La respiración ( espiración [1] o ventilación ) es el proceso rítmico de mover aire dentro ( inhalación ) y fuera ( exhalación ) de 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 a través de la 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 frecuencia respiratoria y es uno de los cuatro signos vitales primarios de la vida. [5] En condiciones normales, la profundidad y la frecuencia respiratoria están controladas de forma automática e inconsciente por varios mecanismos homeostáticos que mantienen constantes las presiones parciales de dióxido de carbono y oxígeno en la sangre arterial. Mantener la presión parcial de dióxido de carbono en la sangre arterial sin cambios en una amplia variedad de circunstancias fisiológicas contribuye significativamente al control estricto del pH de los fluidos extracelulares (ECF). La respiración excesiva ( hiperventilación ) aumenta la presión parcial arterial de dióxido de carbono, lo que provoca un aumento del pH del ECF. La respiración insuficiente ( hipoventilación ), por otro lado, disminuye la presión parcial arterial de dióxido de carbono y reduce el pH del ECF. 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 se expandirán solo cuando haya un aumento en el volumen de la cavidad torácica . [6] [7] En los humanos, como en los otros mamíferos , esto se logra principalmente a través de la contracción del diafragma , pero también por 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 derecha. [8] Durante la inhalación enérgica (Figura de la derecha) los músculos accesorios de la inhalación , que conectan las costillas y el esternón a las vértebras cervicales y la base del cráneo, en muchos casos a través de una unión intermedia con las clavículas , exageran los movimientos del mango de la bomba y del mango del cubo (ver ilustraciones de la izquierda), lo que produce 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]
En caso de respiración intensa ( hiperpnea ), como por ejemplo durante el ejercicio, la exhalación se produce por la relajación de todos los músculos de la inhalación (de la misma manera que en reposo), pero, además, los músculos abdominales, en lugar de estar pasivos, se contraen fuertemente, lo que hace que la caja torácica se dirija hacia abajo (por delante y por los lados). [8] Esto no sólo reduce el tamaño de la caja torácica, sino que también empuja los órganos abdominales hacia arriba contra el diafragma, que en consecuencia se abulta profundamente en el tórax. El volumen pulmonar al final de la exhalación es ahora menor que la "capacidad residual funcional" en reposo. [8] Sin embargo, en un mamífero normal, los pulmones no se pueden vaciar por completo. En un ser humano adulto, siempre queda al menos un litro de aire residual en los pulmones después de la exhalación máxima. [8]
La respiración diafragmática hace que el abdomen se hinche y se retraiga rítmicamente. Por eso, a menudo se la denomina "respiración abdominal". Estos términos se suelen utilizar indistintamente porque describen la misma acción.
Cuando se activan los músculos accesorios de la inhalación, especialmente durante la respiración dificultosa , las clavículas se elevan, 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 se inhale después por la nariz . Las cavidades nasales (entre las fosas nasales y la faringe ) son bastante estrechas, en primer lugar porque están divididas en dos por el tabique nasal y, en segundo lugar, por unas paredes laterales que tienen varios pliegues longitudinales, o estantes, llamados cornetes nasales , [9] lo que expone una gran área de la mucosa nasal al aire cuando se inhala (y se exhala). Esto hace que el aire inhalado absorba la humedad de la mucosidad húmeda y el calor de los vasos sanguíneos subyacentes, de modo que el aire está casi saturado de vapor de agua y está casi a temperatura corporal cuando llega a la laringe . [8] Parte de esta humedad y calor se recupera a medida que el aire exhalado se desplaza sobre la mucosidad parcialmente seca y enfriada en los conductos nasales, durante la exhalación. La mucosidad pegajosa también atrapa gran parte de la materia particulada que se inhala, evitando que llegue a los pulmones. [8] [9]
La anatomía de un sistema respiratorio típico de mamíferos, por debajo de las estructuras que normalmente se enumeran entre las "vías respiratorias superiores" (las cavidades nasales, la faringe y la laringe), se describe a menudo 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 respiratoria "troncal" que da lugar 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 ramificaciones de este tipo. Las divisiones proximales (las más cercanas a la parte superior 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 especializadas para 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, finalmente, se extiende a todas las partes de los pulmones .
Los alvéolos son las terminales ciegas del "árbol", lo que significa que todo el aire que entra en ellos tiene que salir por el mismo camino por el que entró. Un sistema como este crea un espacio muerto , un término que designa el volumen de aire que llena las vías respiratorias al final de la inhalación y que 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 se vuelve a inhalar en 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 renovar 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 2,5-3 L de aire, su capacidad residual funcional o CRF. Al inhalar, solo se introducen alrededor de 350 mL de aire atmosférico nuevo, cálido y humedecido que se mezcla bien con la CRF. En consecuencia, la composición gaseosa de la CRF 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 tasa de difusión con los gases de la 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 solo cambios graduales en los gases disueltos. Por lo tanto, el control homeostático de la frecuencia respiratoria depende únicamente de las presiones parciales de oxígeno y dióxido de carbono en la sangre arterial, que también mantiene un pH constante de la sangre. [8]
La frecuencia y profundidad de la respiración se controlan 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 en la superficie del bulbo raquídeo del tronco encefálico que son particularmente sensibles al pH , así como a la presión parcial de 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. Juntos, 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 la protuberancia 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 profundidad de la respiración, de tal manera que restablezca 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 los músculos activos. Este dióxido de carbono se difunde en la sangre venosa y, en última instancia, aumenta la presión parcial de dióxido de carbono en la sangre arterial. Esto es detectado inmediatamente por los quimiorreceptores de dióxido de carbono en el tronco encefálico. Los centros respiratorios responden a esta información haciendo que la frecuencia y 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 de la respiración a través de los nervios motores, de los cuales los nervios frénicos , que inervan el diafragma, son probablemente los más importantes. [8]
La respiración automática se puede anular hasta cierto punto por 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 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 automáticos de control de la respiración. La inmersión, en particular 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. Esto se combina con una intensa vasoconstricción de las arterias de las extremidades y las vísceras abdominales, reservando el oxígeno que está en la sangre y los pulmones al comienzo de la inmersión casi exclusivamente para el corazón y el cerebro. [12] El reflejo de inmersión es una respuesta que se utiliza a menudo en animales que necesitan sumergirse de forma rutinaria, como los pingüinos, las focas y las ballenas. [14] [15] También es más eficaz en bebés y niños muy pequeños que en adultos. [16]
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El aire inhalado está compuesto por un 78% de nitrógeno , un 20,95% de oxígeno y pequeñas cantidades de otros gases, incluidos argón , dióxido de carbono, neón , helio e hidrógeno . [17]
El gas exhalado es de un 4% a un 5% en volumen de dióxido de carbono, aproximadamente cien veces más que la cantidad inhalada. El volumen de oxígeno se reduce en aproximadamente una cuarta parte, del 4% al 5%, del volumen total de aire. La composición típica es: [18]
Además del aire, los buceadores que practican el buceo técnico pueden respirar mezclas de gases respirables ricos en oxígeno, pobres en oxígeno o ricos en helio . A veces se administra oxígeno y gases analgésicos a los pacientes que reciben atención médica. La atmósfera de los trajes espaciales es oxígeno puro. Sin embargo, se mantiene en alrededor del 20% de la presión atmosférica terrestre para regular la velocidad de inspiración. [ cita requerida ]
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 la altitud, sigue siendo necesaria una diferencia de presión para impulsar el aire hacia dentro y hacia fuera de los pulmones, como ocurre a nivel del mar. El mecanismo para respirar en la altitud es esencialmente idéntico al de respirar a 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. [24] Sin embargo, la composición del aire atmosférico es casi constante por debajo de los 80 km, como resultado del efecto de mezcla continua del clima. [25] Por lo tanto, la concentración de oxígeno en el aire (mmols O 2 por litro de aire) disminuye al mismo ritmo que la presión atmosférica. [25] A 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 ( P O 2 ) es de 21 kPa (es decir, el 21% de 100 kPa). En la cumbre del monte Everest , a 8.848 metros (29.029 pies), donde la presión atmosférica total es de 33,7 kPa, el oxígeno todavía constituye el 21% de la atmósfera, pero su presión parcial es de solo 7,1 kPa (es decir, el 21% de 33,7 kPa = 7,1 kPa). [25] Por lo tanto, se debe inhalar un mayor volumen de aire en la altitud que a nivel del mar para 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 entrar en los alvéolos. La presión de vapor saturado del agua depende solo 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. [26] En consecuencia, a nivel del mar, el aire traqueal (inmediatamente antes de que el aire inhalado entre en los alvéolos) consta 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 a 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 son 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 explica por 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. Tener la presión del aire a nivel del mar (100 kPa) da como resultado un gradiente de presión de 50 kPa, pero hacer lo mismo a 5500 m, donde la presión atmosférica es de 50 kPa, una duplicación del volumen de los pulmones da como resultado un gradiente de presión de solo 25 kPa. En la práctica, debido a que respiramos de una manera suave y cíclica que genera gradientes de presión de solo 2-3 kPa, esto tiene poco efecto en la tasa real de entrada de aire a los pulmones y se compensa fácilmente respirando un poco más profundo. [27] [28] La menor viscosidad del aire a la 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 sobre la respiración normalmente se compensan aumentando el volumen respiratorio minuto (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, a nivel del mar la P CO 2 arterial se mantiene muy cerca de 5,3 kPa (o 40 mmHg) en una amplia gama de circunstancias, a expensas de la P O 2 arterial , que puede variar dentro de un rango muy amplio de valores, antes de provocar una respuesta ventilatoria correctiva. Sin embargo, cuando la presión atmosférica (y, por lo tanto, la P O 2 atmosférica ) cae por debajo del 75% de su valor a nivel del mar, la homeostasis del oxígeno tiene prioridad sobre la homeostasis del dióxido de carbono. Este cambio se produce a una altitud de unos 2.500 metros (8.200 pies). Si este cambio se produce de forma relativamente abrupta, la hiperventilación a gran altitud provocará una caída grave de la PCO2 arterial con el consiguiente aumento del pH del plasma arterial que conduce a una 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 un ritmo de aproximadamente una atmósfera (un poco más de 100 kPa, o un bar ) por cada 10 metros. El aire que respiran los buceadores bajo el agua está a la presión ambiental del agua circundante y esto tiene una gama compleja de implicaciones fisiológicas y bioquímicas. Si no se gestiona adecuadamente, respirar gases comprimidos bajo el agua puede provocar varios trastornos del buceo , entre los que se 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 es proporcionado por 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 tener en cuenta a la hora de elegir un regulador adecuado para el tipo de buceo que se va a realizar. Es deseable que respirar con un regulador requiera poco esfuerzo incluso cuando se suministran grandes cantidades de aire. También se recomienda que suministre aire de forma suave sin cambios repentinos en la resistencia al inhalar o exhalar. En el gráfico de la derecha, observe el pico inicial de presión al exhalar para abrir la válvula de escape y que la caída inicial de presión al inhalar se supera pronto 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 de modo que la respiración se realice sin esfuerzo.
Los patrones de respiración 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 afecciones están asociadas con vías respiratorias obstruidas. La respiración bucal crónica puede estar asociada con una enfermedad. [29] [30] La hipopnea se refiere a una respiración demasiado superficial ; la hiperpnea se refiere a una respiración rápida y profunda provocada por una demanda de más oxígeno, como por ejemplo 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 inapropiadas o enfermedad. Sin embargo, esta distinción (entre, por ejemplo, hiperpnea e hiperventilación) no siempre se respeta, por lo que estos términos se usan con frecuencia indistintamente. [31]
Se pueden utilizar diversas pruebas de aliento para diagnosticar enfermedades como las intolerancias alimentarias. Un rinomanómetro utiliza tecnología acústica para examinar el flujo de aire a través de los conductos nasales. [32]
La palabra "espíritu" proviene del latín spiritus , que significa aliento. Históricamente, el aliento se ha considerado a menudo en términos del concepto de fuerza vital. La Biblia hebrea se refiere a Dios soplando el aliento de vida en arcilla para hacer de Adán un alma viviente ( nephesh ). También se refiere al aliento como el retorno a Dios cuando un mortal muere. Los términos espíritu, prana , el polinesio mana , el hebreo ruach y la psique en psicología están relacionados con el concepto de aliento. [33]
En el tai chi , el ejercicio aeróbico se combina con ejercicios de respiración para fortalecer los músculos del diafragma , mejorar la postura y hacer un mejor uso del qi del cuerpo . Diferentes formas de meditación y yoga abogan por varios métodos de respiración. Una forma de meditación budista llamada anapanasati, que significa atención plena a la respiración, fue introducida por primera vez por Buda . Las disciplinas de 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. [34]
En la música, algunos intérpretes de instrumentos de viento utilizan una técnica llamada respiración circular . Los cantantes también se basan en el 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".
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Ciertos patrones de respiración tienden a ocurrir con ciertos estados de ánimo. Debido a esta relación, los practicantes de varias disciplinas consideran que pueden estimular la aparición de un estado de ánimo particular al adoptar el patrón de respiración con el que ocurre más comúnmente. Por ejemplo, y quizás la recomendación más común es que la respiración más profunda que utiliza más el diafragma y el abdomen puede estimular la relajación. [11] [35] Los practicantes 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 de salud general [36] y los asesores comerciales que proporciona alivio del estrés laboral.
Durante el ejercicio físico, se adapta un patrón de respiración más profundo para facilitar una mayor absorción de oxígeno. Una razón adicional para la adopción de 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 núcleo y esto ayuda a generar presión intraabdominal que fortalece la columna lumbar. [37] Por lo general, esto permite realizar movimientos físicos más potentes. Como tal, se recomienda con frecuencia al levantar pesas pesadas respirar profundamente o adoptar un patrón de respiración más profundo.
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