A raíz de mi reciente artículo sobre elbuceo en apnea, algunos lectores se preguntan y me preguntan por qué los humanos
no podemos respirar bajo el agua. Naturalmente, sería interesantísimo poder volar,
pero carecemos de los órganos apropiados para mantenernos suspendidos en el
aire. También sería maravilloso poder sumergirnos y bucear como el que no
quiere la cosa para disfrutar de los increíbles tesoros del mundo submarino,
pero tampoco estamos dotados para ello.
Cuestión de branquias
Los mamíferos no podemos respirar bajo el aguasin apoyos artificiales. 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 agua.
Esas estructuras son las branquias, que están
presentes, por ejemplo, en los peces. Los peces obtienen el oxígeno que
necesitan del agua a través de las branquias, unas estructuras membranosas
soportadas a su vez por estructuras cartilaginosas u óseas. Las superficies
branquiales son muy amplias y los gases respiratorios se intercambian entre la
sangre y el agua a medida que ésta fluye sobre ellas.
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| Branquias en la cabeza seccioanada de un atún. |
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 (los boquerones, las sardinas, las truchas o los
salmones, por ejemplo), expulsan el agua por los opérculos laterales, unas
estructuras a modo de lengüeta que tapan y protegen las branquias y que,
normalmente, marca el límite trasero de la cabeza.
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| Los peces óseos como el bacalao tienen cuatro pares de branquias, cada una soportada por un arco branquial. El opérculo, que cubre las branquias, está implicado en la ventilación de estas. Los peces cartilaginosos que, como el tiburón carecen de opérculo, tienen cinco o seis pares de branquias. El agua entra gracias al movimiento a través de la boca y el espiráculo y sale a través de las branquias. |
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. El recorrido del agua es
unidireccional: entra por la boca cargada de oxígeno y sale por los laterales
del cuerpo arrastrando consigo el dióxido de carbono.
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| Los peces tienen un sistema circulatorio cerrado, en el que la sangre está contenida enteramente en vasos. La sangre es bombeada desde el corazón hasta las branquias (superficie de intercambio gaseoso), después al cuerpo y de vuelta al corazón, de modo que fluye solo una vez a través del corazón en cada circulación a lo largo del cuerpo. La sangre pierde presión al pasar a través de las branquias y, al salir de ellas, fluye a baja presión alrededor del cuerpo antes de regresar al corazón. |
Como puede verse en la siguiente figura,
las branquias de los peces presentan un elevado número de pliegues que se
mantienen separados unos de otros por el agua. Esto supone una gran superficie
de intercambio gaseoso. La superficie externa de la branquia está en contacto
con el agua, mientras que en el interior la sangre fluye por vasos. El
intercambio gaseoso tiene lugar por difusión entre el agua y la sangre a través
de la membrana branquial y los capilares. El opérculo (cubierta de las
branquias) permite la salida del agua y funciona como una bomba, obligando al
agua a atravesar los filamentos de las branquias. Las branquias de los peces
son muy eficientes y logran extraer el 80% del oxígeno del agua, tres veces más
de lo que pueden hacerlo los pulmones humanos.
Esquema del sistema circulatorio de los peces. Fuente: Shutterstock
Por qué nuestros pulmones son inútiles bajo el agua
El funcionamiento de nuestro
sistema respiratorio es totalmente distinto: nuestros pulmones se encuentran
con dos grandes limitaciones para poder respirar bajo el agua. La primera es
que son incapaces de extraer de forma eficiente el oxígeno del agua. Dado que en
la estructura molecular del agua hay dos átomos de hidrógeno por cada átomo de
oxígeno (H₂O), podríamos pensar que ésta contiene mucho oxígeno. Es así, pero 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 (O₂), 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). Nuestros pulmones no pueden
acceder de forma eficiente al O₂ del agua, mientras que el intrincado diseño de
las láminas branquiales sí es capaz de extraer el 80% de ese oxígeno disuelto.
El segundo problema al que se
enfrentan nuestros pulmones es 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
conducto (como lo hace el aire).
Nuestro sistema respiratorio no
tiene potencia suficiente para movilizar todo ese líquido, por lo que los
pulmones quedarían rápidamente anegados de agua pobre en oxígeno. En cambio, como
el aire es muy ligero, mediante las inspiraciones y espiraciones constantes características
de la respiración pulmonar podemos hacerlo circular sin problemas captando el oxígeno
que necesita el sistema circulatorio y liberando el tóxico dióxido de carbono.
Intercambio de gases en los alveolos
Cuando el aire entra por las
fosas nasales 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, de los que como media hay unos 300 millones por pulmón.
Las paredes de los alveolos están
recubiertas por una única capa muy fina de células en estrecho contacto con los
capilares sanguíneos. La concentración de oxígeno en el aire es tan elevada (21%)
que atraviesa sin dificultad las membranas celulares hacia la sangre para
tratar de equilibrar la presión parcial entre el aire y la sangre a uno y otro
lado de las membranas.
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| Fuente: Shutterstock |
Lo mismo sucede con el dióxido de
carbono, pero en sentido inverso. Pasa desde la sangre venosa hacia
el aire del interior de los alveolos para ser expulsado en la siguiente
espiración. En cada ciclo respiratorio hacemos entrar y salir entre 5 y 6
litros por minuto de aire de los pulmones, renovándolo continuamente y
asegurando el suministro de oxígeno que necesitamos para vivir.
Las ballenas o los delfines tampoco pueden respirar bajo
el agua
Este tipo de respiración no es exclusivo de los humanos. Nuestro sistema respiratorio es muy similar al del resto de amniotas, es decir de la inmensa mayoría de los vertebrados cuyo embrión se desarrolla flotando en líquido amniótico (el amnios), es decir, de reptiles, aves y mamíferos. Ni siquiera los mamíferos marinos (como las ballenas o los delfines) pueden respirar bajo el agua, por lo que están obligados a subir con mayor o menor frecuencia a superficie para abastecerse de oxígeno.