Mecanismos de captação do oxigênio

O sistema respiratório é um dos sistemas de maior relevância para a manutenção das estruturas corpóreas, tendo o oxigênio papel fundamental neste processo. Para que não ocorram alterações fisiológicas importantes no organismo, os níveis de oxigênio devem ser mantidos constantes nas células, do mesmo modo que o gás carbono precisa ser removido. Assim, uma das principais funções do sistema respiratório é o de realizar as trocas gasosas.

Respirar refere-se a um conjunto de processos físico, físico-químico e químico empregado para a captação do oxigênio e eliminação do gás carbono. Nos animais com menos de 1 mm² de área corporal, as células efetuam as trocas gasosas por difusão, diretamente com o meio. 

Nos grandes animais isso não é possível por causa da sua extensa massa corporal maior, havendo a necessidade de utilizar mecanismos mais especializados para realizar este processo. Desse modo, os animais aquáticos precisam de um mecanismo eficiente para bombear água para dentro do órgão respiratório, e os animais de ambiente terrestre precisam de estruturas capazes de capturar o ar atmosférico, mas ambos necessitam de um sistema circulatório bem desenvolvido para distribuir o gás a todos os tecidos.

Por isso, a respiração ocorre em três fases: obtenção do oxigênio do meio ambiente pelo órgão respiratório, difusão dos gases por meio de uma superfície respiratória (membrana permeável), e transporte deste para as células por meio de um sistema circulatório eficiente. Na primeira fase, a captura do oxigênio pode ser realizada por diversos órgãos, sistemas ou aparelhos respiratórios bem vascularizados como o revestimento do corpo, brânquias, pulmões ou traqueias. Apesar destas estruturas serem anatomicamente diferentes, com exceção das traqueias, as demais possuem uma característica em comum, uma membrana úmida permeável por onde as moléculas de oxigênio e dióxido de carbono se difundem com facilidade. Segue uma descrição sucinta das principais estruturas que efetuam as trocas gasosas, com esquema estrutural na figura 1.

Figura 1. Esquema dos diferentes sistemas utilizados para efetuar as trocas gasosas (Withers, 1992)

Brânquias: o sistema branquial é utilizado principalmente pelos animais de habitat aquático (peixes em geral), mas também é relatado para alguns animais de habitat terrestre. As brânquias são extensões evaginadas da superfície do corpo que se apresentam altamente dobradas para aumentar a interface da sua área da membrana. O bombeamento unidirecional da água sobre as brânquias possibilita as trocas gasosas neste sistema. A distribuição dos gases é realizada por um sistema de circulação interna bem desenvolvida que conduz o sangue oxigenado das brânquias para o restante do corpo.

Pulmões: O sistema pulmonar é muito utilizado nos animais de habitat terrestre (anfíbios, répteis, aves e mamíferos), mas também é encontrado em alguns animais aquáticos (peixes pulmonados, focas, baleias). Os pulmões são superfícies internalizadas (invaginadas), altamente ramificadas, potencializando a superfície de área de membrana para as trocas gasosas. O mecanismo ventilatório bidirecional é utilizado para movimentar o ar para dentro e para fora do pulmão, e um sistema circulatório bem desenvolvido transporta os gases dos pulmões para o corpo e vice-versa.

Traqueias: O terceiro mecanismo do sistema respiratório é o traqueal. Esse é um mecanismo diferenciado dos demais, pois representa apenas duas etapas no processo das trocas gasosas: a captura do oxigênio do meio ambiente e a difusão dos gases diretamente para a célula, sem o intermédio do sistema respiratório. O sistema traqueal é utilizado por muitos invertebrados, mas os insetos são os mais abundantes e bem adaptados. Esses animais possuem aberturas na superfície do corpo (espiráculos), cujas extensões em forma de tubo (traqueias) alcançam os tecidos. Internamente as traqueias ramificam-se em numerosos tubos menores (traqueolos), os quais chegam até as células.

No processo de adaptação dos animais aquáticos para a superfície terrestre, o maior problema para a respiração aérea está relacionado à perda de água pela superfície respiratória (evaporação), principalmente para os animais que utilizam à respiração cutânea. No entanto, este problema foi minimizado pelos artrópodes com a utilização do sistema traqueal.

Respiração cutânea

O processo físico-químico, utilizado para a transferência do oxigênio dos órgãos respiratórios para a circulação sanguínea, assim como o gás carbono da circulação para o meio externo é a difusão. De acordo com as leis dos gases, cada gás comporta-se independente dos outros. Quando existe uma diferença de pressão de difusão entre os dois lados de uma membrana, uma quantidade maior de moléculas irá passar para a região de menor pressão do que na direção oposta.

A pressão parcial do oxigênio, tanto no ar quanto na água, é maior do que a pressão desta molécula no corpo do animal, pois o oxigênio é constantemente utilizado pelo metabolismo celular de modo que o gás tende a entrar por qualquer membrana apropriada. Por outro lado, a pressão parcial do gás carbono é grande no interior do animal, tendendo sempre a sair. A difusão do oxigênio e do gás carbono através da membrana semipermeável ocorre simultaneamente e representa a segunda fase no processo respiratório.

Assim, o oxigênio é capturado pelo órgão respiratório e por difusão passa para a circulação (com exceção do sistema traqueal). Uma pequena quantidade de oxigênio pode ser transportada livremente no sangue, porém grande quantidade é transportada de forma mais eficiente ligada à molécula de hemoglobina (pigmento respiratório), que nos vertebrados está armazenada dentro dos eritrócitos. O sistema circulatório transporta o oxigênio até as células, o qual, por diferença de pressão, desfaz-se da ligação com a hemoglobina e entra para o interior da célula. A oxidação dos alimentos no interior das células gera energia (ATP), água e gás carbono.

Por isso, o gás carbono encontra-se em maior concentração no interior das células, e por causa da diferença de pressão ele sai das células para a corrente sanguínea. O gás carbono pode ser transportado na sua forma livre (em pequena quantidade), ligado à molécula de hemoglobina ou associado à molécula de água na forma de íon bicarbonato. Ao chegar aos órgãos respiratórios o gás carbono é liberado e o oxigênio é capturado. 

O transporte dos gases pela corrente sanguínea é a última etapa do sistema circulatório. Este é um processo químico que envolve principalmente a afinidade dos gases ao pigmento respiratório. A hemoglobina é o pigmento mais encontrado nos vertebrados, mas há outros pigmentos relatados para os invertebrados, como a hemocianina, hemiretrina e clorocruorina.  Outro pigmento importante é a mioglobina. Localizada nos músculos dos mamíferos elas armazenam oxigênio, liberando-o durante atividade física intensa.

A eficiência da respiração está relacionada com a extensão e espessura da membrana respiratória, pelo tempo de contato adequado entre o meio externo e interno para proporcionar as trocas, pela eficiência no transporte dos gases e, por fim, por um gradiente de difusão adequado para cada gás.