¿Cómo llega el aire hasta el último rincón?

La entrada. El aire entra por la nariz o la boca, pasa por la faringe y llega a la laringe, donde están las cuerdas vocales. El espacio entre ellas es la glotis. Justo encima hay una pequeña tapa, la epiglotis, que se cierra al tragar para que la comida no se vaya "por el otro lado". Después viene la tráquea, un tubo reforzado con anillos de cartílago en forma de C que impiden que se aplaste.

El árbol. La tráquea se divide en dos bronquios, uno para cada pulmón, y cada rama vuelve a dividirse en dos, una y otra vez. Desde la tráquea hasta los alvéolos hay unas 23 divisiones. Las 16 primeras son solo tubos de paso: llevan el aire, pero no intercambian gases. Es la zona de conducción. En las últimas siete aparecen ya los alvéolos: es la zona respiratoria. Los bronquiolos, las ramas más finas, ya no tienen cartílago, pero sí una capa de músculo que puede abrirlos o cerrarlos un poco.

El aire que no llega. En cada respiración tranquila entra alrededor de medio litro de aire. De ese medio litro, unos 150 mililitros se quedan en los tubos y nunca llegan a los alvéolos: es el espacio muerto. Por eso respirar lento y hondo renueva más aire útil que respirar muy deprisa y muy poco.

Curiosidad: al final del árbol hay unos 480 millones de alvéolos, según el recuento más citado. Pero no hay una cifra única: en ese mismo estudio iban de unos 270 a casi 800 millones, según el tamaño de los pulmones de cada persona.

Términos para ir más allá: laringe, glotis, epiglotis, tráquea, bronquios principales, bronquiolos terminales y respiratorios, generaciones bronquiales, zona de conducción, zona respiratoria, espacio muerto anatómico.

¿Cómo se mueve el aire sin un motor propio?

Pegados sin estar pegados. Cada pulmón está envuelto en una doble membrana muy fina, la pleura. Una capa cubre el pulmón y la otra tapiza por dentro la pared del tórax, y entre las dos hay una película de líquido. Las capas pueden deslizarse, pero no separarse, como dos cristales mojados. Gracias a eso, cuando el tórax se agranda, el pulmón lo sigue.

Dos fuerzas opuestas. El pulmón, por ser elástico, tiende siempre a encogerse. La pared del tórax, en cambio, tiende a abrirse hacia fuera. Esas dos fuerzas tiran en sentidos contrarios, y por eso, entre las dos capas de la pleura, la presión es algo más baja que la del aire exterior.

Inspirar. El diafragma se contrae y baja, y los músculos que hay entre las costillas, los intercostales, las levantan y las abren un poco. El tórax gana volumen y la presión dentro de los alvéolos baja ligeramente por debajo de la de fuera. El aire entra hasta que las presiones se igualan. Es pura física: si un recipiente se agranda, la presión del gas que contiene baja.

Espirar. En reposo no hace falta ningún esfuerzo: los músculos se relajan y el pulmón, como una goma estirada, recupera su tamaño y expulsa el aire. Solo cuando soplamos fuerte o hacemos ejercicio intervienen los músculos del abdomen y otros intercostales para sacar el aire más deprisa. En un esfuerzo grande, también ayudan músculos del cuello para inspirar más.

Curiosidad: cuando inflamos un globo, lo llenamos empujando aire desde dentro. Los pulmones funcionan al revés: se llenan porque el tórax "tira" de ellos desde fuera. Los respiradores de los hospitales, en cambio, suelen trabajar empujando el aire hacia dentro, como quien infla un globo.

Términos para ir más allá: pleura visceral y parietal, líquido pleural, presión intrapleural, ley de Boyle, músculos intercostales, músculos accesorios, retracción elástica, ventilación con presión positiva, neumotórax.

¿Cómo pasa el oxígeno a la sangre?

Sin bombas: difusión. Ningún mecanismo empuja el oxígeno hacia la sangre. Los gases pasan solos desde donde hay más hacia donde hay menos, como el olor de un perfume que se extiende por una habitación. El aire de los alvéolos tiene mucho más oxígeno que la sangre que llega, así que el oxígeno pasa a la sangre. Con el CO₂ ocurre lo contrario: la sangre trae más que el aire, y lo suelta. A este intercambio en el pulmón se le llama hematosis.

Las tres claves. La primera es la superficie: todos los alvéolos juntos suman entre 50 y más de 100 metros cuadrados, según cómo se mida, lo que ocupa un piso amplio. La segunda, la barrera: en buena parte de su superficie mide solo dos o tres diezmilésimas de milímetro, cientos de veces menos que una hoja de papel. Y la tercera, la red de capilares: cada alvéolo está envuelto en ellos, de modo que la sangre se extiende como una película finísima. En reposo, en esos capilares hay solo unos 70 mililitros de sangre a la vez, repartidos por toda esa superficie.

El tiempo. Un glóbulo rojo tarda unas tres cuartas partes de segundo en atravesar los capilares de los alvéolos, y en ese camino pasa por dos o tres de ellos. Se carga de oxígeno en el primer tercio. Es el margen que se usa en el ejercicio, o el que se pierde cuando la barrera se engrosa por una enfermedad.

Curiosidad: el CO₂ atraviesa la barrera unas 20 veces más deprisa que el oxígeno, porque se disuelve mucho mejor en agua. Por eso, cuando la barrera se daña, lo primero que suele faltar es el oxígeno, no la salida del CO₂.

Términos para ir más allá: hematosis, difusión, presión parcial, membrana alveolocapilar, neumocitos tipo I, capilares pulmonares, tiempo de tránsito, capacidad de difusión.

¿Por qué no se cierran los alvéolos?

El problema del agua. Las moléculas de agua se atraen entre sí. Por eso la fina capa húmeda que tapiza los alvéolos se comporta como una piel elástica que tiende a encogerse y a cerrar la bolsita. Es la tensión superficial, la misma que permite a algunos insectos caminar sobre el agua. Y el problema es mayor cuanto más pequeña es la bolsita: un alvéolo pequeño necesitaría más presión que uno grande para mantenerse abierto.

La solución: el surfactante. Unas células de la pared del alvéolo, los neumocitos tipo II, fabrican una mezcla de grasas y proteínas que se extiende sobre esa capa de agua y reduce la tensión. Su efecto es mayor cuando el alvéolo se hace pequeño, al espirar, justo cuando más falta hace. Así los alvéolos pequeños no se cierran ni se vacían en los grandes.

La elasticidad, a favor. Las paredes del pulmón tienen fibras elásticas que tienden a devolverlo a su tamaño. Es lo que permite espirar sin esfuerzo. El pulmón sano está en un equilibrio delicado: lo bastante elástico para vaciarse solo y lo bastante blando para llenarse sin esfuerzo.

Curiosidad: el feto empieza a fabricar surfactante hacia la semana 20 del embarazo, pero tarda en tener suficiente. Por eso, en los bebés muy prematuros, la falta de surfactante puede dificultar mucho la respiración. En un gran estudio, ese problema aparecía en casi todos los nacidos en la semana 24, en alrededor de uno de cada veinte nacidos en la semana 34 y en menos de uno de cada cien al llegar a la semana 37. Es una demostración directa de lo importante que es esta fina película.

Términos para ir más allá: tensión superficial, ley de Laplace, surfactante pulmonar, neumocitos tipo II, fibras elásticas, distensibilidad pulmonar, síndrome de dificultad respiratoria del recién nacido, atelectasia.

¿Cómo se emparejan el aire y la sangre?

Dos flujos parecidos. Por los pulmones pasa toda la sangre que bombea el corazón, unos 5 litros por minuto en reposo. Y a los alvéolos llega, más o menos, una cantidad parecida de aire nuevo cada minuto. La relación entre los dos flujos se llama relación ventilación-perfusión, y se abrevia V/Q: la V es el aire y la Q, la sangre.

Cuando no coinciden. Hay dos maneras de fallar. Puede llegar aire a una zona por la que no pasa sangre, por ejemplo si un coágulo tapa un vaso: ese aire se desperdicia. O puede pasar sangre por una zona sin aire, por ejemplo si los alvéolos están llenos de líquido: esa sangre vuelve al corazón sin oxigenarse.

El pulmón corrige. Cuando una zona del pulmón recibe poco aire, los pequeños vasos que la riegan se estrechan y la sangre se desvía hacia zonas mejor ventiladas. Es la vasoconstricción pulmonar hipóxica.

Un circuito de baja presión. La sangre llega a los pulmones con mucha menos presión que al resto del cuerpo: es el trabajo suave del lado derecho del corazón. Por eso, de pie, la gravedad hace que la base de los pulmones reciba más sangre que la parte alta. También recibe más aire, aunque no en la misma proporción, así que el emparejamiento nunca es perfecto en todos los rincones.

Curiosidad: en casi todo el cuerpo, cuando falta oxígeno, los vasos se abren para que llegue más sangre. En el pulmón ocurre lo contrario: se cierran. Tiene sentido, porque aquí la sangre no viene a buscar oxígeno para el tejido, sino a cargarlo, y no tiene sentido mandarla adonde no lo hay.

Términos para ir más allá: ventilación alveolar, perfusión, relación ventilación-perfusión (V/Q), vasoconstricción pulmonar hipóxica, espacio muerto fisiológico, cortocircuito (shunt), zonas de West.

¿Cómo se defiende?

La nariz, primer filtro. Los pelos de la nariz y sus pliegues internos frenan las partículas más grandes. Al pasar por ella, el aire además se calienta y se humedece, para que llegue a los pulmones en mejores condiciones que si entrara directamente por la boca.

La escalera mecánica de moco. Los tubos del árbol respiratorio están tapizados por células que fabrican moco y por células con cilios. El moco es pegajoso y atrapa polvo y microbios. Los cilios baten entre 10 y 20 veces por segundo, todos en la misma dirección, y empujan el moco hacia arriba, hacia la garganta, a una velocidad de medio a un centímetro por minuto. Allí lo tragamos sin darnos cuenta o lo expulsamos al toser.

La tos. Es un reflejo: cuando algo irrita las vías respiratorias, el cuerpo toma aire, cierra la glotis, aprieta y la abre de golpe, y el aire sale a gran velocidad arrastrando lo que molesta.

Los vigilantes del fondo. Solo las partículas más pequeñas, de menos de unas tres a cinco milésimas de milímetro, llegan hasta los alvéolos. Allí la defensa cambia: patrullan unas células del sistema inmunitario, los macrófagos alveolares, que buscan las partículas, las engullen y, si son microbios, los destruyen. Si la amenaza es grande, llaman a otras células defensoras para que acudan.

Curiosidad: los alvéolos no pueden cubrirse de una capa gruesa de moco, porque eso frenaría el paso de los gases. Por eso, al llegar allí, la defensa cambia de estrategia y los protagonistas pasan a ser los macrófagos.

Términos para ir más allá: epitelio respiratorio, células caliciformes, cilios, aclaramiento mucociliar, reflejo de la tos, macrófagos alveolares, partículas finas (PM2,5).

¿Quién decide cuánto respirar?

El centro de mando. El ritmo de la respiración nace en el tronco del encéfalo, la parte del cerebro que lo une con la médula espinal. En el bulbo raquídeo hay grupos de neuronas que marcan el ritmo básico y dan la orden al diafragma y a los intercostales. Otros grupos, en la protuberancia, suavizan el paso de inspirar a espirar. Todo esto funciona solo, también mientras dormimos. Pero la parte consciente del cerebro puede tomar el mando un rato: para hablar, cantar, soplar o contener la respiración.

Los sensores. Unos sensores químicos situados en el propio bulbo vigilan el CO₂ a través de la acidez del líquido que rodea al cerebro. Otros, en el cuello y junto a la aorta, vigilan sobre todo el oxígeno de la sangre, aunque solo reaccionan con fuerza cuando baja bastante. Y en los pulmones hay sensores que avisan de cuánto se han estirado.

El CO₂ manda. En condiciones normales, la señal que más pesa es el CO₂, no el oxígeno. Si sube un poco, la sangre se vuelve algo más ácida y el centro respiratorio responde enseguida aumentando la respiración. En el ejercicio, los músculos producen mucho más CO₂, y la respiración aumenta para expulsarlo y mantener el equilibrio.

Curiosidad: podemos contener la respiración un tiempo, pero el control automático acaba imponiéndose. Lo que sobre todo empuja a volver a respirar no es la falta de oxígeno, sino el CO₂ que se acumula. No es lo único: el pulmón quieto y el oxígeno que baja también cuentan, y los científicos todavía no tienen una explicación completa de ese momento.

Términos para ir más allá: tronco del encéfalo, bulbo raquídeo, grupos respiratorios dorsal y ventral, grupo respiratorio pontino, quimiorreceptores centrales y periféricos, cuerpos carotídeos, pH, hipercapnia, apnea voluntaria.

¿Cómo viajan el oxígeno y el CO₂ por la sangre?

El oxígeno viaja en taxi. El oxígeno se disuelve muy mal en agua, así que casi nada viaja suelto: alrededor del 98,5 % va enganchado a la hemoglobina, una proteína de los glóbulos rojos, y solo el 1,5 % va disuelto. Cada molécula de hemoglobina puede llevar hasta cuatro moléculas de oxígeno.

Un taxi que sabe dónde parar. La hemoglobina coge oxígeno en los pulmones, donde abunda, y lo suelta en los tejidos, donde escasea. Además lo suelta con más facilidad donde hay más CO₂, más acidez y más calor, que es justo lo que ocurre en un músculo que trabaja. Así, el que más trabaja recibe más.

Una reserva que viaja de vuelta. En reposo, los tejidos solo toman alrededor de una cuarta parte del oxígeno que les llega. La sangre que vuelve al corazón todavía lleva unas tres cuartas partes. Es una reserva que se usa cuando hace falta, por ejemplo al hacer ejercicio.

El CO₂ viaja de tres maneras. Alrededor del 70 % viaja transformado en bicarbonato, gracias a una enzima de los glóbulos rojos; en torno al 23 %, enganchado a la hemoglobina; y un 7 %, disuelto. En los pulmones, el camino se recorre al revés y el CO₂ sale con el aire.

Curiosidad: la sangre de las arterias es de un rojo intenso, porque va cargada de oxígeno, y la de las venas es de un rojo más oscuro. Pero nunca es azul. Si las venas se ven azuladas bajo la piel es por cómo la piel y los tejidos absorben y reflejan la luz.

Términos para ir más allá: hemoglobina, oxihemoglobina, curva de disociación de la hemoglobina, efecto Bohr, anhidrasa carbónica, bicarbonato, carbaminohemoglobina, saturación venosa, monóxido de carbono.

Respirar en lugares extremos: la montaña y el agua

En la montaña. A cualquier altura, el aire sigue teniendo un 21 % de oxígeno. Lo que cambia es la presión: cuanto más subes, menos aire hay encima y menos empuja. Hacia los 5.500 metros, la presión es más o menos la mitad que a nivel del mar, y en la cima del Everest, alrededor de un tercio. Con menos presión, el oxígeno tiene menos "empuje" para atravesar la barrera del alvéolo.

Cómo se adapta el cuerpo. Lo primero es respirar más: los sensores del oxígeno lo notan y el ritmo aumenta. Es la respuesta más importante, y en la cima del Everest llega a ser extrema. El corazón también late más deprisa. Y, a lo largo de días y semanas, los riñones fabrican más eritropoyetina, la hormona que ordena producir glóbulos rojos, y la sangre gana capacidad de transporte.

Bajo el agua. Al bucear a pulmón ocurre lo contrario con la presión: cada 10 metros de agua suman una atmósfera más, y el aire de los pulmones se comprime. Y aparece el reflejo de inmersión: al meter la cara en agua fría, el corazón se frena y los vasos de la piel y las extremidades se estrechan, para guardar el oxígeno para el corazón y el cerebro.

Curiosidad: los mamíferos marinos llevan este reflejo al extremo. En la ballena azul, el corazón late de 25 a 37 veces por minuto en superficie, y en las inmersiones profundas baja a 4 u 8, e incluso a 2: un frenazo de más del 90 %. Y no es un reflejo ciego: las marsopas ajustan cuánto frenan el corazón según lo larga que va a ser la inmersión que van a hacer, como si lo decidieran de antemano.

Términos para ir más allá: presión barométrica, presión parcial de oxígeno, hipoxia, aclimatación, eritropoyetina, reflejo de inmersión, bradicardia, mal agudo de montaña.

Lo asombroso de los pulmones

Después de ver cómo funcionan, toca lo que los hace asombrosos: cinco detalles de un órgano que casi nunca notamos.

1. Un piso entero dentro del pecho.
Si se pudieran extender todos los alvéolos, ocuparían entre 50 y más de 100 metros cuadrados, la planta de un piso amplio, plegados dentro del pecho. Y todo eso, cubierto por una barrera cientos de veces más fina que una hoja de papel.

2. Las cifras de un día.
En reposo respiramos unas 15 veces por minuto, medio litro cada vez. Al cabo del día son más de 20.000 respiraciones y unos 10.000 litros de aire, lo que cabe en unas 50 bañeras llenas.

3. Los pulmones flotan.
Un pulmón que ha respirado flota en el agua, porque nunca se vacía del todo: incluso después de soplar con todas tus fuerzas, siempre queda aire dentro. Ese aire que siempre se queda, el volumen residual, también ayuda a que los alvéolos no se cierren.

4. El hipo.
Es un reflejo involuntario: el diafragma y los músculos de entre las costillas se contraen de golpe, como para una inspiración brusca, y justo después la glotis se cierra de repente. Ese cierre es el que produce el "hic". Cada ataque puede repetirse de 4 a 60 veces por minuto.

5. Un pulmón que no respira hasta nacer.
Antes de nacer, los alvéolos están llenos de líquido, no de aire, y el oxígeno llega por la placenta. Los vasos del pulmón están cerrados y casi toda la sangre se desvía por otros caminos. Con las primeras respiraciones, los alvéolos se llenan de aire, los vasos se abren y la sangre empieza a pasar por los pulmones. En pocos minutos, la circulación cambia de recorrido.

Términos para ir más allá: superficie alveolar, volumen corriente, frecuencia respiratoria, volumen residual, capacidad pulmonar total, hipo (singulto), circulación fetal, primera respiración.