Respiración branquial: Por qué los peces se asfixian fuera del agua… y dentro también

El profesor McManus buceando en aguas de la costa española

Buceaba hace unos días por aguas de la costa española (incluyo una foto, para los/as incrédulos/as) y la contemplación de varios grupos de peces me hizo pensar en la sorprendente capacidad de los seres vivos para adaptarse a situaciones difíciles. Ya sé que el título de esta noticia te habrá parecido un poco tonto (al menos la primera parte) porque ya sabes que los peces usan branquias para obtener el oxígeno y las branquias sólo funcionan en el agua, pero sigue leyendo y quizás descubras cosas que te hagan pensar de otra manera.

Todos los seres vivos, excepto algunos tipos de bacterias, necesitan oxígeno para vivir y lo obtienen del medio en el que viven. Los organismos terrestres lo consiguen del aire y los acuáticos del agua. Aparentemente, la disponibilidad de oxígeno en el agua no parece un problema, ya que cada molécula de agua contiene un átomo de oxígeno. Sin embaro, esto no les sirve de nada a los animales acuáticos, porque ese oxígeno está formando parte de la molécula de agua y no es nada fácil separalo de ella.

El único oxígeno útil para los peces es el que está en forma de moléculas de O2 (como las que hay en el aire) pero  mezcladas (disueltas) con las de agua… Pero también con esto surgen complicaciones. El agua no es un  medio muy bueno que digamos para disolver oxígeno. El oxígeno que hay disuelto en el agua proviene del que “entra” desde la atmósfera y del producido por la fotosíntesis de las algas. Si la atmósfera estuviera compuesta por un 100% de O2, la máxima concentración de O2 en agua a 10 ºC que podría alcanzarse sería de algo más de 50 mg de O2 por cada litro de agua (54,2 mg/L). Esto ya es una cantidad bastante pequeña, pero las cosas son aún peores, porque, en realidad, la atmósfera  posee un 21% de oxígeno, lo que hace que el agua a 10ºC sólo alcance una concentración de oxígeno disuelto de 11,3 mg/L. Esta concentración es unas ¡25 veces menor que la que posee la atmósfera!. Para que te hagas una idea, un ser humano no puede sobrevivir por debajo de unos 90 mg  de O2 por litro de aire que equivale a un 7% de oxígeno en la atmósfera.

Arcos branquiales y branquias de un pez. (Fuente: http://www.wikipedia.com)

Para enfrentarse a este problema, los peces (y otros organismos acuáticos) han desarrollado un sistema increíblemente eficiente para extraer el O2 disuelto en el agua: las branquias. Las branquias están formadas por un gran número filamentos delgados por cuyo interior circulan vasos sanguíneos. Los filamentos están dispuestos en varias hileras fijadas a unas estructuras llamadas arcos branquiales. El secreto de las branquias reside en dos características especiales. En primer lugar, el flujo de agua pasando entre los filamentos que componen las branquias es casi continuo (a diferencia de la respiración pulmonar donde se toma aire, se retiene unos instantes y luego se expulsa). Los peces absorben agua por la boca, luego la cierran, comprimen el agua, abren una abertura cercana a las branquias e impulsan el agua a través de ellas.

Estructura de filamentos branquiales y flujo contracorriente de agua y sangre. (Fuente: http://www.kalipedia.com)

En segundo lugar el agua pasa entre los filamentos en sentido contrario a como lo hace la sangre del pez por el interior  de los filamentos. A esto se le llama mecanismo contracorriente, y hace que el paso de O2 hacia la sangre sea unas 4 veces mayor que si la sangre y el agua circularan en el mismo sentido. El mecanismo es tan eficiente que llega a extraer hasta el 80% del oxígeno disuelto en el agua y esto permite que los peces sean capaces de sobrevivir en circunstancias normales con una disponibilidad de oxígeno mucho menor que en los ecosistemas terrestres.

Claro que quizás ahora te hagas la siguiente pregunta: si las branquias son tan eficientes obteniendo oxígeno, ¿por qué  no son capaces de hacerlo en el medio terrestre, donde la cantidad de oxígeno es mucho mayor? Pues la respuesta toma varios caminos. En primer lugar, el sistema de flujo de agua a través de las branquias que usan los peces, apenas funciona con el aire. Ten en cuenta que el agua no puede comprimirse, pero el aire sí. Cuando se produce la presión interna en la boca del pez toda esa presión se transmite al volumen de agua que hay dentro y ese agua es empujada a través de las branquias; pero si hay aire, este se comprime y el flujo a través de las branquias es mucho menos efectivo. En segundo lugar, al estar fuera del agua, todos los filamentos branquiales se quedan pegados unos a otros por efecto de la tensión superficial del agua (igual que cuando estás en la playa y sales del mar, tus pelos se te quedan pegados, mientras que cuando estás dentro, los cabellos ondulan  libremente). Esto provoca que la superficie de contacto de los filamentos con el aire se vea muy reducida, con lo cual, la ganancia de oxígeno también disminuye. Aún así, hay peces con respiración branquial que aguantan vivos fuera del agua muchos minutos.

Pero incluso dentro del agua hay factores que pueden complicar mucho la existencia a los peces: Cuanto más alta sea la temperatura o mayor la concentración de sal o menor el oleaje (mezcla superficial con el aire), aún menor será la concentración de oxígeno disuelto en el agua. Imagínate una charca muy poco profunda de agua salada, calentada por el sol de verano. En estas condiciones la situación puede volverse verdaderamente extrema (y no digamos nada si el agua termina evaporándose). Por debajo de una concentración de O2 de 3 mg/L no hay pez que aguante vivo mucho tiempo, así que para sobrevivir siendo animal acuático, hay que buscar soluciones imaginativas. En otras ocasiones, aunque las circunstancias sean buenas, puede ser útil explorar el “mundo exterior”.

¿Eres capaz de descubrir cuáles pueden ser esas soluciones especiales?  Te dejo tres videos que te ayudarán a responder (video 1video 2 y video 3 ). Verás como es muy fácil… y sorprendente.

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30 comentarios en “Respiración branquial: Por qué los peces se asfixian fuera del agua… y dentro también

  1. Hola manu,
    Los videos son impresionantes sobre todo el ultimo y el segundo
    ¿en el segundo video que son peces voladores?
    tambien el primero esta muy bien se ve la fuerza k puede llegar a tener un cangrejo y que supongo que a falta de alimento en el agua o en las rocas se han adaptado a comer cocos tambien ¿no es asi?
    una pregunta:en el ultimo video se ve que el pez resucita o algo parecido eso es porque estaba en un estado de hibernacion o algo asi?
    Es impresionante.
    Gracias un saludo.

    • Hola Juan.

      Los saltarines del fango, como su nombre indica, son buenos saltadores, pero no llegan a volar. El tercer ejemplo, que coreesponde a un pez africano llamado Protopterus, es especialmente espectacular, no sólo por su capacidad de desarrollar ese letargo que equivale a la hibernación de otros animales, sino porque apesar de ser un pez, cuenta con pulmones, es decir, cuenta con órganos respiratorios especialmente diseñados para extraer oxígeno del aire.

  2. 1.El primer video no lo he terminado de comprender,¿está intentando hacerse una especie de “traje de buzo para peces”?
    2. Buscan superficies húmedas para mantenerse en “remojo” y poder respirar.
    3.Deja paralizado su cuerpo para reservar energía y cuando vuelva a haber agua vuelve a “ponerse en funcionamiento”.

    Posdata: Me han encantado los videos.

    • Me alegro de que te hayan gustado tanto los videos, María.
      Lo cierto es cada uno de los ejemplos usa una estrategia diferente para sobrevivir fuera del agua.
      Por si quieres descubrir exactamente cómo, te dejo la siguiente información:
      El primer caso es el cangrejo de los cocoteros (Birgus latro). Ya puedes imaginar cuál es su alimento favorito. Además, es el úncio cangrejo ¡que se asfixia dentro del agua!. Consulta este enlace de Wikipedia y busca el apartado de “Respiración”. En contrarás su truco fácilemente.
      El segundo caso corresponde a un pez llamado coloquialmente saltarín del fango. Su nombre científico es Periophthalmus barbarus. Busca en este enlace y encontrarás la solución exacta.
      El tercer caso, quizá el más sorprendente, es un pez africano que pertenece al sorprendente grupo de los Dipnoos. Consulta esta página y nada más empezar a leer descubrirás su secreto.

  3. el primero seria tener humedad y no secarse para poder estar fuera del agua como le pasa al pez saltarin de agua una buena solucion es lo de vivir en el fango.
    segundo lo de los cangrejos de los cocoteros :umentan de tamaño y l tener mas fuerza como par romper un coco.
    tercero :y seria una marabilla poder estar hasta 4 años sin comer esperando l agua y tener un micro pulmon como el pez del tercer video

    • Muy Bien, Pedro. Aunque no sé si lo de esperar 4 años en letargo sería tan maravilloso como dices. En efecto, las branquias, en casos muy especiales pueden servir fuera del agua si cuentan con las adaptaciones necesarias. Y si no es suficiente con las branquias, otros peces, como bien dices, han recurrido a desarrollar pulmones. Por cierto, procura revisar la ortografía antes de enviar tu comentario

  4. Hola McManus.
    En el primer video el animal ha conseguido adaptarse a poder respirar en los dos medios para conseguir alimento
    En el segundo video el pez también se ha adaptado a los dos medios, pero no se puede secar, debe estar siempre húmedo y a las crías las mantiene en hoyos dentro de la arena donde hay agua, el macho les lleva oxígeno para que sobrevivan.
    En el tercer video el pez para conseguir sobrevivir cuando no hay agua, a desarrollado un pulmón y es capaz de “ivernar” durante 4 años hasta que llegue la época de lluvias.

    • Muy bien tu respuesta, Ana Belén.
      Sólo una corrección. Existen dos términos similares: Invernar (que es reducir la actividad para pasar el invierno) e hibernar (que es un proceso de intensa reducción del metabolismo, un letargo que desarrollan algunos animales para sobrevivir a la escasez de alimentos en el invierno). A lo que más se parece la estrategia del últmo ejemplo es a una hibernación, aunque en este caso, no es para pasar el frío del invierno sino la sequedad del verano. Por si te interesa te dejo enlaces sobre los ejemplos de la noticia.
      El primer caso es el cangrejo de los cocoteros (Birgus latro). Ya puedes imaginar cuál es su alimento favorito. Además, es el úncio cangrejo ¡que se asfixia dentro del agua!. Consulta este enlace de Wikipedia y busca el apartado de “Respiración”. En contrarás su truco fácilemente.
      El segundo caso corresponde a un pez llamado coloquialmente saltarín del fango. Su nombre científico es Periophthalmus barbarus. Busca en este enlace y encontrarás la solución exacta.
      El tercer caso, quizá el más sorprendente, es un pez africano que pertenece al sorprendente grupo de los Dipnoos. Consulta esta página y nada más empezar a leer descubrirás su secreto.

  5. !Buenas Mcmanus!
    Yo creo que los tres vídeos tienen en común que los peces viven fuera del mar, pero al tener branquias tienen que vivir debajo de tierra, porque tiene que haber humedad debido a que tienen branquias

    • Hola Carlos!
      Bien por tu respuesta. A lo que me planteas en tu respuesta, en efecto, la humedad es fundamental para todos estos ejemplos. Sin embargo, en cada caso, la solución es diferente.
      El primer caso es el cangrejo de los cocoteros (Birgus latro). Ya puedes imaginar cuál es su alimento favorito. Además, es el úncio cangrejo ¡que se asfixia dentro del agua!. Consulta este enlace de Wikipedia y busca el apartado de “Respiración”. En contrarás su truco fácilemente.
      El segundo caso corresponde a un pez llamado coloquialmente saltarín del fango. Su nombre científico es Periophthalmus barbarus. Busca en este enlace y encontrarás la solución exacta.
      El tercer caso, quizá el más sorprendente, es un pez africano que pertenece al sorprendente grupo de los Dipnoos. Consulta esta página y nada más empezar a leer descubrirás su secreto.

  6. Hola de nuevo Mc Manus:
    El cangrejo cocotero tiene pulmones por lo que tiene que vivir fuera del agua. El segundo, el saltarín del fango, puede “almacenar” agua y así sobrevivir fuera de esta. Y el tercero, ha desarrollado pulmones, y cuando no hay agua inverna y “ahorra energía” pero, además tiene branquias por lo que puede también sobrevivir en el agua.
    ¿Son correctas ahora mis respuestas? Espero su respuesta.

    • Chica, eres una máquina! Todas correctas, muy bien… y en tiempo record! En el caso del cangrejo cocotero, en realidad son branquias que funcionan en el aire, mientras que en el último caso son realmente pulmones (aunque más simples que los de mamíferos)

    • Hola, Luz. Los peces payaso mantienen una relación de mutualismo con las anémonas, que para la mayor parte de los peces resultan peligrosas o, cuando menos, molestas debido a sus tentáculos urticantes. Los peces payaso, sin embargo, pueden nadar entre los tentáculos de las anémonas sin sufrir daño alguno y, de esta forma, obtienen protección frente a posibles deperedadores. Por su parte, los peces payaso mantienen a la anémona libre de parásitos, la defienden de otros pequeños animales e incluso pueden proporcionarle lago de alimento. De esta forma, ambos resultan beneficiados.

      No está del todo claro qué es lo que hace que los peces payaso no se vean afectados por la capacidad uticante de la anémona, aunque se supone que debe estar relacionado con la cubierta mucosa de su piel. Es posible que su composición, diferente a la de otros peces y que parece que puede adaptarse según el tipo de anémona en la que vive, haga que el animal pase inadvertido para la anémona.
      Siempre que el pez payaso se va a vivir a una especie diferente de anémona, pasa por un periodo de adaptación durante el que se roza repetidamente con los tentáculos de la anémona. Es posible que el pez payaso se recubra con parte de la sustancias de la anémona que la protegen frente a su propio veneno o que el contacto provoque un cambio en la composición del pez.

  7. Tengo una hija de 5 añitos, que en clase están estudiando los peces y en especial, los tiburones.
    Le han formulado una pregunta que ha de responder, …. ¿Beben agua los tiburones? Cómo? Por dónde?
    Podrías ayudarme con una respuesta apropiada para su edad??
    Gracias

    • Pues, en contra de lo que parece lógico, la respuesta es NO (o en mínima cantidad, sólo cuando come), al menos no en el sentido de ingerir agua como los demás animales. Sin embargo, más allá de la curiosidad, la explicación excede, desde mi punto de vista, la posibilidades de comprenderlo de una niña de su edad.
      Probablemente el/la profesor/a busca sorprender con algo que damos por sentado: todos los seres vivos necesitamos agua (estamos formados en gran parte por agua) así que tenemos que beber agua. El sentido común nos sugiere que si un ser vivo no bebe agua morirá de sed.

      Sin embargo, los peces marinos tienen un problema especial con esto del agua: el agua de mar tiene mayor concentración de sales que el líquido interno del organismo y el agua siempre tiende a desplazarse desde donde hay más concentración de sustancias hacia donde hay menos. En definitiva, los peces marinos corren el peligro de perder su agua (porque escapa hacia el mar, que está más concentrado) y morir deshidratados. Ante este riesgo, cada tipo de pez “ha encontrado” una solución diferente.
      Los peces óseos, como las merluzas o los bacalaos sí beben gran cantidad de agua (salada, claro) pero tienen unos riñones que trabajan muy intensamente expulsando sales del cuerpo para conseguir que no se acumulen demasiado. Las branquias también ayudan a expulsar sales.
      Los tiburones, por el contrario, han “inventado” una solución distinta: aumentan la concentración de sus líquidos interno acumulando urea (que es una sustancia de desecho) y otras. De esta forma, aunque su medio interno tiene una concentración normal de sales, su concentración global es ligeramente superior al agua de mar. Por tanto, el agua tiende a entrar lentamente hacia el interior de su cuerpo a través de sus superficies externas, como la piel y las branquias. Así que podría decirse que los tiburones no beben agua sino que toman el agua que necesitan a través de sus superficies corporales gracias al “truco” de concentrar sus líquidos internos con urea. Como curiosidad, la orina de los tiburones es mucho más diluida (aguada) que la de los demás peces y además de los riñones, poseen unas glándulas en el aparato digestivo especializadas en expulsar del cuerpo el exceso de sales.

      En fin, sigo pensando que una explicación razonada a este problema excede absolutamente lo que puede comprender una niña de la edad de tu hija, pero al menos puede entender que la necesidad de agua no implica obligatoriamente la acción de beber y que vivir en el agua plantea a los seres vivos problemas (y soluciones) diferentes a vivir en tierra.

      Espero haberte podido ayudar. Suerte.

    • En primer lugar, disculpa el retraso en contestar tu pregunta.
      Existen muchos motivos por los que los peces no están preparados para vivir fuera del agua (aunque algunos consigan hacerlo durante cierto tiempo), pero en el artículo se habla, en concreto, de uno de estos motivos:

      las branquias (que son capaces de extraer oxígeno disuelto en el agua) no funcionan bien en el aire y esto, a pesar de que el aire contiene una proporción de oxígeno mucho mayor que el agua. ¿Por qué? La respuesta está en el diseño de las branquias.

      Las branquias están formadas por multitud de laminillas entre las que circula constantemente el agua gracias a los movimientos de la boca del pez y/o de su movimiento al nadar. Pero al sacar al pez del agua todo ” se fastidia”. En primer lugar, las laminillas branquiales se quedan pegadas unas a otras por efecto de la tensión superficial. Esto dificulta que el aire pueda pasar a través de ellas.

      Un ejemplo: Imagina que recortas unas tiras de papel (que harán las veces de laminillas branquiales) y las sujetas por un extremo. Ahora las mantienes sumergidas en agua. Observa que cuando están mojadas, los extremos libres de las láminas de papel se mueven libremente. El agua puede pasar libremente entre ellas. Sin embargo, si sacas las tiras de papel del agua, verás que dichas tiras se quedan pegadas unas a otras por efecto de la tensión superficial del agua. Es como si el agua hiciera de pegamento y el aire no puede pasar entre ellas.
      Hay además otros problemas. Por ejemplo, la boca del pez fuera del agua no consigue impulsar la suficiente cantidad de aire como para separar las láminas ya que el aire es mucho más compresible que el agua y por tanto, el flujo de aire será mucho menor. Incluso si consiguiera hacerlo sería un problema aún mayor porque el tejido de las branquias, que es muy delicado, se deshidrataría y se secaría, por lo que dejaría de funcionar.

      De hecho los peces capaces de sobrevivir bastante tiempo fuera del agua siempre mantienen húmedas sus branquias y en su caso consiguen tener una superficie branquial expuesta suficiente como para conseguir la mínima cantidad de oxígeno necesaria para sobrevivir.

      Espero haberte servido de ayuda.

  8. ABSURDO!!!! Los peces no obtienen oxigeno del agua propiamente sino de oxigeno disuelta en ella…. de lo contrario tendrian que tener la suficiente energia para romper la molecula y si destruyes la molecula del agua quedaria H2 osea dos moleculas de hidrogeno lo que seria un gas muy peligroso… Averiguen màs y no se confien de la seudociencia que bien peligrosa si es!!!!.

    • Exacto! Esta es precisamente la primera idea que se explica en el artículo, así que creo que no has entendido bien la primera parte. Cuando se habla del “oxígeno del agua” se tiende a dar por supuesto que nos referimos a los átomos de oxígeno que forman parte de la molécula de agua, pero, como bien dices, este oxígeno no puede ser extraído por las branquias de los peces porque necesitarían “romper” las moléculas de agua. Este proceso sí puede realizarse en el laboratorio, por ejemplo, mediante una sencilla electrólisis, pero no es lo que hacen las branquias de los peces, desde luego.

      El oxígeno que extraen las branquias está en realidad disuelto en el agua de la misma forma que el oxígeno que se encuentra disuelto en el aire, es decir, en su forma molecular, aunque su concentración es muy diferente. Y es este oxígeno molecular disuelto en el agua junto con otras sustancias químicas, el que las branquias sí extraen del agua hacia la sangre del animal.

      Estoy de acuerdo contigo en que es necesario combatir la pseudociencia. Gracias por tu participación.

  9. bueno esta pagina esta de lo mejor pero mi info es mejor miren:
    Las branquias son los órganos respiratorios de numerosos animales acuáticos, mediante los cuales se extrae el oxígeno (O2) disuelto en el agua y transfiere el dióxido de carbono (CO2) al medio.
    Los animales acuáticos dotados de branquias captan el O2 que se encuentra disuelto en el agua, el cual pasa a los fluidos internos y es transportado a los tejidos, donde las células lo requieren para la respiración celular, proceso que se realiza en orgánulos celulares llamados mitocondrias. Como resultado de la respiración celular se produce CO2, el cual debe ser eliminado para evitar la intoxicación del medio interno.
    Los animales más pequeños y de menor tasa metabólica realizan el intercambio de gases por su superficie corporal.

  10. Tu explicación me encanta,intento estudiar el mecanismo de contracorriente hace dos semanas y recién hasta ahora lo comprendí bien!! Muchas Gracias

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