Sistema respiratório

O sistema respiratório é fundamental para a manutenção da vida, pois é responsável pela captação do oxigênio, essencial para a produção de energia nas células, e pela eliminação do dióxido de carbono, um subproduto do metabolismo celular. Além de garantir a troca gasosa, ele também atua na regulação do pH sanguíneo, na defesa contra agentes patogênicos e na produção de sons por meio da laringe. Seu funcionamento adequado é essencial para o equilíbrio do organismo, e qualquer comprometimento pode levar a sérios problemas de saúde, afetando a qualidade de vida e a sobrevivência.

Nos mamíferos, um sistema de ductos ramificados conduz ar para os pulmões, que estão localizados na cavidade torácica. O ar penetra pelas narinas, é filtrado por pelos, aquecido, umedecido e submetido à percepção de odores enquanto flui por um labirinto de espaços na cavidade nasal.

A cavidade nasal conduz à faringe, uma intersecção onde os trajetos para o ar e o alimento se cruzam. Quando o alimento é engolido, a laringe (a parte superior do trato respiratório) move-se para cima e vira a epiglote sobre a glote, que é a abertura da traqueia. Isso permite que o alimento passe do esôfago para o estômago. No restante do tempo, a glote permanece aberta, permitindo a respiração.

Da laringe, o ar passa para a traqueia. A cartilagem que reforça as paredes da laringe e da traqueia mantém aberta essa parte da passagem do ar. Dentro da laringe da maioria dos mamíferos, o ar expirado passa rápido por um par de faixas elásticas de músculo denominadas pregas vocais. Os sons são produzidos quando os músculos da laringe são estendidos, esticando as pregas, que vibram. Os sons agudos resultam das pregas rigidamente esticadas vibrando rapidamente; os sons graves são produzidos com pregas menos tensas vibrando lentamente.

A traqueia se ramifica em dois brônquios, cada um dando acesso a cada pulmão. No interior dos pulmões, os brônquios se ramificam repetidamente em tubos cada vez mais finos chamados de bronquíolos. O sistema de ductos de ar tem o aspecto geral de uma árvore invertida, com o tronco sendo a traqueia.

O epitélio que reveste os ramos principais dessa árvore respiratória é coberto por cílios e uma camada fina de muco. O muco retém poeira, pólen e outros contaminantes particulados; o batimento dos cílios move o muco para cima, em direção à faringe, onde pode ser engolido pelo esôfago. Esse processo, às vezes chamado de “escada rolante do muco”, desempenha um papel fundamental na limpeza do sistema respiratório.

Nos mamíferos, a troca gasosa ocorre nos alvéolos, sacos de ar agrupados nas pontas dos bronquíolos menores. Os pulmões humanos contêm milhões de alvéolos, que juntos têm uma área de superfície de cerca de 100 m² – 50 vezes maior do que a da pele. O oxigênio do ar entra nos alvéolos e se dissolve na camada úmida que reveste suas superfícies internas.

Em seguida, ele se difunde com rapidez pelo epitélio para a rede de capilares que circunda cada alvéolo. A difusão líquida de dióxido de carbono ocorre no sentido oposto: dos capilares, através do epitélio dos alvéolos, para o espaço de ar.

Na falta de cílios ou de correntes de ar expressivas para remover partículas da sua superfície, os alvéolos são altamente suscetíveis à contaminação. Os leucócitos monitoram os alvéolos, englobando as partículas estranhas. No entanto, se material particulado em demasia alcançar os alvéolos, as defesas podem ser superadas, levando à inflamação e dano irreversível.

Por exemplo, os particulados da fumaça do cigarro que penetram nos alvéolos podem causar uma redução permanente da capacidade pulmonar. Nos mineiros de carvão, a inalação de grandes quantidades de pó de carvão pode provocar silicose, doença pulmonar incapacitante e irreversível que, às vezes, é letal.

A película de líquido que reveste os alvéolos está sujeita à tensão superficial, uma força de atração que tem o efeito de minimizar a área de superfície de um líquido. Considerando seu diâmetro diminuto (cerca de 0,25 mm), por que os alvéolos colapsam sob tensão superficial alta? Acontece que os alvéolos produzem uma mistura de fosfolipídeos e proteínas denominada surfactante, agente ativo na superfície, que reveste os alvéolos e reduz a tensão superficial.

Como ocorre a respiração?

Os mamíferos empregam respiração com pressão negativa – puxando o ar para os pulmões, em vez de empurrá-lo. Usando a contração muscular para expandir ativamente a cavidade torácica, os mamíferos diminuem a pressão do ar nos pulmões a um nível abaixo da pressão fora do corpo. Visto que o gás flui de uma região de pressão mais alta para uma região de pressão mais baixa, o ar passa pelas narinas e pela boca e desce pelos tubos respiratórios até os alvéolos.

Durante a expiração, os músculos controlam o relaxamento da cavidade torácica e o volume desta é reduzido. O aumento da pressão do ar nos alvéolos força o ar a subir pelos tubos respiratórios e sair do corpo. Desse modo, a inspiração é sempre ativa e requer trabalho, ao passo que a expiração é geralmente passiva.

A expansão da cavidade torácica durante a inspiração envolve os músculos intercostais e o diafragma, uma lâmina de músculo esquelético que forma a parede inferior dessa cavidade. A contração de um grupo de músculos intercostais expande a caixa torácica, a parede frontal da cavidade torácica, forçando as costelas para cima e o esterno para fora. Ao mesmo tempo, o diafragma se contrai, expandindo a cavidade torácica para baixo.

Dentro da cavidade torácica, uma membrana dupla envolve os pulmões. A camada interna dessa membrana adere-se ao lado externo dos pulmões, e a camada externa adere-se à parede da cavidade torácica. As duas camadas são separadas por um espaço estreito preenchido com líquido.

Devido à tensão superficial no líquido, as duas camadas permanecem juntas, como duas placas de vidro separadas por uma película de água. As camadas podem deslizar suavemente uma sobre a outra, mas não podem ser facilmente separadas. Assim, o volume da cavidade torácica e o volume dos pulmões mudam em uníssono.

O volume de ar inspirado e expirado na respiração é denominado volume corrente. Nos humanos em repouso, em média, esse volume é de aproximadamente 500 ml. O volume corrente durante a inspiração máxima e a expiração é a capacidade vital, cerca de 3,4 L e 4,8 L para mulheres e homens jovens, respectivamente. O ar que permanece após uma expiração forçada é o volume residual. Com a idade, o pulmão perde sua resiliência, e o volume residual aumenta em detrimento da capacidade vital.

Controle da respiração

Embora você possa prender o ar ou respirar mais rápido e mais intensamente, na maior parte do tempo a respiração é regulada por mecanismos involuntários. Esses mecanismos de controle garantem que as trocas gasosas sejam coordenadas com a circulação sanguínea e com a demanda metabólica.

Os neurônios responsáveis pela regulação da respiração estão no bulbo (medula oblonga), perto da base do cérebro. Os circuitos neurais no bulbo formam um par de centros de controle da respiração que estabelecem o ritmo respiratório.

Na regulação da respiração, o bulbo utiliza o pH do líquido do tecido circundante como um indicador da concentração de CO₂ no sangue. O pH pode ser usado dessa maneira porque o CO₂ do sangue é o principal determinante do pH do líquido cerebrospinal, o líquido que circunda o cérebro e a medula espinal. O dióxido de carbono se difunde do sangue para o líquido cerebrospinal, onde reage com a água e forma ácido carbônico (H₂CO₃). O H₂CO₃ pode, então, dissociar-se em um íon bicarbonato (HCO₃^–) e um íon hidrogênio (H⁺).

Considere o que acontece se a atividade metabólica aumenta, como ocorre durante um exercício físico. O aumento do metabolismo eleva a concentração de CO₂ no sangue e no líquido cerebrospinal. Pela reação descrita acima, a concentração mais alta de CO₂ leva a um aumento da concentração de H^₊, diminuindo o pH.

Os sensores no bulbo e nos vasos sanguíneos principais detectam essa alteração no pH. Em resposta, os circuitos de controle do bulbo aumentam a intensidade e a taxa de respiração. Ambas permanecem altas, até que o excesso de CO₂ seja eliminado no ar expirado e o pH retorne ao valor normal.