de dióxido de carbono y oxígeno en la sangre arterial regresan casi inmediatamente a los mismos niveles que en reposo. Los centros respiratorios se comunican con los músculos respiratorios a través de nervios motores, de los cuales los nervios frénicos , que inervan el diafragma, son probablemente los más importantes. [8]
La respiración automática puede anularse hasta cierto punto mediante una simple elección o para facilitar la natación , el habla , el canto u otro entrenamiento vocal . Es imposible suprimir la necesidad de respirar hasta el punto de la hipoxia, pero el entrenamiento puede aumentar la capacidad de contener la respiración. Se ha demostrado que las prácticas de respiración consciente promueven la relajación y el alivio del estrés, pero no se ha demostrado que tengan otros beneficios para la salud. [11]
También existen otros reflejos de control automático de la respiración. La inmersión, particularmente de la cara, en agua fría, desencadena una respuesta llamada reflejo de inmersión . [12] [13] Esto tiene el resultado inicial de cerrar las vías respiratorias contra la entrada de agua. La tasa metabólica se ralentiza. A esto se le suma una intensa vasoconstricción de las arterias de las extremidades y vísceras abdominales, reservando el oxígeno que hay en la sangre y los pulmones al inicio de la inmersión casi exclusivamente para el corazón y el cerebro. [12] El reflejo de buceo es una respuesta de uso frecuente en animales que rutinariamente necesitan bucear, como pingüinos, focas y ballenas. [14] [15] También es más eficaz en bebés y niños muy pequeños que en adultos. [dieciséis]
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El aire inhalado tiene un volumen de 78% de nitrógeno , 20,95% de oxígeno y pequeñas cantidades de otros gases, incluidos argón , dióxido de carbono, neón , helio e hidrógeno . [17]
El gas exhalado tiene entre un 4% y un 5% en volumen de dióxido de carbono, aproximadamente 100 veces más que la cantidad inhalada. El volumen de oxígeno se reduce aproximadamente una cuarta parte, entre un 4% y un 5%, del volumen total de aire. La composición típica es: [18]
Además de aire, los buceadores que practican buceo técnico pueden respirar mezclas de gases respirables ricas en oxígeno, pobres en oxígeno o ricas en helio . A veces se administra oxígeno y gases analgésicos a los pacientes bajo atención médica. La atmósfera de los trajes espaciales es oxígeno puro. Sin embargo, esto se mantiene en alrededor del 20% de la presión atmosférica terrestre para regular la tasa de inspiración. [ cita necesaria ]
La presión atmosférica disminuye con la altura sobre el nivel del mar (altitud) y dado que los alvéolos están abiertos al aire exterior a través de las vías respiratorias abiertas, la presión en los pulmones también disminuye al mismo ritmo con la altitud. En altitud, todavía se requiere un diferencial de presión para impulsar el aire dentro y fuera de los pulmones como ocurre al nivel del mar. El mecanismo para respirar en altitud es esencialmente idéntico al de respirar al nivel del mar pero con las siguientes diferencias:
La presión atmosférica disminuye exponencialmente con la altitud, reduciéndose aproximadamente a la mitad con cada 5.500 metros (18.000 pies) de aumento de altitud. [23] Sin embargo, la composición del aire atmosférico es casi constante por debajo de los 80 km, debido al efecto continuo de mezcla del clima. [24] Por lo tanto , la concentración de oxígeno en el aire (mmol O 2 por litro de aire) disminuye al mismo ritmo que la presión atmosférica. [24] Al nivel del mar, donde la presión ambiental es de aproximadamente 100 kPa , el oxígeno constituye el 21% de la atmósfera y la presión parcial de oxígeno ( PO 2 ) es de 21 kPa (es decir, el 21% de 100 kPa). En la cima del monte Everest , a 8.848 metros (29.029 pies), donde la presión atmosférica total es de 33,7 kPa, el oxígeno constituye todavía el 21% de la atmósfera pero su presión parcial es sólo de 7,1 kPa (es decir, el 21% de 33,7 kPa = 7,1 kPa). . [24] Por lo tanto, se debe inhalar un mayor volumen de aire en altitud que al nivel del mar para poder respirar la misma cantidad de oxígeno en un período determinado.
Durante la inhalación, el aire se calienta y se satura con vapor de agua a medida que pasa por la nariz y la faringe antes de ingresar a los alvéolos. La presión de vapor saturado del agua depende únicamente de la temperatura; a una temperatura corporal central de 37 °C es de 6,3 kPa (47,0 mmHg), independientemente de otras influencias, incluida la altitud. [25] En consecuencia, al nivel del mar, el aire traqueal (inmediatamente antes de que el aire inhalado entre en los alvéolos) se compone de: vapor de agua ( P H 2 O = 6,3 kPa), nitrógeno ( P N 2 = 74,0 kPa), oxígeno ( P O 2 = 19,7 kPa) y trazas de dióxido de carbono y otros gases, un total de 100 kPa. En aire seco, la P O 2 al nivel del mar es de 21,0 kPa, en comparación con una P O 2 de 19,7 kPa en el aire traqueal (21% de [100 – 6,3] = 19,7 kPa). En la cima del Monte Everest el aire traqueal tiene una presión total de 33,7 kPa, de los cuales 6,3 kPa es vapor de agua, lo que reduce la P O 2 en el aire traqueal a 5,8 kPa (21% de [33,7 – 6,3] = 5,8 kPa), más allá de lo que se debe a una reducción de la presión atmosférica únicamente (7,1 kPa).
El gradiente de presión que fuerza el aire hacia los pulmones durante la inhalación también se reduce con la altitud. Duplicar el volumen de los pulmones reduce a la mitad la presión en los pulmones a cualquier altitud. Teniendo la presión del aire al nivel del mar (100 kPa) se obtiene un gradiente de presión de 50 kPa pero haciendo lo mismo a 5500 m, donde la presión atmosférica es de 50 kPa, al duplicar el volumen de los pulmones se obtiene un gradiente de presión del único. 25kPa. En la práctica, debido a que respiramos de una manera suave y cíclica que genera gradientes de presión de sólo 2 a 3 kPa, esto tiene poco efecto sobre la tasa real de flujo de entrada a los pulmones y se compensa fácilmente respirando un poco más profundamente. [26] [27] La menor viscosidad del aire en altitud permite que el aire fluya más fácilmente y esto también ayuda a compensar cualquier pérdida de gradiente de presión.
Todos los efectos anteriores de la baja presión atmosférica en la respiración normalmente se solucionan aumentando el volumen minuto respiratorio (el volumen de aire inhalado o exhalado por minuto), y el mecanismo para hacerlo es automático. El aumento exacto requerido está determinado por el mecanismo homeostático de los gases respiratorios , que regula la P O 2 y la P CO 2 arteriales . Este mecanismo homeostático prioriza la regulación de la P CO 2 arterial sobre la del oxígeno a nivel del mar. Es decir, al nivel del mar la PCO 2 arterial se mantiene muy cerca de 5,3 kPa (o 40 mmHg) en una amplia gama de circunstancias, a expensas de la PO 2 arterial , a la que se le permite variar dentro de un intervalo de tiempo . rango muy amplio de valores, antes de provocar una respuesta ventilatoria correctiva. Sin embargo, cuando la presión atmosférica (y por tanto la P O 2 atmosférica ) cae por debajo del 75% de su valor al nivel del mar, se da prioridad a la homeostasis del oxígeno sobre la homeostasis del dióxido de carbono. Este cambio se produce a una altura de unos 2.500 metros (8.200 pies). Si este cambio se produce de forma relativamente abrupta, la hiperventilación a gran altura provocará una caída severa de la PCO 2 arterial con el consiguiente aumento del pH del plasma arterial que conducirá a la alcalosis respiratoria . Este es uno de los factores que contribuyen al mal de altura . Por otro lado, si el cambio a la homeostasis del oxígeno es incompleto, la hipoxia puede complicar el cuadro clínico con resultados potencialmente fatales.
La presión aumenta con la profundidad del agua a razón de aproximadamente una atmósfera (un poco más de 100 kPa, o un bar , por cada 10 metros). El aire que respiran los buzos bajo el agua está a la presión ambiental del agua circundante y esto tiene una compleja gama de implicaciones fisiológicas y bioquímicas. Si no se maneja adecuadamente, respirar gases comprimidos bajo el agua puede provocar varios trastornos del buceo que incluyen barotrauma pulmonar , enfermedad por descompresión , narcosis por nitrógeno y toxicidad por oxígeno . Los efectos de respirar gases bajo presión se complican aún más por el uso de una o más mezclas de gases especiales .
El aire lo proporciona un regulador de buceo , que reduce la alta presión en un cilindro de buceo a la presión ambiental. El rendimiento respiratorio de los reguladores es un factor a la hora de elegir un regulador adecuado para el tipo de buceo que se va a realizar. Es deseable que respirar desde un regulador requiera poco esfuerzo incluso cuando se suministran grandes cantidades de aire. También se recomienda que suministre aire suavemente sin cambios bruscos de resistencia al inhalar o exhalar. En el gráfico de la derecha, observe el aumento inicial de presión al exhalar para abrir la válvula de escape y que la caída inicial de presión al inhalar pronto se supera gracias al efecto Venturi diseñado en el regulador para permitir una fácil aspiración de aire. Muchos reguladores tienen un ajuste para cambiar la facilidad de inhalación para que la respiración sea sin esfuerzo.
Los patrones respiratorios anormales incluyen la respiración de Kussmaul , la respiración de Biot y la respiración de Cheyne-Stokes .
Otros trastornos respiratorios incluyen dificultad para respirar (disnea), estridor , apnea , apnea del sueño (más comúnmente apnea obstructiva del sueño ), respiración bucal y ronquidos . Muchas condiciones están asociadas con la obstrucción de las vías respiratorias. La respiración bucal crónica puede estar asociada con enfermedades. [28] [29] La hipopnea se refiere a una respiración demasiado superficial ; La hiperpnea se refiere a la respiración rápida y profunda provocada por una demanda de más oxígeno, como por ejemplo durante el ejercicio. Los términos hipoventilación e hiperventilación también se refieren a la respiración superficial y a la respiración rápida y profunda, respectivamente, pero en circunstancias o enfermedades inapropiadas. Sin embargo, esta distinción (entre, por ejemplo, hiperpnea e hiperventilación) no siempre se cumple, por lo que estos términos se utilizan frecuentemente indistintamente. [30]
Se pueden utilizar diversas pruebas de aliento para diagnosticar enfermedades como las intolerancias dietéticas. Un rinomanómetro utiliza tecnología acústica para examinar el flujo de aire a través de los conductos nasales. [31]
La palabra espíritu proviene del latín Spiritus , que significa aliento. Históricamente, la respiración ha sido considerada a menudo en términos del concepto de fuerza vital. La Biblia hebrea se refiere a que Dios infundió aliento de vida en el barro para hacer de Adán un alma viviente ( nephesh ). También se refiere al aliento que regresa a Dios cuando un mortal muere. Los términos espíritu, prana , mana polinesio , ruach hebreo y psique en psicología están relacionados con el concepto de respiración. [32]
En el tai chi , el ejercicio aeróbico se combina con ejercicios de respiración para fortalecer los músculos del diafragma , mejorar la postura y aprovechar mejor el qi del cuerpo . Diferentes formas de meditación y yoga abogan por varios métodos de respiración. Buda introdujo por primera vez una forma de meditación budista llamada anapanasati , que significa atención plena a la respiración . Las disciplinas de la respiración se incorporan a la meditación, ciertas formas de yoga como el pranayama y el método Buteyko como tratamiento para el asma y otras afecciones. [33]
En música, algunos intérpretes de instrumentos de viento utilizan una técnica llamada respiración circular . Los cantantes también dependen del control de la respiración .
Las expresiones culturales comunes relacionadas con la respiración incluyen: "recuperar el aliento", "me dejó sin aliento", "inspiración", "expirar", "recuperar el aliento".
Ciertos patrones de respiración tienden a ocurrir con ciertos estados de ánimo. Debido a esta relación, practicantes de diversas disciplinas consideran que pueden favorecer la aparición de un determinado estado de ánimo adoptando el patrón de respiración con el que más comúnmente se produce en conjunto. Por ejemplo, y quizás la recomendación más común es que una respiración más profunda, que utiliza más el diafragma y el abdomen, puede fomentar la relajación. [11] [34] Los profesionales de diferentes disciplinas a menudo interpretan la importancia de la regulación de la respiración y su influencia percibida en el estado de ánimo de diferentes maneras. Los budistas pueden considerar que ayuda a precipitar una sensación de paz interior, los curanderos holísticos que fomenta un estado general de salud [35] y los asesores comerciales que proporciona alivio del estrés laboral.
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Durante el ejercicio físico se adapta un patrón de respiración más profundo para facilitar una mayor absorción de oxígeno. Una razón adicional para adoptar un patrón de respiración más profundo es fortalecer el núcleo del cuerpo. Durante el proceso de respiración profunda, el diafragma torácico adopta una posición más baja en el core y esto ayuda a generar presión intraabdominal que fortalece la columna lumbar. [36] Por lo general, esto permite realizar movimientos físicos más poderosos. Como tal, con frecuencia se recomienda al levantar pesas pesadas respirar profundamente o adoptar un patrón de respiración más profundo.
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Medios relacionados con la respiración humana en Wikimedia Commons
Citas relacionadas con la respiración en Wikiquote.svg/1280px-Ashley_Garcia_-_Wikipedia_Digital_Diagram_(1).svg.png)