Evolución del sistema respiratorio en los animales

Hace unos 300 millones de años, los ancestros de los reptiles modernos salieron del agua y se dedicaron a respirar aire. Eran exotérmicos e incapaces de mantener niveles elevados de actividad física. Pero a partir de ellos evolucionaron las dos grandes clases de vertebrados con altos niveles de consumo máximo de oxígeno: los mamíferos y las aves. Una característica notable de estas dos líneas evolutivas divergentes es que, aunque la fisiología de muchos sistemas de órganos muestra muchas similitudes, los pulmones son radicalmente diferentes. Una diferencia importante es que la ventilación del tejido que intercambia gases tiene un patrón de flujo en el ave, pero es recíproco en el mamífero. El resultado es que los mamíferos tienen una tensión de oxígeno alveolar y arterial reducida, un potencial de ventilación desigual y espacios aéreos terminales relativamente grandes. Esto, a su vez, significa que los capilares pulmonares están mal soportados en comparación con el ave. El resultado es que los capilares pulmonares del ave tienen paredes mucho más finas y uniformes, con un intercambio de gases más eficaz. Otras ventajas del pulmón del ave son que utiliza un patrón de intercambio de gases más eficiente y que el ave ha separado las funciones de ventilación y de intercambio de gases. Desde el punto de vista de la estructura y la función, el pulmón de las aves es superior.

Evolución de los pulmones humanos

Los seres humanos y muchos otros animales tienen dos pulmones, situados uno al lado del otro en el cuerpo. Las serpientes son diferentes porque su pulmón izquierdo es a menudo pequeño o falta por completo. Esto se debe posiblemente a que el cuerpo de la serpiente es tan delgado que no hay espacio suficiente para dos pulmones. La pregunta es: ¿cómo se redujo el tamaño del pulmón izquierdo durante la evolución?

Un grupo internacional de científicos dirigido por el profesor Michael Richardson ha estudiado esta cuestión de los pulmones asimétricos de las serpientes. El trabajo fue llevado a cabo durante una pasantía por el estudiante del IBL Benjamin van Soldt, quien también pudo beneficiarse de la experiencia del Prof. Robert Poelmann (IBL), el Dr. Freek Vonk (Naturalis) y otros.

Los investigadores examinaron embriones y adultos de serpiente utilizando el escáner microCT de sus colegas de la Universidad de Viena. Descubrieron que, en algunas especies, el pulmón izquierdo no se desarrolla completamente en el embrión. En otras especies, sí se desarrolla, pero crece lentamente y luego deja de hacerlo. El estudio revela, por tanto, que el plan corporal de los animales puede evolucionar mediante cambios en las tasas de crecimiento de los órganos embrionarios.

Evolución del sistema respiratorio

Los pulmones son los órganos principales del sistema respiratorio en los seres humanos y la mayoría de los animales, algunos peces y algunos caracoles. En los mamíferos y en la mayoría de los demás vertebrados, hay dos pulmones situados cerca de la columna vertebral, a ambos lados del corazón. Su función en el sistema respiratorio es extraer oxígeno del aire y transferirlo al torrente sanguíneo, y liberar dióxido de carbono del torrente sanguíneo a la atmósfera, en un proceso de intercambio de gases. La respiración es impulsada por diferentes sistemas musculares en las distintas especies. Los mamíferos, los reptiles y las aves utilizan sus diferentes músculos para apoyar y fomentar la respiración. En los primeros tetrápodos, el aire era impulsado hacia los pulmones por los músculos faríngeos mediante el bombeo bucal, un mecanismo que todavía se observa en los anfibios. En los humanos, el principal músculo respiratorio que impulsa la respiración es el diafragma. Los pulmones también proporcionan el flujo de aire que hace posible los sonidos vocales, incluido el habla humana.

El tejido de los pulmones puede verse afectado por una serie de enfermedades respiratorias, como la neumonía y el cáncer de pulmón. La enfermedad pulmonar obstructiva crónica incluye la bronquitis crónica y el enfisema, y puede estar relacionada con el tabaquismo o la exposición a sustancias nocivas. Una serie de enfermedades pulmonares profesionales pueden estar causadas por sustancias como el polvo de carbón, las fibras de amianto y el polvo de sílice cristalina. Enfermedades como la bronquitis también pueden afectar a las vías respiratorias. Los términos médicos relacionados con el pulmón suelen comenzar con pulmo-, del latín pulmonarius (de los pulmones) como en neumología, o con pneumo- (del griego πνεύμων “pulmón”) como en neumonía.

¿Cómo evolucionaron las branquias hacia los pulmones?

Tradicionalmente se piensa que los pulmones y las extremidades son innovaciones clave que llegaron con la transición de los vertebrados del agua a la tierra. Pero en realidad, la base genética de la respiración aérea y el movimiento de las extremidades ya estaba establecida en nuestro ancestro de los peces 50 millones de años antes. Esto, según un reciente mapeo del genoma de peces primitivos realizado, entre otros, por la Universidad de Copenhague. El nuevo estudio cambia nuestra comprensión de un hito clave en nuestra propia historia evolutiva.

No es nada nuevo que los humanos y todos los demás vertebrados hayan evolucionado a partir de los peces. Hasta ahora, se creía que algunos peces se desplazaron hacia tierra firme hace unos 370 millones de años como animales primitivos parecidos a los lagartos, conocidos como tetrápodos. Según esta idea, nuestros antepasados pasaron del agua a la tierra convirtiendo sus aletas en extremidades y la respiración bajo el agua en respiración aérea.

Sin embargo, las extremidades y los pulmones no son innovaciones que hayan aparecido tan recientemente como se creía. Nuestro ancestro común de los peces, que vivió 50 millones de años antes de que los tetrápodos llegaran a tierra, ya tenía los códigos genéticos de las formas de las extremidades y la respiración por aire necesarias para el aterrizaje. Estos códigos genéticos siguen presentes en los humanos y en un grupo de peces primitivos.