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MAGNETISMO

MAGNETISMO

Existe en la naturaleza un mineral llamado magnetita o piedra imán que tiene la propiedad de atraer el hierro, el cobalto, el níquel y ciertas aleaciones de estos metales. Esta propiedad recibe el nombre de magnetismo.

Los imanes

Un imán es un material capaz de producir un campo magnético exterior y atraer el hierro (también puede atraer al cobalto y al níquel). Los imanes que manifiestan sus propiedades de forma permanente pueden ser naturales, como la magnetita (Fe3O4) o artificiales, obtenidos a partir de aleaciones de diferentes metales. Podemos decir que un imán permanente es aquel que conserva el magnetismo después de haber sido imantado. Un imán temporal no conserva su magnetismo tras haber sido imantado.

En un imán la capacidad de atracción es mayor en sus extremos o polos. Estos polos se denominan norte y sur, debido a que tienden a orientarse según los polos geográficos de la Tierra, que es un gigantesco imán natural.

La región del espacio donde se pone de manifiesto la acción de un imán se llama campo magnético. Este campo se representa mediante líneas de fuerza, que son unas líneas imaginarias, cerradas, que van del polo norte al polo sur, por fuera del imán y en sentido contrario en el interior de éste; se representa con la letra B.

Desde hace tiempo es conocido que una corriente eléctrica genera un campo magnético a su alrededor. En el interior de la materia existen pequeñas corrientes cerradas debidas al movimiento de los electrones que contienen los átomos, cada una de ellas origina un microscópico imán o dipolo. Cuando estos pequeños imanes están orientados en todas direcciones sus efectos se anulan mutuamente y el material no presenta propiedades magnéticas; en cambio si todos los imanes se alinean actúan como un único imán y en ese caso decimos que la sustancia se ha magnetizado.  Imantar un material es ordenar sus imanes atómicos.

El magnetismo es producido por imanes naturales o artificiales. Además de su capacidad de atraer metales, tienen la propiedad de polaridad. Los imanes tienen dos polos magnéticos diferentes llamados Norte o Sur. Si enfrentamos los polos Sur de dos imanes estos se repelen, y si enfrentamos el polo sur de uno, con el polo norte de otro se atraen. Otra particularidad es que si los imanes se parten por la mitad, cada una de las partes tendrá los dos polos.

Cuando se pasa una piedra imán por un pedazo de hierro, éste adquiere a su vez la capacidad de atraer otros pedazos de hierro.

La atracción o repulsión entre dos polos magnéticos disminuye a medida que aumenta el cuadrado de la distancia entre ellos.

Campo magnético

Se denomina campo magnético a la región del espacio en la que se manifiesta la acción de un imán.  Un campo magnético se representa mediante líneas de campo.

Un imán atrae pequeños trozos de limadura de hierro, níquel y cobalto, o sustancias compuestas a partir de estos metales (ferromagnéticos).  La imantación se transmite a distancia y por contacto directo. La región del espacio que rodea a un imán y en la que se manifiesta las fuerzas magnéticas se llama campo magnético.

Las líneas del campo magnético revelan la forma del campo. Las líneas de campo magnético emergen de un polo, rodean el imán y penetran por el otro polo.  Fuera del imán, el campo esta dirigido del polo norte al polo sur. La intensidad del campo es mayor donde están mas juntas las líneas (la intensidad es máxima en los polos).

El magnetismo esta muy relacionado con la electricidad. Una carga eléctrica esta rodeada de un campo eléctrico, y si se esta moviendo, también de un campo magnético. Esto se debe a las “distorsiones” que sufre el campo eléctrico al moverse la partícula.

 

El campo eléctrico es una consecuencia relativista del campo magnético. El movimiento de la carga produce un campo magnético.

En un imán de barra común, que al parecer esta inmóvil, esta compuesto de átomos cuyos electrones se encuentran en movimiento (girando sobre su orbita. Esta carga en movimiento constituye una minúscula corriente que produce un campo magnético. Todos los electrones en rotación son imanes diminutos.

UNA CARGA EN MOVIMIENTO PRODUCE UN CAMPO MAGNÉTICO

La brújula

La brújula señala al norte magnético de la tierra, que no coincide con el norte geográfico, ya que conoce había explicado antes los polos opuestos se atraen y los similares se repelen, en el norte geográfico de la tierra se encuentra el polo sur magnéticamente hablando por lo que su opuesto (el norte en este caso) apunta lo contrario en una brújula.

Electromagnetismo

El experimento de Oersted:

Hans Oersted estaba preparando su clase de física en la Universidad de Copenhague, una tarde del mes de abril, cuando al mover una brújula cerca de un cable que conducía corriente eléctrica notó que la aguja se deflectaba hasta quedar en una posición perpendicular a la dirección del cable. Más tarde repitió el experimento una gran cantidad de veces, confirmando el fenómeno. Por primera vez se había hallado una conexión entre la electricidad y el magnetismo, en un accidente que puede considerarse como el nacimiento del electromagnetismo.         

Del experimento de Oersted se deduce que Una carga en movimiento crea un campo magnético en el espacio que lo rodea.

Una corriente eléctrica que circula por un conductor genera a su alrededor un campo magnético cuya intensidad depende de la intensidad de la corriente eléctrica y de la distancia del conductor.

Campo magnético creado por un conductor rectilíneo:

Una corriente rectilínea crea a su alrededor un campo magnético cuya intensidad se incrementa al aumentar la intensidad de la corriente eléctrica y disminuye al aumentar la distancia con respecto al conductor.

En 1820 el físico danés Hans Christian Oersted descubrió que entre el magnetismo y las cargas de la corriente eléctrica que fluye por un conductor existía una estrecha relación.

Cuando eso ocurre, las cargas eléctricas o electrones que se encuentran en movimiento en esos momentos, originan la aparición de un campo magnético tal a su alrededor, que puede desviar la aguja de una brújula.

Campo magnético creado por una espira:

El campo magnético creado por una espira por la que circula corriente eléctrica aumenta al incrementar la intensidad de la corriente eléctrica

Campo magnético creado por un solenoide:

El campo magnético creado por un solenoide se incrementa al elevar la intensidad de la corriente, al aumentar el número de espiras y al introducir un trozo de hierro en el interior de la bobina (electroimán).

Bobina solenoide con núcleo de aire construida con alambre desnudo de cobre enrollado en forma de espiral y protegido con barniz aislante. Si a esta bobina le suministramos corriente eléctrica empleando cualquier fuente de fuerza electromotriz, como una batería, por ejemplo, el flujo de la corriente que circulará a través de la bobina propiciará la aparición de un campo magnético de cierta intensidad a su alrededor.

  

Bobina solenoide a la que se le ha introducido un núcleo metálico como el hierro (Fe). Si comparamos la bobina anterior con núcleo de aire con la bobina de  esta ilustración, veremos que ahora las líneas de fuerza magnética se encuentran mucho más intensificadas al haberse convertido en un electroimán.

Corrientes inducidas

En 1831, Michael Faraday observó que un imán generaba una corriente eléctrica en las proximidades de una bobina, siempre que el imán o la bobina estuvieran en movimiento. La explicación teórica fue:

Es necesario un campo magnético variable (imán, bobina o cable en movimiento) para crear una corriente eléctrica en el cable o en la bobina.  Esta corriente se conoce como corriente inducida, y el fenómeno, como inducción electromagnética. La corriente eléctrica inducida existe mientras dure la variación del campo magnético.

La intensidad de la corriente eléctrica es tanto mayor  cuanto más intenso sea el campo magnético y cuanto más rápido se muevan el imán o la bobina.

Condición para inducir una corriente eléctrica:

La corriente eléctrica inducida existe mientras dure esta variación, y su intensidad es tanto mayor cuanto más rápida sea dicha variación.

Una corriente eléctrica crea a su alrededor un campo magnético, y un campo magnético variable inducido, a su vez, una corriente eléctrica en un circuito.

El sentido de la corriente inducida (Ley de Lenz):  La corriente inducida tiende a oponerse a causa que la produce.

El circuito de la figura consta de una barra conductora que desliza sobre dos conductores rectilíneos. El circuito queda cerrado a través de una resistencia señalada como R y lo acciona un interruptor. Se encuentra inmerso en un campo magnético B el cual es perpendicular al plano definido por el circuito y dirigido hacia en interior de su pantalla.

Si ponemos en movimiento la varilla con una velocidad v como se indica, en las cargas que existen en la varilla se producirán fuerzas.

Aplicación de las corrientes inducidas

La inducción electromagnética es el fundamento del alternador y la dinamo, dispositivos que generan corriente, así como de los transformadores y motores eléctricos, que convierten la energía eléctrica en mecánica (movimiento).

Un alternador está formado por un imán fijo a una bobina capaz de girar entre los polos del imán. El alternador produce corriente alterna. Un alternador consta de dos partes fundamentales, el inductor, que es el que crea el campo magnético y el inducido que es el conductor el cual es atravesado por las líneas de fuerza de dicho campo

Para más información sobre alternadores pincha aquí.

Un rectificador transforma la corriente alterna en corriente continua, es decir, rectifica la corriente alterna.

Una dinamo consta de un imán que gira en el interior de un núcleo de hierro dulce, que tiene arrollada una bobina. Una dinamo produce corriente continua.

Faraday mostró que otra forma de inducir la corriente era moviendo el conductor eléctrico mientras la fuente magnética permanecía estacionaria. Este fue el principio de la dinamo de disco, que presentaba un disco conductor girando dentro de un campo magnético movido mediante una correa y una polea en la izquierda. El circuito eléctrico se completaba con hilos estacionarios que tocan el disco en su borde y en su eje, como se muestra en la parte derecha del dibujo. No era un diseño muy práctico de la dinamo (a menos que buscásemos generar enormes corrientes a muy bajo voltaje), pero en el universo a gran escala, la mayoría de las corrientes son producidas, aparentemente, mediante movimientos semejantes.

  

El transformador.

Un transformador consta de dos arrollamientos de cable sobre un núcleo de hierro dulce y se utiliza para modificar la tensión de la corriente alterna.

El motor eléctrico.

Un motor eléctrico es un aparato que transforma energía eléctrica en energía mecánica.

Existen diferentes tipos de motores, pero de entre todos tal vez sean los llamados “motores de corriente continua” los que permiten ver de un modo más simple cómo obtener movimiento gracias al campo magnético creado por una corriente.

El elemento situado en el centro es la parte del motor que genera el movimiento. Se la llama armadura o rotor, y consiste en un electroimán que puede girar libremente entorno a un eje. Dicho rotor está rodeado por un imán permanente, cuyo campo magnético permanece fijo.

El electroimán recibe la corriente a través del contacto establecido entre las escobillas y el conmutador. Las escobillas permanecen fijas, mientras que el conmutador puede girar libremente entre ellas siguiendo el movimiento del rotor.

Cuando la corriente pasa a lo largo del electroimán, sus polos son atraídos y repelidos por los polos del imán fijo, de modo que el rotor se moverá hasta que el polo norte del electroimán quede mirando al polo sur del imán permanente. Pero tan pronto como los polos del rotor quedan “mirando” a los polos del imán, se produce un cambio en el sentido de la corriente que pasa por el rotor. Este cambio es debido a que el conmutador, al girar, modifica los contactos con las escobillas e intercambia el modo en que el electroimán recibe la corriente de la pila.

Al modificarse el signo de los polos del electroimán, los polos del rotor resultarán repelidos por los polos del imán fijo, pues en esta nueva situación estarán enfrentados polos de igual signo, con lo cual el rotor se ve obligado a seguir girando. Nuevamente, cuando los polos del electroimán estén alineados con los polos opuestos del imán fijo, el contacto entre escobillas y conmutador modificará el sentido de la corriente, con lo cual el rotor será forzado a seguir girando.

EXCRECIÓN EN SERES VIVOS

  EXCRECIÓN EN SERES VIVOS

Los seres vivos pueden fabricar sus alimentos u obtenerlos del medio. Los digieren para liberar los nutrientes que contienen y, a través de procesos metabólicos, los utilizan para formar o descomponer sustancias. Como consecuencia, se producen sustancias de desecho que deben ser expulsadas, pues de lo contrario, pueden producir intoxicación e, incluso, la muerte del organismo.

La excreción es la función mediante la cual los seres vivos liberan sustancias desecho, manteniendo con ello, la  homeostasis o equilibrio interno. Para realizar este proceso, cuentan con diversas estructuras: organelos celulares, células, órganos y sistemas especializados, como lo estudiaremos a continuación.

Generalidades sobre la excreción

Las principales sustancias de desecho que producen las células de los seres  vivos  son el  dióxido de carbono  (CO2),  el  agua (H20) y el  amoníaco  (NH3). El dióxido de carbono y el agua se producen durante la respiración aeróbica de organismos como los seres humanos. El amoníaco es un compuesto de desecho que se originan por la degradación de las proteínas. Existen otros compuestos de desecho, los cuales varían de acuerdo con los distintos tipos de organismos; entre ellos se encuentran los taninos producidos por las plantas, la urea y el ácido úrico, producidos por los animales.

Propósito del proceso de la excreción

Además de eliminar sustancias de desecho, la excreción permite a los organismos controlar la concentración de sales y de otras sustancias disueltas en las células, las cuales afectan su funcionamiento. La excreción también mantiene el equilibrio hídrico,  es decir, la cantidad de agua que sale y entra al organismo.

La osmorregulación

Como sabes, la ósmosis es el proceso por el cual agua pasa a través de una membrana semipermeable de acuerdo con la concentración de sales presente en el medio. En los seres vivos este transporte de agua y sales, y el control interno de los niveles de estos compuestos es lo que se denomina osmorregulación, un proceso necesario para mantener el  equilibrio hídrico y químico dentro del organismo.

Los contenidos celulares de todos los seres vivos son  similares, en su composición, al agua de mar, aunque  las concentraciones de las diferentes sustancias varían en relación con el medio en el cual viven. Estas variaciones son las que determinan, por ejemplo, la diversidad de los sistemas de excreción en los seres vivos.

La glándula de sal es una estructura especializada que se encuentra en ciertos organismos que viven en áreas que proveen alimentos con altos contenidos en sales. Estas estructuras ayudan a eliminar el exceso de sal que ingresa en el individuo.

EQUILIBRIO HÍDRICO

Para entender la importancia del equilibrio hídrico, es necesario entender el fenómeno de la osmosis y sus efectos sobre las células. La osmosis es el movi­miento de agua a través de una membrana semiper­meable, como la membrana celular, desde un lugar de menor concentración de sustancias disueltas hacia otro donde estas están en mayor concentra­ción. Se pueden presentar tres condiciones:

• Cuando el citoplasma es hipertónico con respec­to al medio, es decir, cuando la concentración de sustancias disueltas es mayor dentro de las célu­las que en el líquido que las rodea, entonces el agua entrará a ellas por osmosis. Si el exceso de agua no se elimina, las células se pueden llegar a explotar.

• Cuando el citoplasma es hipotónico, es decir, cuando tiene menor concentración de sustancias disueltas que el medio extracelular, el agua saldrá de la célula. Si el agua no se remplaza, las células se pueden deshidratar y morir.

-  Cuando el citoplasma es isotónico con respecto al medio, es decir, cuando tiene la misma concentra­ción de sustancias disueltas, entonces la salida y la entrada de agua a la célula serán equivalentes.

La excreción en móneras, protistas y hongos.

Como resultado del metabolismo de los móneras, protistas y  hongos se producen sustancias de desecho que se eliminan a través de las membranas celulares mediante: transporte pasivo, transporte activo y exocitosis; mecanismos que, como sabes, también son importantes para la adquisición de las sustancias que la célula requiere para vivir.

La ocurrencia de uno u otro tipo de proceso depende del tipo y del tamaño del elemento, molécula o sustancia que se requiera movilizar. La parte inferior muestra las principales sustancias de desecho que son excretadas por estos organismos; algunas de ellas son re utilizadas por otros organismos.

El transporte pasivo

El transporte pasivo se caracteriza porque no requiere energía, debido a que las sustancias que se excretan pasan de un sitio de  mayor concentración (en este  caso el interior de la célula) hacia uno en donde se presenta en menor  concentración (exterior celular). Puede ser difusión simple cuando la sustancia  sale a través de cualquier lugar de la membrana; o difusión facilitada cuando  se requiere que la sustancia que se va a eliminar se adhiera a una proteína de membrana.

El transporte activo

Cuando la concentración de una sustancia de desecho es menor dentro de la célula que en su exterior, se requiere un aporte energético, por esta razón se habla de  transporte activo. La energía que se utiliza genera cambios en las proteínas de membrana o en los gradientes de concentración, lo cual facilita el transporte de dentro hacia fuera  de la célula.

La exocitosis

Cuando las moléculas que la  célula necesita eliminar son grandes o insolubles en la membrana, se forman vesículas en el interior celular. Estas al fusionarse con la membrana celular, permitirán la expulsión de tales moléculas. Este proceso se conoce como exocitosis.

Excreción en las plantas

Las plantas excretan agua y dióxido de carbono, como resultado del proceso de la respiración, y oxígeno, como resultado del proceso de la fotosíntesis. En estos organismos no existen sistemas de excreción especializados, sin embargo, en algunos grupos de plantas se observan estructuras especiales como las glándulas de sal las lenticelas cuya función es la excreción de sales en ambientes ricos en estas sustancias.

Además de estas pocas sustancias, las plantas son capaces de producir algunas otras que tienen aplicaciones industriales por lo que, si bien no son productos de desecho, las veremos aquí con un poco de detalle.

Estructuras excretoras en las plantas

Estomas

Las plantas presentan unas estructuras denominadas estomas que se encuentran en las áreas donde se realiza la fotosíntesis, principalmente en las hojas. Son en realidad células especializadas que se encargan de la excreción de los gases (dióxido de carbono y oxígeno) y el agua. Este último proceso es denominado transpiración. Un estoma está formado por una cavidad y unas células oclusivas que se encuentran a lado y lado de la abertura y se encargan de abrir y cerrar el estoma. De esta forma regulan la salida de gases y agua, aunque también están involucrados en  el ingreso de gases a la planta. El conjunto de estomas y células oclusivas se denomina aparato estomático.

Algunas plantas cuentan con unas estructuras denominadas lenticelas que también se encuentran involucradas en la movilización de agua y gases. Se forman en las cortezas de los tallos y ramas de los árboles y las plantas. Los manglares, plantas que viven en zonas costeras inundables y cuya agua es muy salada, por provenir de una fuente marina, cuentan con este tipo de estructuras.

Las plantas halófitas, es decir, aquellas que se desarrollan en ambientes salinos presentan otro tipo de estructuras denominadas glándulas de sal, las cuales facilitan la excreción de sal que la planta recibe en exceso como consecuencia de su crecimiento en estos ambientes. Estas glándulas se ubican en las hojas y excretan sobre su superficie la sal, la cual es removida por el agua o el viento; de esta manera regulan sus niveles internos de sales disueltas.

Es común, en las plantas, la acumulación de diferentes tipos de sustancias que no son utilizadas en sus actividades metabólicas y que pueden ser productos secundarios del proceso metabólico, o simplemente sustancias que adquieren del medio pero que no les son de utilidad. Este tipo de sustancias se almacena en vacuolas y, en algunos casos, puede llegar a formar cristales, como ocurre con el sílice o el oxalato de calcio (estos cristales son a las plantas lo que un cálculo es a un animal).

Metabolitos secundarios producidos por las plantas

Como resultado de sus procesos metabólicos las plantas producen sustancias que no son esenciales para su mantenimiento pero tampoco son desechos metabólicos. Estas sustancias se denominan metabolitos secundarios y pueden jugar un papel importante en la defensa de las plantas contra el ataque de los herbívoros y, en general, tienen aplicaciones médicas e industriales.

Estos compuestos pueden ser de varios tipos y su clasificación depende del tipo de ruta metabólica en la cual se forman y, por consiguiente, de sus características químicas. Entre estas sustancias se encuentran los taninos, los aceites esenciales y el látex.Los alucinógenos son también metabolitos secundarios producidos por las plantas. Se trata de sustancias que causan graves alteraciones en la percepción de quienes lo ingieren. La amapola es una planta que produce el alcaloide llamado morfina. En medicina se utiliza como un poderoso analgésico, pero genera alto grado de adicción.

Los  taninos  son metabolitos secundarios que son utilizados para curtir las pieles crudas y convertirlas en cuero. Tanino viene de "tanning" que significa curtido. Este tipo de sustancias tiene tono oscuro, sabor amargo  y  astringente, y colores que van desde el amarillo hasta el castaño oscuro, casi negro. Se encuentran frecuentemente en la madera de los árboles leñosos. Son toxinas que limitan el crecimiento de los herbívoros que las ingieren. Además de su uso en el curtido de cuero, tienen aplicaciones en la fabricación de los vinos tintos y del whisky.

Estos son almacenados en barriles hechos con maderas que contienen taninos, de ahí sus colores y aromas característicos.

Los aceites esenciales son los responsables de los aromas que expiden ciertas plantas o partes de ellas. Industrialmente, son utilizados para la elaboración de perfumes y alimentos. A nivel ecológico, son importantes en la atracción de polinizadores y la defensa de la planta contra el ataque de herbívoros. Algunos de los aceites esenciales más comunes son el jazmín y el lavanda, producidos en las flores; el limón y la naranja muy perceptible en las cáscaras de los frutos; o el incienso que es una resina exhudada a través de los tallos.

El látex es uno de los productos de excreción de las plantas que tiene una importante aplicación industrial: la producción del caucho. El látex una mezcla de aceites, azúcares, sales minerales, proteínas, alcaloides, taninos, entre otros compuestos, y se encuentra a lo largo de unos canales especializados denominados canales laticíferos con los que cuentan algunas plantas. La composición química del látex varía en los diferentes tipos de plantas. En algunas, por ejemplo, puede ser tóxico, en otras tiene un sabor dulce. A nivel ecológico, ayuda en la defensa de la planta y en sus procesos de cicatrización.

Excreción en los animales

En los animales se observan sistemas excretores que varían en complejidad y especialización, dependiendo del medio en el cual se desarrollen.

Los animales  relativamente sencillos excretan a través de procesos de difusión que ocurren entre el interior y el exterior del organismo, en tanto que en los vertebrados se han desarrollado sistemas excretores que les han permitido adaptarse a diferentes medios.

Sustancias de desecho en los animales

Las principales sustancias de desecho producidas por los animales son el agua, las sales y los compuestos nitrogenados, los cuales son eliminados a través de los diferentes mecanismos de excreción. Las sustancias nitrogenadas producidas por los animales como resultado de la degradación de proteínas y ácidos nucleicos pueden ser de tres tipos: amoníaco, ácido úrico, urea. Dependiendo del tipo de sustancia nitrogenada que expulsen los organismos pueden clasificarse como amoniotélicos, uricotélicos y ureotélicos. Los amoniotélicos excretan amoníaco, sustancia tóxica que requiere una gran cantidad de agua para ser diluida; en los uricotélicos el compuesto nitrogenado de desecho es el ácido úrico, menos tóxico que el amoníaco y excretado en forma sólida para ahorrar agua. y finalmente ureotélicos, que corresponden a los organismos que producen y excretan urea.

La excreción en los invertebrados

La mayor parte de los invertebrados marinos excretan nitrógeno en forma de amoníaco por mecanismos de difusión hacia el agua marina. Los invertebrados que viven en ambientes de agua dulce y terrestres han desarrollado diferentes órganos excretores cuyo principio básico es la filtración de los fluidos del cuerpo, su secreción y la reabsorción de ciertas sustancias específicas.                      

A continuación profundizaremos en estas estructuras.

Los protonefridios

Los protonefridios son estructuras que se presentan en invertebrado como los platelmintos y los nematodos. Están constituidos por células especializadas, denominadas flamígeras por su apariencia de llama. Estas células están provistas de cilios y tienen una abertura tubular que finaliza en un poro a través del cual expulsán los desechos (figura 9). Los fluidos internos del animal ingresan en los túbulos y los cilios se encargan de impulsados hacia el poro. A lo largo de la estructura tubular se reabsorbe parte del agua y de las sales minerales presentes en los fluidos; los residuos finales son expulsados a traves de un poro llamado también  nefridioporo.

Los metanefridios

Los  metanefridios,  algunas veces denominados  nefridios,  son estructuras que se observan en los anélidos. Se encuentran formadas por nefridiostomas  o aberturas que dan al interior del organismo y  túbulos complejos  que desembocan en un nefridioporo,  a través del cual se expulsan las sustancias de desecho. De la misma forma que ocurre en los protonefridios, en estas estructuras, a lo largo del túbulo, se producen procesos de filtración, reabsorción y finalmente, expulsión de las sustancias de desecho. En los metanefridios se produce una orina diluida en la cual se excreta agua y amoníaco y se preservan las sales necesarias para el mantenimiento del equilibrio interno.

Los túbulos de Malpighi

En organismos como los arácnidos y los insectos existen los túbulos de Malpighi, que hacen posible la excreción de un tipo de orina sólida compuesta por ácido úrico con un bajo contenido de agua.

El sistema contiene una serie de túbulos que se extienden a lo largo del canal alimenticio, uno de sus extremos es ciego y elotro desemboca en el final del tubo digestivo. A lo largo del sistema, el líquido que ingresa sufre una 'serie de cambios producidos por procesos de secreción y reabsorción que, finalmente, culminan en la formación de heces semisólidas de ácido úrico.

Las glándulas antenales o verdes

Las glándulas antenales son órganos en forma de saco que se ubican debajo de las antenas de muchos crustáceos, los cuales acumulan compuestos tóxicos. Esta bolsa se prolonga en un tubo que termina en la vejiga, un área ensanchada en la cual se acumulan las sustancias nitrogenadas que son expulsadas a través de un nefridioporo.

Las glándulas coxales

Estas estructuras son parecidas a las glándulas antenales o verdes de los  crustáceos y se presentan en los arácnidos. Se denominan coxales por encontrarse al lado de las coxas, las primeras divisiones de las patas. Producen una orina muy diluida.

Otras estructuras excretoras

Además de las sustancias nitrogenadas que son expulsadas por medio de las estructuras que acabamos de estudiar, los invertebrados pueden expulsar amoníaco por sus branquias o a través de áreas de la superficie del cuerpo que son muy delgadas, como sucede en los equinodermos.

Estructuras de excreción en los vertebrados

Desde el inicio de la vida, el agua ha sido fundamental para el desarrollo de los organismos. Todas las funciones vitales se desarrollan en medios acuosos. Una de las principales limitaciones para la colonización de los nuevos ambientes, como el terrestre, fue la imposibilidad de eliminar con facilidad las sustancias de excreción y mantener relativamente constante la concentración de líquidos dentro del organismo. El establecimiento de sistemas especializados de  osmorregulación  y excreción permitió que los vertebrados colonizaran nuevos ambientes y lograran un nivel de desarrollo más elevado. De los sistemas encargados de esta función, el  riñón  es el órgano fundamental. Los vertebrados también desarrollaron otras estructuras excretoras menos especializadas como la piel, las glándulas sudoríparas y glándulas lacrimales, las branquias y el intestino.

El reto de la osmorregulación

Como recordarás, la  osmorregulación  es la capacidad de mantener equilibrio entre los medios acuosos interno y externo de un organismo. Este equilibrio está dado por la necesidad de los organismos de  retener  la cantidad de agua necesaria para cumplir con sus funciones y de  mantener  los niveles adecuados de sales  y  otras moléculas disueltas (solutos) necesarios para la actividad celular.

En los animales el mantenimiento del equilibrio interno es facilitado por el sistema circulatorio, cuya función es el transporte de nutrientes  y  materiales de desecho al interior del organismo. En los organismos que presentan este sistema, la sangre pasa a través de los órganos excretores  los riñones en los vertebrados-, en donde es filtrada para limpiarla y mantener los niveles de agua y solutos  disueltos adecuados.

La  regulación  entre el medio interno  y  el externo,  en los vertebrados terrestres, es posible gracias a la presencia de los riñones los cuales se encargan de filtrar las sustancias de desecho y el agua necesarios para formar las excretas que elimina el organismo. En los vertebrados acuáticos, el cumplimiento de esta función se complementa con otros órganos como las branquias, el tegumento (la piel) y el intestino.

El riñón de los vertebrados

Los riñones son dos órganos en forma de fríjol constituidos por células especializadas llamadas nefronas que facilitan el cumplimiento de las funciones de filtración, osmorregulación y reabsorción La eficiencia entre uno y otro proceso varía en los diferentes grupos de organismos. Los riñones más complejos y especializados se encuentran en los mamíferos.

En los otros grupos de vertebrados estas funciones son compartidas con la piel, la vejiga urinaria y las glándulas de sal, estas últimas presentes en las aves y los reptiles.

Las nefronas presentan tres regiones denominadas nefrona proximal, asa de Henle y nefrona distal. El proceso de filtración se inicia en la cápsula de Bowman, la cual entra en contacto con los capilares que hacen parte del sistema circulatorio y permiten el paso de la sangre a los riñones a través de la nefrona. A partir de allí, tiene lugar un proceso de filtración que se inicia en la nefrona proximal, continúa en el asa de Henle y culmina en la nefrona distal. Entre  los vertebrados existen diferencias en la forma de las regiones que constituyen la nefrona; estas diferencias se manifiestan en la composición de orina que se produce. 

Así mismo, el número de nefronas de los riñones varía de un tipo de organismo a otro y existeuna relación entre la anatomía del riñón y el tipo de orina que produce un organismo. La orina hipertónica, es decir, con alta concentración de solutos en relación con la sangre, es producida por organismos cuyas nefronas tienen asa de Henle, un tubo con forma de horquilla similar a la letra "U" (aves y mamíferos).

En los vertebrados puede hablarse de tres tipos de riñones: pronefros  que aparecen en los embriones de todos los vertebrados; mesonefros   presentes en peces y anfibios en edad adulta y en los embriones de reptiles, aves y mamíferos, en donde se presenta la cápsula de Bowman; y fmalmente, metanefros presentes en reptiles adultos, aves y mamíferos, equivalentes a los riñones descritos anteriormente.

Las nefronas son túbulos cerrados por un extremo y abiertos por el otro hacia la pelvis renal, estructura a partir de la cual se originan los uréteres que van hacia la vejiga. El extremo cerrado de la nefrona se ensancha formando la cápsula de Bowman la cual entra en contacto con el sistema circulatorio del organismo.

Otros órganos excretores

Las branquias se encuentran en los peces y facilitan la eliminación de dióxido  de carbono y amoniaco.

Los pulmones y las tráqueas permiten expulsar agua y di óxido de carbono.

La piel húmeda en los anfibios facilita la expulsión de dióxido de carbono difusión.

Las glándulas sudoríparas, las cuales hacen parte de la piel de los mamíferos permiten expulsar agua, sales y otras sustancias.

Las glándulas lacrimales ubicadas en los ojos sirven para eliminar sal.

Las glándulas de sal  son estructuras que se encuentran en las aves y los reptiles que viven en ambientes marinos. Segregan una solución muy concentrada de cloruro de sodio que es expulsada a través de las fosas nasales.

Variación en la excreción de los vertebrados

Los  vertebrados acuáticos se encuentran inmersos en medios acuosos cuyo contenido de sales puede ser muy alto, en aquellos organismos que viven en agua salada, o muy bien diluido, en aquellos que habitan en el agua dulce. En estos organismos los riñones filtran la sangre pero no son muy eficientes para la reabsorción de sales. En los vertebrados terrestres, en cambio, los riñones incrementan su capacidad de reabsorción.

Excreción en vertebrados de agua dulce

Los animales que viven en agua dulce, peces, anfibios, reptiles y mamíferos son hipertónicos con respecto al medio. Considerando que las sustancias se transportan de un medio de alta concentración a uno de baja concentración, los organismos dulceacuícolas deben solucionar dos problemas: el hinchamiento que podría producir debido al ingreso de agua al organismo, y la pérdida de sales de su interior con de equilibrar el medio externo. Por estas razones la orina que se producen estos organismos es muy diluida y abundante, y las sales que se pierden a través de la orina son recuperadas por medio del alimento.

Excreción en vertebrados de agua salada

Los vertebrados de agua salada tienen un medio interno que puede ser  isotónico con respecto al medio externo, es decir, con concentraciones de agua y sales muy similares a las del medio donde viven. Este es el caso de los peces cartilaginosos (tiburones y rayas). Otros animales, por  el contrario, viven en medios hipotónicos como ocurre con los peces y demás organismos acuáticos que viven en medios en los que la concentración de sales es inferior a la concentración de sales que existe en las células que forman su cuerpo. En estos últimos existe una tendencia a eliminar orina muy diluida por el exceso de agua que entra. En aves y reptiles, el exceso de sales que ingresa al organismo es eliminado a través de las glándulas de sal.

Excreción en vertebrados terrestres

Los animales que viven en el medio terrestre deben soportar menor cantidad de agua que en su interior. Por ello, están sometidos a la pérdida de agua por procesos de desecación, los cuales son más importantes en  aquellos organismos que, como los anfibios, presentan una piel húmeda.

Por esta razón no pueden tolerar ambientes muy secos y solo se encuentran en áreas en donde pueden mantenerse hidratados, para así regular la continúa pérdida de agua. Por otro lado, algunos anfibios tienen vejigas grandes en  donde acumulan líquido que, en situaciones de poca disponibilidad de agua, permite que el líquido acumulado sea re utilizado por el organismo. El tipo de epitelio que recubre la vejiga de estos organismos sirve para almacenar la orina y para proveer agua y sales al organismo en caso de que se requiera. En organismos como los mamíferos, en los que la pérdida de agua puede ocurrir a través de los órganos respiratorios, se han desarrollado superficies de respiración interna que disminuyen la evaporación.

El sistema excretor de los vertebrados terrestres produce orina muy concentrada con el fin de disminuir la pérdida  de agua, y posee alta capacidad de reabsorción de iones necesarios para mantener sus funciones vitales. Por esta razón los riñones de estos vertebrados alcanzan el mayor grado de complejidad. La alta capacidad de reabsorción es posible gracias a la presencia de las nefronas. Estas células están constituidas por túbulos  muy largos, lo que incrementa la superficie de absorción de iones.

Los residuos nitrogenados en los organismos terrestres son elíminados en forma de urea y ácido úrico. El ácido úrico, por ser muy poco soluble en agua, se excreta en forma e un precipitado pastoso y es el residuo nitrogenado expulsado por aves y reptiles principalmente. Los animales ovíparos eliminan amoniaco durante el desarrollo pero, una vez eclosionan, lo hacen a través del ácido úrico. Los anfibios excretan ácido úrico al igual que las aves y los reptiles.  Los mamíferos excretan urea.

EXCRECIÓN HUMANA

La excreción humana es una estrategia evolutiva que permite que los organismos eliminar las sustancias de desecho, manteniendo la composición de la sangre y otros fluidos corporales en equilibrio.  La excreción en el ser humano se lleva a cabo por varias vías:

Pulmones: a nivel de pulmón específicamente en los alvéolos pulmonares ocurre el intercambio de gaseoso donde el alvéolo capta oxígeno (O₂) y excreta dióxido de carbono (CO₂) proveniente del metabolismo celular.

Glándulas sudoríparas: Estas glándulas distribuidas por toda la piel se encargan de la excreción del sudor.  Son más abundantes en la planta del pie, la palma de la mano, la frente y las axilas.  El sudor es un líquido transparente constituido por agua, sales minerales y otras sustancias que contribuyan a la regulación de la temperatura corporal.  Puede activarse por diversos estímulos, tanto nerviosos como endocrinos  y cardíacos.

Existen tres tipos de glándulas sudoríparas: ecrinas, apocrinas y apoecrinas.

- Las glándulas ecrinas participan en la regulación de la temperatura.  Están distribuidas por toda la piel, excepto en los labios menores, clítoris, labios y conductos auditivos externos.

- Las glándulas apocrinas se localizan en  axilas, pezones, periné, alrededor del ano y en el conducto auditivo externo.  Son las responsables del olor corporal. 

- Las glándulas apoecrinas tienen características intermedias entre las dos anteriores y están presentes en las axilas.

Glándulas lacrimales: allí se producen lágrimas compuestas por agua, cloruro de sodio y albúminas, cuya función es lubricar los ojos, protegerlo de agentes lesivos, nutrir la córnea y limpiar la superficie del ojo.  Las lágrimas desembocan por el conducto lagrimo-nasal a la nariz donde se evaporan.

COMPONENTES DEL SISTEMA URINARIO

El sistema urinario está constituido por los riñones, los uréteres. Vejiga, y en conjunto permite la evacuación de la orina que se forma en los riñones.  La orina es un líquido que contiene  los desechos del trabajo o metabolismo celular.  Cuando el sistema urinario está afectado y no puede cumplir su función, los productos de desecho se acumulan en la sangre y puede alcanzar niveles  tóxicos que ponen en riesgo la salud o la vida de la persona.  Los riñones también regulan muchas funciones corporales importantes como el equilibrio de agua, para garantizar que los tejidos reciban la cantidad suficiente para funcionar de manera adecuada.

Los riñones son dos órganos en forma de fríjol ubicados en la región lumbar. Cada riñón se compone de una cápsula renal, la corteza renal, la médula renal y la pelvis renal.

La cápsula renal está formada por una membrana externa compuestas por un tejido fibrosos  y muy resistente.  La corteza renal es un área de aspecto granuloso en la cual se encuentran los corpúsculos de Malpihi.  La pelvis renal o cavidad interna del riñón está compuesto por una serie de cámaras o cálices, en donde la orina que se  produce en cada una de las pirámides es colectada para pasar a través de los uréteres. Cada riñón tiene el tamaño aproximado de una mano cerrada que en promedio corresponde a unos 10 a 12 cm de longitud; de 5 a 6 cm ancho y 3 a 4 cm de espesor en los adultos.  Es un órgano encargado de filtrar la sangre a una velocidad de 1.200 a 1.300 mililitros de sangre por minuto, y, a partir de esta filtración, se producen aproximadamente 1 o 2 mililitros de orina por minuto.

Los uréteres son conductos que comunican los riñones con la vejiga.  En una persona adulta pueden medir hasta 30 cm de longitud.  Realizan movimientos peristálticos que facilitan la conducción de la orina desde los riñones hasta la vejiga.  La pared de los uréteres tienen tres capas: la mas externa es la adventicia, que  está compuesta por tejido conectivo y es irrigada con abundantes vasos sanguíneos, linfáticos y nervios; la lámina intermedia o capa muscular está formada por fibras de músculo liso, y la capa mas interna  o mucosa, está constituida por epitelio de revestimiento.

La vejiga es un órgano hueco que consta de dos partes el cuerpo y el cuello.  El cuerpo es el órgano que almacena orina hasta que esta alcance un límite que active la micción.  Al contraerse el cuerpo, expulsa la orina.  El cuello de la vejiga es una estructura en forma de embudo, comunica con la uretra y en so extremo inferior, están los esfínteres interno y externo.  La pared de la vejiga aísla la orina y funciona como una válvula que evita que se vuelva hacia el uréter. Cuando la vejiga contiene unos 300 centímetro cúbicos de orina. Se estimula la sensación de micción.  Una persona adulta elimina cada día aproximadamente un litro y medio de orina, según el consumo de líquidos y alimentos.

La uretra es el conducto que transporta la orina desde la vejiga hacia el exterior.  En la mujer constituye la parte final  de las vías urinarias.  A través de los nervios pélvicos, se estimula el músculo detrusor que se relaja a medida que se acumula la orina en la vejiga.   

Luego,  se contrae, lo cual relaja el esfínter interno, favoreciendo  la salida de la orina por la uretra hacia el exterior.  En  el hombre, la uretra pasa por la próstata y recorre el interior del pene hacia el exterior.

LAS NEFRONAS

La unidad funcional básica del riñón es la nefrona, y existen 1 o 2 millones de ellas en cada riñón.  La nefrona es una estructura tubular con segmentos que cumplen funciones  diferentes en cada tramo.  El recorrido de esta estructura empieza con la cápsula de Bowman, que recoge el líquido filtrado de la sangre en un  proceso denominado  filtración glomerular.  La cápsula contiene el glomérulo renal o de Malpihi, que es una estructura vascular capilar en forma de ovillo.  La unión de glomérulos y la cápsula es conocida como corpúsculo renal, cuya función es filtrar la sangre que llega al riñón.

El sector cercano a la cápsula es el túbulo de  contorneado proximal que también ejerce funciones de filtración de, reabsorción glucosa, aminoácidos y proteínas en un 100%, iones como el sodio, potasio, fosfato y agua en un 70% y secreta aniones y cationes orgánicos.  Fe allí este túbulo se dirige hacia la médula y forma una asa denominada asa de Henle que  participa en la regulación de las concentraciones  de orina, según las necesidades orgánicas del individuo.  La rama descendente es permeable al agua e impermeable a los solutos, mientras la porción ascendente es impermeable al agua y permeable a solutos, mientras la porción ascendente es impermeable al agua y permeable a solutos como el sodio, el cloro y la urea.  Colabora en la reabsorción de cationes como calcio magnesio y nitrato.

A continuación del tramo tubular existe una estructura vascular que forma el aparato yustaglomerular, cuya función es controlar el flujo sanguíneo en el riñón   y la velocidad de filtración.  Inmediatamente se encuentra el túbulo contorneado distal, donde se filtran las concentraciones de sales minerales como sodio, potasio, calcio y cloro y se secretan hidrogeniones que definen el pH de la orina.  A continuación de este sector se encuentra el túbulo colector cortical, que desemboca en el conducto colector papilar.

Componentes y formación de la orina

La orina de una persona sana está compuesta en un 95% por agua, 3% de urea y ácido úrico, 2% de sustancias minerales como sodio, cloro, amonio, y creatina.  La orina normal es estéril, y por lo tanto, no tiene bacterias, virus un hongos.  El proceso  mediante el cual se forma la orina se da en tres pasos generales: filtración glomerular, reabsorción tubular y secreción tubular.

Filtración glomerular

La sangre venosa- cargada de desechos metabólicos- entra por la vena renal y se distribuye a través de los millones  de nefronas, que funcionan como mallas o coladores diminutos  por donde se filtran las moléculas más pequeñas como aminoácidos y proteínas, que se pasan a una red de capilares sanguíneos llamados glomérulos de Malpighi.

Allí se lleva a cabo el proceso de filtración glomerular.  El filtrado se produce gracias a la diferencia de presión entre el glomérulo y la capsula de Bowman, así  como a la permeabilidad de sus componentes.

Este proceso es pasivo, es decir, no requiere energía y depende exclusivamente del movimiento de la sangre que, como recordarás, es posible gracias a las contracciones del corazón.  El 20 o el 25% del gasto cardíaco es utilizado en la filtración glomerular por lo que la presión sanguínea en esta zona es elevada en comparación con otras áreas del cuerpo.

Reabsorción tubular

La reabsorción tubular de agua y sales se produce a través del túbulo proximal de la nefrona que devuelve en su recorrido sustancias como el sodio (Na), el potasio (K), el cloro(Cl), la glucosa y la urea al torrente circulatorio.

Secreción tubular

El resto de sustancias presentes en el tubo proximal conforman la orina.  Esto incluye los desechos y las sustancias presentes en exceso.  Así, la secreción tubular permite que se regulen las concentraciones de iones importantes como el potasio (K), el hidrógeno (H), el bicarbonato y la eliminación de sustancias como los medicamentos.

Una vez el filtrado glomerular pasa por la nefrona, es conducido a los cálices menores y de allí a los cálices mayores, de donde pasa a la pelvis renal, a los ureteres y luego, a la vejiga donde es almacenada hasta que sale al exterior a través de la uretra.  Para que se active la sensación de orinar la vejiga debe alcanzar cierto nivel de llenura, de modo que desencadena el reflejo de micción.  Este reflejo es regulado por el sistema nervioso autónomo, pero controlado a voluntad por la persona a partir de sus dos años de vida, cuando se vuelve un acto consciente.  Cuando los riñones no desempeñan su labor en forma eficiente es necesario recurrir a la diálisis, proceso artificial de filtración que evita la intoxicación del organismo.