Trabajo práctico de Biología NM #6 - Experimento de ventilación

Jeremy Israel Palma Carbo gmd956 (050252 -0009)

Trabajo práctico de Biología NM #6 Experimento de ventilación Tema: Control de la ventilación en seres humanos durante el reposo y tras un ejercicio suave y vigoroso. Objetivo: Comprobar experimentalmente cómo la ventilación se ve afectada por el ejercicio físico, a través de diferentes niveles de actividad física durante un determinado tiempo para así poder estimar la tasa de ventilación y el volumen corriente pulmonar. Variables 

Independiente o Intensidad del ejercicio.



Dependiente o Tasa de ventilación. o Volumen corriente. o Ritmo cardiaco. o Saturación de oxígeno en la sangre.



Controlada o Tiempo de la actividad física.

Hipótesis 

La tasa de ventilación y el volumen corriente registrado por 1 min. será menor e inversamente proporcional durante la realización de un ejercicio riguroso que en reposo.



La tasa de ventilación y el volumen corriente registrado por 1 min. será mayor y directamente proporcional durante la realización de un ejercicio riguroso que en reposo. 1


Marco teórico La respiración La respiración externa es el proceso de intercambio de oxígeno (O2) y dióxido de carbono (CO2) entre la sangre y la atmósfera. Puede dividirse en cuatro etapas principales: 

La ventilación pulmonar o intercambio del aire entre la atmósfera y los alvéolos pulmonares mediante la inspiración (entrada de aire a las vías respiratorias) y la espiración (salida de aire).



La difusión de gases o paso del oxígeno y del dióxido de carbono desde los alvéolos a la sangre y viceversa, desde la sangre a los alvéolos.



El transporte de gases por la sangre y los líquidos corporales hasta llegar a las células y viceversa.



La regulación del proceso respiratorio.

La respiración interna es el proceso de intercambio de gases entre la sangre de los capilares y las células de los tejidos en donde se localizan esos capilares. Ventilación pulmonar Es la primera etapa del proceso de la respiración y consiste en el flujo de aire hacia adentro y hacia afuera de los pulmones, es decir, en la inspiración la contracción del diafragma y de los músculos inspiratorios da lugar a un incremento de la capacidad de la cavidad torácica, por una diferencia de presión, con lo que hace que el aire entre en las vías respiratorias. Durante la espiración, los músculos respiratorios se relajan y vuelven a sus posiciones de reposo y el aire sale de los pulmones. El flujo de aire hacia adentro y hacia afuera de los pulmones depende de la diferencia de presión producida por una bomba. Los músculos respiratorios constituyen esta bomba y cuando se contraen y se relajan crean gradientes de presión. 2


La respiración consta de dos procesos: inhalación, es la toma de aire mediante las fosas nasales; y la exhalación, es la expulsión por la boca del desecho (dióxido de carbono) de la respiración aerobia. El intercambio de gases se da por la difusión entre los alveolos y la sangre de la red de capilares que envuelven a cada alveolo. Estos gases se difunden gracias al gradiente de concentración: hay mayor concentración de oxígeno en el alveolo y una menor concentración de dióxido de carbono en el capilar. Para mantener este estado se debe bombear aire fresco a los alveolos y debe eliminarse el aire utilizado. Cuando el oxígeno se encuentra en los glóbulos rojos, por lo tanto, en el torrente sanguíneo, es dirigido al corazón mediante la arteria pulmonar para ser transportado por toda la red arterial, abasteciendo a las células de oxígeno. Ritmo cardíaco Es la cantidad de latidos o pulsaciones del corazón en una unidad de tiempo, generalmente se expresa como “ppm”. Los latidos del corazón proveen al cuerpo del suministro de oxígeno necesario en su estado, por consiguiente, el “ppm” variará acorde a la demanda de oxígeno por la actividad física. SpO2 (Saturación de oxígeno en la sangre) La saturación de oxígeno es un valor porcentual de las moléculas de hemoglobina unidas al oxígeno, siendo la hemoglobina, la proteína encargada de transportar el oxígeno en la sangre. Cuando la hemoglobina se une al oxígeno, cambia su coloración, los medidores SpO2 están fabricados para detectar ese cambio de coloración. Esto es muy útil para medir la actividad respiratoria de un individuo.

3


Volumen y capacidad pulmonar Acorde a la fase e intensidad de la misma en la inspiración y espiración, se puede describir distintos volúmenes de aire que se encuentran en los pulmones dado un tiempo determinado. De la misma manera, la capacidad pulmonar es la suma de varios valores de volumen. 

Volumen respiración en reposo (VC): es la cantidad de aire que se inhala (o exhala) en el estado de reposo.



Volumen de Reserva Inspiratorio (VRI): es la cantidad máxima de aire inhalado de manera forzada, es un valor superior al volumen en reposo.



Volumen de Reserva Espiratorio (VRE): es la cantidad máxima de aire exhalado de manera forzada, es un valor superior al volumen en reposo.



Volumen residual (VR): volumen de aire restante después de terminar una exhalación profunda.



Capacidad Inspiratoria (CI): es la cantidad máxima de aire que es posible inspirar luego de realizar una espiración normal en reposo. Se calcula con: 𝐶𝐼 = 𝑉𝐶 + 𝑉𝑅𝐼



Capacidad Residual Funcional (CRF): es la cantidad de aire que se encuentra luego de finalizar una espiración en reposo. Se calcula con: 𝐶𝑅𝐹 = 𝑉𝑅 + 𝑉𝑅𝐸



Capacidad Vital (CV): cantidad de aire máxima que se puede exhalar luego de realizar una inhalación profunda y forzada. Se calcula con: 𝐶𝑉 = 𝑉𝑅𝐼 + 𝑉𝐶 + 𝑉𝑅𝐸



Capacidad Pulmonar Total (CPT): cantidad de aire en los pulmones luego de realizar una inhalación profunda y voluntaria. Se calcula con: 𝐶𝑃𝑇 = 𝑉𝐶 + 𝑉𝑅𝐼 + 𝑉𝑅𝐸 + 𝑉𝑅

Todas estas fórmulas servirán para calcular el volumen y capacidad pulmonar del autor de este trabajo.

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Materiales

 Colorante vegetal.

Mat. para la práctica:

 Calculadora.

 Botella de plástico (4000 ml. ±1

Mat. de laboratorio:

ml.).

 Agua.



 Tubo.

Vaso de precipitación (2000 ml. ±0,1 ml.).

 Recipiente grande.



Probeta (50 ml. ±0,1 ml.)

Herramienta tecnológica Software “Samsung Health” del móvil Samsung Galaxy Note5: 

Sensor de ritmo cardíaco.



Sensor SpO2 (saturación de oxígeno en la sangre).

Construcción del sistema de campana (espirómetro casero). 1. Llenar las ¾ de un recipiente grande con agua y colorante vegetal, tendrá la función de barrera de agua que impedirá la entrada y salida externa de gases en la campana. 2. La botella de 4000 ml. tendrá la función de ser la campana, se introduce y llena de agua completamente, se la coloca en una orientación invertida. 3. Se conecta el extremo de un tubo dentro de la campana, el otro extremo permanece fuera del sistema. La función será llevar el gas de las espiraciones adentro de la campana. (Fig. 1) 4. Después de espirar durante 1 minuto en cada nivel de actividad física, se apreciará que el gas carbónico exhalado ha ocupado un espacio parcial dentro de la campana y el agua dentro de la campana representará la otra parte del contenido de la botella, por lo tanto, se procede a vaciar el líquido de la botella en un vaso de precipitación. (𝐅𝐢𝐠. 𝟐)

5


5. El volumen del líquido restante servirá para calcular la diferencia entre el volumen total de la campana y el líquido, obteniéndose el volumen de gas carbónico exhalado, es decir: 𝐆𝐚𝐬 𝐜𝐚𝐫𝐛ó𝐧𝐢𝐜𝐨 𝐞𝐱𝐡𝐚𝐥𝐚𝐝𝐨 = Volumen de la botella − volumen de líquido restante

(Fig. 2) (Fig. 1)

Procedimiento para calcular la tasa de ventilación y el volumen respiratorio. Para obtener ambos datos se realizará 3 niveles de actividad física: en reposo (nivel 0), 20 flexiones de brazos (nivel 1) y 20 flexiones de brazos y salto (nivel 2). Para cada nivel se realizarán 3 pruebas para reducir el margen de error. (Anexo 1) 

Tasa de ventilación: después de cada actividad física, se cuenta la cantidad de veces que el aire es inhalado y exhalado (2x1), durante 1 minuto. Es importante mantener la respiración a un ritmo natural, es decir, respirar lo más lento posible sin llegar a quedarse sin aire.



Volumen corriente: después de cada actividad física, durante 1 minuto se espira una respiración normal en un recipiente dentro de otro que funcione como barrera a través de un tubo, para después, medir el volumen de gas carbónico exhalado. 6




Volumen y capacidad pulmonar: con los datos base recopilados utilizando el sistema de campana como el volumen corriente, se procede a calcular los distintos tipos de capacidad pulmonar con fórmulas anteriormente expuestas y el uso de una calculadora.

Nota: Después de cada actividad física y antes de medir tanto el volumen como la tasa, se tomará la medida SpO2 y las pulsaciones por minuto con el software respectivo. (Anexos 2 -3) Desarrollo Volumen y capacidad pulmonar (estado de reposo). 

Volumen pulmonar

Volumen Corriente (VC): 500 ml Volumen de Reserva Inspiratorio (VRI): 2400 ml. Volumen de Reserva Espiratorio (VRE): 1300 ml. Volumen Residual (VR): 900 ml. 

Capacidad pulmonar

Capacidad Inspiratoria = VC + VRI → CI = 500 + 2400 → CI = 2900 ml. Capacidad Residual Funcional = VR + VRE → CRF = 900 + 1300 → CRF = 2200 ml.

Capacidad Vital = VRI + VC + VRE → CV = 2400 + 500 + 1300 → CV = 4200 ml.

Capacidad Pulmonar Total = VC + VRI + VRE + VR → CPT = 500 + 2400 + 1300 + 900 CPT = 5100 ml.

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Tabulación de datos obtenidos Tabla #1: tasa de ventilación y volumen corriente registradas por 1 minuto durante los 3 niveles de actividad física. Grafico 1-2 Tasa de ventilación (número de veces/min.) 12

Actividad física 1 Nivel 0 (en reposo)

Nivel 1 (flexiones de brazos)

Nivel 2 (flexiones de brazos y salto)

13

Volumen corriente (ml./min.) 1430 1460

2

13

3

14

1390

1

18

1950

2

17

3

19

1

26

2

25

3

27

18

1426,66

1975

1948,33

1920 2355 26

2405

2373,33

2360

Tabla #2: ritmo cardiaco y saturación de oxigeno registrado luego de realizar los 3 niveles de actividad física.

1

89

Saturación de oxígeno en la sangre (%) 98

2

87

99

3

90

98

1

118

100

2

117

99

3

120

101

1

146

97

2

144

98

3

147

99

Actividad física

Nivel 0 (en reposo)

Nivel 1 (flexiones de brazos)

Nivel 2 (flexiones de brazos y salto)

Ritmo cardíaco (ppm.)

8


Volumen espiratorio aproximado y promedio

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟𝑖𝑜 𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥𝑖𝑚𝑎𝑑𝑜 =

𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑡𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑣𝑒𝑛𝑡𝑖𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 1 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 2 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 3 ( )+( )+( ) 𝑇𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑣𝑒𝑛𝑡𝑖𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 1 𝑇𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑣𝑒𝑛𝑡𝑖𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 2 𝑇𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑣𝑒𝑛𝑡𝑖𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 3 ̅̅̅̅̅̅ 𝑉𝐸𝐴 = 𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑗𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑎𝑡𝑜𝑠

Nivel 0 (en reposo) 1430 1460 1390 ( )+( )+( ) 14 13 14 → ̅̅̅̅̅̅ ̅̅̅̅̅̅ 𝑉𝐸𝐴 = 𝑉𝐸𝐴 = 104,57 𝑚𝑙. 𝑝𝑜𝑟 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 3

Nivel 1 (20 flexiones de brazos) 1950 1975 1920 ( 18 ) + ( 17 ) + ( 19 ) ̅̅̅̅̅̅ = ̅̅̅̅̅̅ = 108,85 𝑚𝑙. 𝑝𝑜𝑟 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑉𝐸𝐴 → 𝑉𝐸𝐴 3

Nivel 2 (20 flexiones de brazos y salto)

̅̅̅̅̅̅ 𝑉𝐸𝐴 =

2355 2405 2360 ( 26 ) + ( ) + ( 27 ) 25 → ̅̅̅̅̅̅ 𝑉𝐸𝐴 = 91,39 𝑚𝑙. 𝑝𝑜𝑟 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 3

Tabla #3: volumen espiratorio aproximado y volumen espiratorio promedio registrado durante los 3 niveles de actividad física. Grafico 3

Actividad física Nivel 0

Nivel 1

Nivel 2

1 2 3 1 2 3 1 2 3

Volumen espiratorio aproximado (ml.) 102,14 112,30 99,28 108,33 116,17 101,05 90,57 96,2 87,40 9

Volumen espiratorio promedio (ml.) 104,57

108,51

91,39


Análisis De acuerdo con los datos obtenidos en esta práctica, se observa que, en la tabla 1 al aumentar el nivel de actividad física, incrementará la tasa de ventilación al igual que el volumen corriente por minuto, por ejemplo, en el nivel 0 se obtuvo de las 3 pruebas un volumen corriente promedio de 1426,66 ml. y en el nivel 2 se obtuvo 2373,33 ml. Esto se debe a que, al ejercer una actividad física (nivel 2), el cuerpo humano demanda un mayor suministro de oxígeno para abastecer a las células del cuerpo (tejido muscular), para seguidamente, producir energía en forma de ATP y continuar ejerciendo la actividad física. Por otro lado, la tabla 3 demuestra que, acorde aumenta el nivel de actividad física, disminuye el volumen espiratorio por unidad, en particular, en el nivel 0 se obtuvo 104,57 ml. por, y en el nivel 2 fue de 91,39 ml., una diferencia de 13,18 ml. La causa de este cambio de volumen de gas carbónico exhalado se debe a que el metabolismo obliga a los pulmones a inhalar con mayor rapidez, y al mismo tiempo, el producto de desecho (CO2) eliminarlo lo más pronto posible, todo esto por acción del gradiente de concentración: el oxígeno del alveolo desplaza al dióxido de carbono en la sangre por la diferencia de presiones. Por ese motivo, un mayor valor de la tasa de ventilación permite que se recopile gran cantidad de oxígeno en una actividad física constante sin importar el volumen inspirado, tal y como demuestra la tabla de volumen corriente. En la tabla 2, se observa que, el ritmo cardiaco es directamente proporcional a los niveles de actividad física y, por otro lado, la saturación de oxígeno es inversamente proporcional al valor de la tasa y el volumen corriente, debido a que, al ejercer una actividad física de alta dificultad, el gasto energético y, a su vez, la demanda de oxígeno es mayor. Esto se explica por la disminución de moléculas de oxígeno unidos al grupo hemo de la proteína globina que compone la sangre en el transporte del mismo a los tejidos.

10


Conclusión Según el análisis, se rechaza la primera hipótesis la cual mencionaba “La tasa de ventilación y el volumen corriente registrado por 1 min. será menor e inversamente proporcional durante la realización de un ejercicio riguroso que en reposo”, debido a que la tanto la tasa de ventilación y el volumen corriente son directamente proporcionales a la actividad física, ya que mientras mayor sea el tiempo en el que se realiza alguna actividad o ejercicio su tasa de respiración también será mayor, por lo tanto, el número de respiraciones aumentara considerablemente. Por consiguiente, se acepta la segunda hipótesis. Como limitantes, el tamaño de la botella, dado que, 4000 ml. no es un volumen tan adecuado en la medición de gas carbónico, por lo que se realizó una medición durante 1 minuto, cabe destacar, se pudo haber caído en error al momento de realizar las mediciones del volumen respiratorio. Además, se recomienda realizar por mucho más tiempo los niveles de actividad física para obtener mejores resultados y mejor recipiente para utilizar como campana, dado que el plástico de la botella utilizada no permitía una inmersión correcta en el recipiente grande (la barrera de agua). Anexos

(Anexo 1) Realizando las actividades físicas.

(Anexo 2)

(Anexo 3)

Registrando SpO2 y la ppm luego de las actividades.

Calculando la tasa de ventilación para luego el volumen respiratorio.

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Gráficos

#1: Media de la tasa de ventilacion registrada por 1 minuto durante los 3 niveles de actividad física. 30

Tasa de ventilacion

25 20 15 10

5 0 Nivel 0

Tasa de ventilacion

Nivel 1

Nivel 2

Nivel 0 13

Nivel 1 18

Nivel 2 26

#2: Media del volumen corriente registrado por 1 minuto durante los 3 niveles de actividad física. 4000

Tasa de ventilacion (ml)

3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 Nivel 0

Volumen corriente

Nivel 1

Nivel 0 1426.66

Nivel 1 1948.33

12

Nivel 2 Nivel 2 2373.33


#3: Volumen espiratorio promedio registrado durante los 3 niveles de actividad física.

Volumen espiratorio (ml)

200

150

100

50

0 Nivel 0

Volumen espiratorio



Nivel 2 91.39

Bibliografía Enfermera virtual. (7 de Mayo de 2009). Proceso de la respiración y ventilacion pulmonar. Obtenido de Enfermera virtual. Col·legi Oficial d'Infermeres i Infermers de Barcelona: https://www.infermeravirtual.com/esp/actividades_de_la_vida_diaria/ficha/funciones_d el_sistema_respiratorio/sistema_respiratorio Allott, A., Mindorff, D., & Azcue, J. (2015). IB Biología Libro Del Alumno: Programa Del Diploma Del IB Oxford. (M. Wald, Trad.) Oxford, Reino Unido: Oxford University Press 2015. Ceballos Zuloaga, A. (s.f.). Volúmenes y capacidades pulmonares. Recuperado el 6 de Septiembre de 2017, de Bioquímica Y Fisiología humana: http://www.bioquimicayfisiologia.com/2014/08/volumenes-y-capacidadespulmonares.html Cloe, A. (s.f.). Cómo leer un oxímetro de pulso. Recuperado el 6 de Septiembre de 2017, de muy fitness: https://muyfitness.com/leer-oximetro-pulso-como_31469/ Mandal, A. (3 de Agosto de 2017). ¿Cuál es Ritmo Cardíaco? Recuperado el 4 de Septiembre de 2017, de News Medical Life Sciences: https://www.news-medical.net/health/Whatis-Heart-Rate-(Spanish).aspx COMPROMISO PERSONAL (2 PUNTOS)

CRITERIOS DE EVALUACION EXPLORACION ANÁLISIS EVALUACION COMUNICACIÓN TOTAL (6 PUNTOS) (6 PUNTOS) (6 PUNTOS) (4 PUNTOS) (24 PUNTOS)

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Trabajo práctico de Biología NM #6 - Experimento de ventilación

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