O principal órgão respiratório das tartarugas-marinhas é o pulmão. A troca de gases ocorre na superfície respiratória desse órgão, que é revestida por uma membrana fina e vascularizada, permitindo a absorção de oxigênio e a eliminação de dióxido de carbono. Além do pulmão, as tartarugas-marinhas possuem órgãos acessórios para a respiração, como as glândulas de sal e as cloacas. As glândulas de sal ajudam a eliminar o excesso de sal do organismo, já que as tartarugas-marinhas vivem em ambientes salinos. Já as cloacas são responsáveis pela eliminação de resíduos nitrogenados. A organela que utiliza o gás oxigênio para produzir ATPs nas células eucariontes é a mitocôndria. A relação entre o baixo nível metabólico da tartaruga-marinha e sua capacidade de permanência debaixo d'água está relacionada à sua adaptação ao ambiente aquático. As tartarugas-marinhas possuem um metabolismo mais lento, o que reduz a necessidade de consumo de oxigênio. Além disso, elas possuem uma capacidade de armazenar oxigênio nos tecidos e podem diminuir o ritmo cardíaco durante o mergulho, permitindo que elas fiquem submersas por longos períodos de tempo.
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