Intercambio de gases

Question 1

Describa cómo se adaptan los organismos con relación superficie volumen pequeña para el intercambio de gases.

Answer 1

Los organismos con una relación superficie-volumen pequeña, es decir, aquellos que tienen un volumen relativamente grande en comparación con su superficie, enfrentan desafíos para el intercambio de gases debido a la menor área disponible para la difusión en proporción a su volumen. Debido a estas limitaciones, los organismos han tenido que adaptarse de diferentes formas. 1. Una de estas, es el desarrollo de estructuras especializadas para el intercambio de gases, tal y como los pulmones, las branquias o tráqueas que permite una mayor taza de intercambio, al proporcionar superficies externas y altamente vascularizadas donde ocurre la difusión de oxígeno y dióxido de carbono.
2. De igual forma, estos organismos han desarrollado células con adaptaciones específicas para el transporte y almacenamiento de oxígeno, como la hemoglobina, al igual que estructuras de circulación interna que permiten facilitar la distribución del oxígeno y la eliminación de dióxido de carbono.
3. Finalmente, muchos organismos han desarrollado mecanismos de ventilación, como la inhalación y exhalación de aire en los pulmones o el flujo de agua a través de las branquias en los peces, que asegura que el aire o el agua rica en oxígeno esté en constante contacto con la superficie de intercambio.
4. En resumen, en organismos en los que la relación superficie-volumen es pequeña se requiere una superficie especializada de intercambio de gases que sea mucho más grande que la superficie exterior, por ejemplo, los alvéolos de los pulmones o el mesófilo esponjoso de una hoja.

Question 2

Explique las propiedades de las superficies para el intercambio de gases.

Answer 2

Las superficies para el intercambio de gases en los organismos deben poseer ciertas propiedades para facilitar el proceso eficiente de difusión de gases, como el oxígeno y el dióxido de carbono. Estas propiedades son esenciales y comunes en órganos especializados como los pulmones, las branquias y tráqueas.
1. Gran superficie: Las superficies de intercambio de gases deben tener una gran extensión, relativa al tamaño del organismo, lo que permite maximizar el área disponible para la difusión de gases. En otras palabras, hay más superficie de membrana disponible para que los gases se difundan.
2. Compuesto por una fina capa de tejido: Las membranas de intercambio de gases deben tener una superficie delgada, generalmente formadas por una o pocas capas de células. Esto reduce la distancia de difusión, permitiendo que los gases se muevan más rápidamente entre el ambiente externo y el sistema circulatorio o las células.
3. Permeabilidad: Las membranas deben ser permeables a gases como el oxígeno o el dióxido de carbono. Pues, esta permeabilidad facilita el paso de gases en ambas direcciones, permitiendo el ingreso de oxígeno y la eliminación de dióxido de carbono. En otras palabras, la superficie de intercambio debe tener poros o aperturas que permitan el intercambio de gases a través de su superficie; por ejemplo, las plantas tienen estomas.
4. Gradiente de concentración: Para que el intercambio de gases ocurra de manera eficiente, debe haber un gradiente de concentración, en el que la concentración de oxígeno sea mayor en el ambiente externo y la de dióxido de carbono mayor en el organismo. Este gradiente se mantiene mediante la ventilación en los pulmones o el flujo de agua sobre las branquias de los peces, y es crucial para que los gases se muevan por difusión pasiva.
5. Superficie húmeda: Las superficies de intercambio deben tener una superficie húmeda para facilitar la disolución de los gases. Como los gases deben estar disueltos en líquido para atravesar las membranas, una superficie húmeda es esencial. En otra palabras, una superficie húmeda ayuda a disolver los gases antes de que se difundan por la superficie de intercambio; por ejemplo, el líquido alveolar de los alvéolos.

Question 3

Explique la relación entre el gradiente de concentración y la difusión.

Answer 3

• La difusión es el movimiento pasivo de partículas, como moléculas de gases, desde una región de alta concentración, hacia una región de baja concentración hasta que se alcanza un equilibrio. La relación entre el gradiente de concentración y la difusión es directa: cuanto mayor es el gradiente (es decir, la diferencia de concentración en dos áreas), más rápida es la taza de difusión.
• En otras palabras, cuando existe una gran diferencia de concentración entre dos áreas, las partículas se mueven más rápidamente desde la zona de alta concentración a la de baja concentración.
• Además, cabe resaltar, que para mantener la difusión activa es necesario que el gradiente se mantenga.
• Esta relación es fundamental para la difusión de gases como el oxígeno y el dióxido de carbono, por lo que los organismos han desarrollado mecanismos como la ventilación o el flujo sanguíneo continuo para mantener un gradiente de concentración adecuado.
• En resumen, teniendo en cuenta que el gradiente de concentración es la diferencia de concentración de una sustancia entre dos áreas, cuanto mayor es el gradiente de concentración más rápida es la velocidad de difusión.

Question 4

Describa las adaptaciones de los pulmones de los mamíferos para el intercambio de gases.

Answer 4

Los pulmones de los mamíferos están altamente adaptados para maximizar el intercambio de gases, permitiendo un suministro continuo de oxígeno y la eliminación de dióxido de carbono. Las principales adaptaciones de los mamíferos para optimizar este proceso son:
1. Los pulmones están llenos de estructuras llamadas alvéolos, que son pequeñas bolsas de aire que aumentan el área de superficie disponible para el intercambio de gases. Esto es clave para los mamíferos, ya que un área de superficie amplia facilita una mayor difusión de oxígeno hacia la sangre y dióxido de carbono hacia el aire.
2. Además, los alvéolos tienen paredes extremadamente delgadas, formadas por una sola capa de células (epitelio alveolar). Esto reduce la distancia que deben atravesar los gases durante la difusión, permitiendo un intercambio más rápido y eficiente.
3. Los alvéolos están revestidos por una fina capa de líquido que mantiene la superficie húmeda. Esta humedad es crucial, ya que permite que los gases, como el oxígeno, se disuelvan antes de difundir a través de la membrana alveolocapilar y entrar en el torrente sanguíneo.
4. Además, los pulmones tienen una red de capilares sanguíneos que envuelven los alvéolos. Esto permite un rápido intercambio de oxígeno desde los alvéolos hacia la sangre y dióxido de carbono desde la sangre hacía los alvéolos, y mantiene un gradiente de concentración entre la sangre y los alvéolos, promoviendo la difusión continua de gases.
5. La acción de los músculos respiratorios, como el diafragma y los músculos intercostales, permiten la inhalación y exhalación de aire, manteniendo así un alto gradiente de concentración de oxígeno en los alvéolos y facilitando la difusión.
6. Las células alveolares producen una sustancia llamada surfactante pulmonar o líquido alveolar que reduce la tensión superficial dentro de los alvéolos y evita su colapso. Gracias al surfactante, los alvéolos permanecen abiertos y disponibles para el intercambio de gases.
7. De igual forma, los mamíferos tienen estructuras especializadas para el intercambio de gases, los pulmones, cuya estructura es muy similar. Se compone de: Cavidad nasal, cavidad bucal, laringe, bronquios, bronquiolos, faringe, tráquea y alvéolos.

Question 5

Adaptaciones en las superficies de intercambio de los animales para mantener gradientes de concentración óptimos

Answer 5

1. Densa red de vasos sanguíneos: sirve para que se intercambien sustancias entre la superficie y la sangre (capilares alveolares)
2. Flujo sanguíneo continuo: Este garantiza que, tan pronto como las sustancias pasan a la sangre y son transportadas asegurando una baja concentración de esa sustancia en el suministro de sangre adyacente a la superficie de intercambio
3. Ventilación: Este proceso asegura que el aire o el agua rica en el gas deseado se mueva a través de la superficie de intercambio. Los mamíferos inhalan aire hacia los pulmones y exhalan para eliminar el aire de los pulmones que llevan una concentración de CO2 alta. (peces toman el oxígeno del agua a través de las branquias y lo devuelven con el agua que pasa a través de ellos)

Question 6

Explique el mecanismo de ventilación pulmonar.

Answer 6

La ventilación pulmonar es el proceso mediante el cual se mueve el aire dentro y fuera de los pulmones, permitiendo el intercambio de oxígeno y dióxido de carbono entre el organismo y el ambiente. Este proceso ocurre gracias a los movimientos rítmicos de inhalación y exhalación, impulsados por la acción de músculos específicos como el diafragma y los músculos intercostales. Este mecanismo funciona a través de dos fases principales: la inhalación y la exhalación
Inhalación:
La inspiración es el proceso activo de entrada de aire en los pulmones y se produce gracias a la contracción de los músculos respiratorios. Durante la inspiración, el diafragma, un músculo en forma de cúpula que separa el tórax del abdomen, se contrae y se aplana, desplazándose hacia abajo. Este movimiento incrementa el espacio dentro de la cavidad torácica. Los músculos intercostales externos, ubicados entre las costillas, también se contraen, provocando que las costillas se eleven y se expandan hacia afuera. Este movimiento amplía aún más el volumen de la cavidad torácica. La expansión de la cavidad torácica aumenta el volumen de los pulmones, lo que reduce la presión intrapulmonar (presión dentro de los pulmones) por debajo de la presión atmosférica externa. Debido a esta diferencia de presión, el aire fluye desde el ambiente, donde la presión es más alta, hacia los pulmones, llenando los alvéolos de aire rico en oxígeno.
Espiración:
La espiración es el proceso de salida de aire de los pulmones. En condiciones normales, es un proceso pasivo, ya que ocurre cuando los músculos que se usaron en la inhalación se relajan. Cuando el diafragma se relaja, vuelve a su posición original en forma de cúpula, lo que disminuye el volumen de la cavidad torácica. Los músculos intercostales externos se relajan, permitiendo que las costillas bajen y se retraigan hacia su posición original, disminuyendo aún más el volumen torácico. La reducción en el volumen de los pulmones aumenta la presión intrapulmonar por encima de la presión atmosférica. Esta diferencia de presión hace que el aire salga de los pulmones hacia el exterior, eliminando el dióxido de carbono.

Question 7

Ventilación

Answer 7

La ventilación asegura que el aire o el agua rica en el gas deseado se mueva a través de la superficie de intercambio. Los mamíferos expulsan periódicamente el aire de los alvéolos exhalando y luego lo reemplazan inhalando aire fresco, esto evita que la concentración de oxígeno baje demasiado para la difusión del aire a la sangre y también evita que la concentración de dióxido de carbono aumente.

Question 8

Contraste la ventilación pulmonar teniendo en cuenta la acción de los músculos, volumen y presión.

Answer 8

La ventilación pulmonar se basa en los cambios de volumen y presión dentro de la cavidad torácica, regulados por la acción de los músculos respiratorios. El contraste se realizará en forma de gráfica

Question 9

Los peces

Answer 9

Los peces toman agua dulce por la boca y la bombean a través de las bronqueas y luego la expulsan a través de las hendiduras bronquiales o el opérculo. Mantiene equilibrada concentración de oxígeno (agua) y dióxido de carbono con el retorno de la sangre.

Question 10

Alvéolos

Answer 10

Pequeños sacos con una gran superficie a través de los cuales se intercambian oxígeno y dióxido de carbono entre el aire y la sangre.
1. Diámetro: 0.02 mm a 0.05 mm
2. Una sola capa de células - pared
3. Dentro de los alvéolos:
Neumocito tipo I: dan estructura. Son el 40% de las células alveolares y tapizan el 90% del alvéolo
Neumocito tipo II: Secretan sustancia alveolar que contiene surfactante. Son el 60% de las células alveolares y tapizan el 10% de la superficie

Question 11

Líquido alveolar/surfactante

Answer 11

Los neumocitos tipo II secretan líquido alveolar que humedece la superficie de los alvéolos, lo que permite que los gases se disuelvan en el surfactante antes de difundirse a través de la pared de los alvéolos y los capilares hacia la sangre. El líquido alveolar contiene surfactante, una mezcla de lípidos y proteínas. El surfactante tiene un papel clave en la reducción de la tensión superficial de los alvéolos y esto ayuda a prevenir el colapso alveolar durante la exhalación

Question 12

Cavidad nasal

Answer 12

Permite que el aire ingrese al sistema respiratorio a través de la nariz, filtra el aire para detectar patógenos y alérgenos y calienta el aire. La mayor parte del tiempo, la respiración normal se realiza a través de la cavidad nasal, pero durante el ejercicio y otros períodos de mayor necesidad de oxígeno, la respiración también se realiza a través de la cavidad bucal

Question 13

cavidad bucal

Answer 13

la boca, trabaja con la cavidad nasal para permitir el paso del aire hacia la traquea.

Question 14

Laringe

Answer 14

conducto hueco que permite el paso del aire desde la faringe (garganta) hasta la tráquea. Tambipen contiene las cuerdas vocales

Question 15

Bronquios

Answer 15

vías respiratorias que van desde la traquea hasta los bronquios

Question 16

bronquiolos

Answer 16

• Ramas de los bronquios que desembocan en los alvéolos.
• Cada bronquiolo se ramnifica en muchos alvéolos, está es la superficie de intercambio de los pulmones. Esto aumenta la superficie disponible para el intercambio de gases, aumentando así la tasa de intercambio de gases. El alto grado de ramnificación también garantiza que el aire se distribuya por todos los pulmones. El pequeño diámetro de los bronquiolos en comparación con los bronquios y la tráquea, también ayuda a reducir la velocidad del flujo del aire, lo que aumenta la eficiencia del intercambio de gases.
• El alto grado de ramnificación tambipen asegura que el aire se distribuya por todos los pulmones. El pequeño diámetro de los bronquiolos en comparación con los bronquios y la tráquea también ayuda a reducir la velocidad del flujo del aire, aumentando la eficiencia del intercambio de gases.

Question 17

faringe

Answer 17

combinado llamada garganta, es el conducto por donde pasa el aire desde la boca y nariz hasta la tráquea. También forma parte desde sistema digestivo, por donde lleva los alimentos y el agua hacia el esófago.

Question 18

tráquea

Answer 18

También conocida como conducto de aire. La tráquea es una vía respiratoria que lleva el aire a los pulmones desde las cavidades nasal y bucal. La tráquea contiene anillos cartilaginosos en forma de C que le dan estructura, evitando que se colpase durante la respiración. El músculo liso ayuda a regular el flujo del aire, mientras que el revestimiento de la membrana mucosa produce moco para atrapar el polvo, los desechos y las bacterias antes de que lleguen a los pulmones.

Question 19

Volumen corriente:

Answer 19

Es el volumen de aire que se inhala o exhala en una respiración normal en reposo. En adultos, el volumen corriente promedio suele ser de aproximadamente 500 ml.

Question 20

Capacidad vital:

Answer 20

Es el volumen máximo de aire que una persona puede expulsar de sus pulmones después de una inhalación máxima. Incluye el volumen corriente, el volumen de reserva inspiratoria y el volumen de reserva espiratoria. Es una medida de la capacidad total de los pulmones para intercambiar el aire, y en adultos suele estar entre 3 y 5 litros.

Question 21

Volumen de reserva inspiratoria:

Answer 21

Es el volumen adicional de aire que se puede inhalar después de una inhalación normal. Representa la capacidad extra de los pulmones para inspirar aire cuando se hace un esfuerzo máximo y suele ser aproximadamente 2500 – 3000 ml en adultos.

Question 22

Volumen de reserva espiratoria:

Answer 22

Es el volumen adicional de aire que se puede exhalar después de una exhalación normal. Este volumen adicional representa la capacidad de los pulmones para expulsar aire en un esfuerzo máximo de exhalación y suele ser aproximadamente 1000-1500 ml en adultos.

Question 23

Describa las adaptaciones de las hojas para el intercambio de gases

Answer 23

Las hojas de las plantas están adaptadas de diferentes maneras para optimizar el intercambio de gases, permitiendo que se lleven a cabo procesos esenciales como la fotosíntesis y la respiración.
1. En primer lugar, las hojas tienen estomas, que son pequeñas aberturas en la epidermis de la hoja (principalmente en el envés) que permiten la entrada de dióxido de carbono y la salida de oxígeno y vapor de agua. Estos poros están rodeados por células especializadas llamadas células protectoras, que regulan su apertura y cierre en respuesta de factores ambientales, como la luz y la disponibilidad de agua, controlando el intercambio de gases y la pérdida de agua.
2. De igual forma, las plantas cuentan con células oclusivas (son las mismas que las células protectoras) que les ayudan a controlar el diámetro de las estomas mediante cambios en su turgencia. Cuando hay suficiente luz y agua, estas células absorben agua y se hinchan, abriendo los estomas para permitir el intercambio de gases. En condiciones de sequía o en la oscuridad, estas células pierden turgencia, cerrando los estomas para evitar la pérdida de agua.
3. Además, las células cuentan con una estructura llamada parénquima de empalizada, que está formada por células de abundantes cloroplastos, en donde se realiza la fotosíntesis. 4. También cuentan con una capa de mesófilo esponjoso (detrás de los estomas), en el que existen espacios intercelulares que facilitan la difusión de dióxido de carbono desde los estomas hasta las células fotosintéticas y la salida de oxígeno hacia el exterior (proporciona muchos espacios de aire para permitir que los gases se difundan de una parte de la hoja a la otra).
5. Finalmente, las plantas tienen venas foliares o haces vasculares que transportan agua desde las raíces hasta las hojas por tejido de xilema (transporta agua) y floema (transporta azúcares y aminoácidos).

Question 24

Explique el proceso de transpiración en las hojas.

Answer 24

La transpiración es el proceso por el cual las plantas pierden agua en forma de vapor a través de sus hojas, principalmente mediante los estomas. Este fenómeno es crucial para la planta porque contribuye a la absorción de nutrientes, la regulación de la temperatura y el transporte de agua desde las raíces hasta el resto del organismo. Las raíces absorben agua del suelo, que sube a través del xilema hacia las hojas. Debido a la diferencia de concentración de vapor de agua entre el interior de la hoja (donde hay alta humedad) y el exterior (donde suele haber menor humedad), el agua tiende a evaporarse hacia afuera. Los estomas son las principales vías de salida del vapor de agua. Cuando los estomas están abiertos (generalmente durante el día para permitir intercambio de gases), el vapor de agua escapa hacia el exterior. Este escape de agua genera una fuerza de succión (tensión) que jala más agua desde el xilema hacia las hojas. La pérdida de agua por transpiración crea una fenómeno llamado tensión – cohesión, el cual permite que la columna de agua en el xilema suba desde las raíces hasta las hojas. Las moléculas de agua, debido a su propiedad de cohesión, se mantienen unidas, lo que permite el flujo continuo de agua a través de toda la planta. Las células oclusivas que rodean a los estomas regulan el proceso de transpiración. En condiciones de alta temperatura o sequía, las células oclusivas cierran los estomas para reducir la pérdida de agua, aunque esto limita el intercambio de gases necesario para la fotosíntesis. En condiciones favorables, los estomas se abren para facilitar la transpiración y el intercambio de gases. Este proceso es fundamental para el transporte de nutrientes, la regulación de la temperatura y el balance hídrico.

Question 25

Describa los factores que pueden afectar la transpiración en las hojas.

Answer 25

Factores ambientales
Luz: Influye directamente en la apertura de los estomas. Durante el día, la luz estimula la apertura estomática para permitir la entrada de dióxido de carbono para la fotosíntesis. Esto también aumenta la transpiración, ya que el vapor de agua se escapa más rápidamente cuando los estomas están abiertos. En la oscuridad, los estomas tienden a cerrarse, reduciendo la transpiración.
Temperatura: La transpiración aumenta con la temperatura, ya que el calor incrementa la evaporación del agua en las hojas. A temperaturas más altas, las moléculas de agua se mueven más rápido y se evaporan con mayor facilidad, lo cual aumenta la pérdida de agua por las hojas. Sin embargo, temperaturas extremas pueden causar cierre de los estomas para conservar agua.
Humedad relativa: La traspiración es más baja en ambientes con alta humedad relativa, ya que la diferencia de concentración de vapor de agua entre el interior y el exterior de la hoja es menor, y esto reduce el gradiente de concentración de difusión del agua hacia afuera. En cambio, en ambientes secos, el gradiente de concentración es mayor, lo que incrementa la transpiración.
Viento: El viento elimina el vapor de agua que se acumula alrededor de la superficie de las hojas, manteniendo una baja concentración de vapor en el entorno inmediato. Esto favorece el gradiente de concentración y, por lo tanto, incrementa la transpiración. Sin embargo, un viento muy fuerte puede causar el cierre de los estomas como mecanismo de defensa para evitar la pérdida excesiva de agua.
Disponibilidad de agua en el suelo: Si el suelo tiene suficiente agua, la planta puede reponer fácilmente el agua perdida por transpiración. Sin embargo, en condiciones de sequía, la planta no puede absorber suficiente agua, lo que puede llevar al cierre de los estomas para reducir la transpiración y conservar el agua almacenada.
Factores fisiológicos:
Apertura y cierre de estomas: Las células oclusivas que rodean a los estomas, regulan su apertura o cierre. Cuando las células oclusivas están turgentes (hinchadas de agua), lo estomas se abren, permitiendo la salida de vapor de agua. Cuando pierden turgencia, los estomas se cierran, reduciendo la transpiración. Este mecanismo es sensible a factores ambientales.
Tipo de hoja y estructura de la cutícula: La cutícula es una capa cerosa que cubre la epidermis de las hojas, reduciendo la pérdida de agua por evaporación. Hojas con cutículas cerosas, como las de las plantas de zonas áridas, presentan menor transpiración. Además, el número, tamaño y distribución de los estomas en la hoja también afectan la tasa de transpiración.

Question 26

Indique qué variable suele provocar la apertura y cierre de los estomas.

Answer 26

La variable principal que regula la apretura o cierre de los estomas es la luz. Durante el día, la luz estimula la apertura de los estomas para permitir la entrada de dióxido de carbono necesario para la fotosíntesis. En la oscuridad, o cuando la luz disminuye, los estomas tienden a cerrase para conservar agua, ya que la fotosíntesis no se realiza en ausencia de luz.

Question 27

Defina densidad estomática y escriba la fórmula para determinarla.

Answer 27

La densidad estomática es el número de estomas por unidad de área en la superficie de una hoja. Es una medida importante en la fisiología vegetal, ya que influye en la capacidad de la planta para intercambiar gases (dióxido de carbono y oxígeno) y regular la pérdida de agua mediante la transpiración. Las plantas con más estomas tienden a tener una mayor tasa de transpiración y, por lo tanto, la densidad estomática puede indicar la eficiencia con la que una planta utiliza el agua. Los cambios en la densidad estomática en diferentes ambientes pueden ayudarnos a comprender el efecto del clima y el cambio climático en la fisiología de las plantas. Además, las similitudes y diferencias de la densidad estomática pueden indicar relaciones filogenéticas entre plantas. Finalmente, la densidad estomática de los fósiles de plantas puede utilizarse como indicador de las condiciones ambientales pasadas.
Se puede calcular mediante la siguiente formula
Densidad estomática=(Número medio de estomas)/(Área del campo de visión ( mm^2))

(El área del campo de visión puede ser calculado, a su vez, a través de la fórmula área= π*r^2)

Question 28

potómetro

Answer 28

la taza de transpiración se puede estimar usando un potómetro. Un potómetro mide el volumen de agua absorbido por una planta, que será aporximádamente igual al volumen de agua que la planta pierde en el proceso de transpiración durante un tiempo determinado.

Question 29

fórmula tamaño real

Answer 29

1. tamaño real = tamaño de la imagen / aumento
2. tamaño real = tamaño de la imagen / tamaño de la barra

Question 30

fórmula número de aumentos

Answer 30

aumento o magnificación = tamaño de la imagen / tamaño real (barra)

Question 31

formula de la longitud de la barra

Answer 31

longitud de la barra = aumento x escala