La fisiología del buceo con gas comprimido






Respirar gas comprimido estando sumergido y expuesto a un aumento de la presión ambiental supone desafíos homeostáticos considerables para el cuerpo (es decir, desafíos para mantener el equilibrio fisiológico). Este artículo aborda los mecanismos importantes de estos desafíos, con particular atención en el sistema respiratorio.

I. EL SISTEMA RESPIRATORIO
Equipo de respiración de gas comprimido


El equipo de buceo con aire es el sistema de gas comprimido deportivo que se utiliza más comúnmente y brinda ejemplos de características y funciones importantes que son relevantes para la fisiología del buceo. El equipo de buceo con aire básico consta de un cilindro de aire a alta presión, un regulador con válvula a demanda y un dispositivo para sujetar este equipo en la espalda del buzo, habitualmente un chaleco compensador. Junto con un traje de neopreno (necesario para el buceo en aguas templadas) y un cinturón de lastre, este dispositivo puede ejercer una fuerza considerablemente restrictiva sobre el pecho y el abdomen del buzo.

El regulador reduce la alta presión del cilindro a una presión ambiental y suministra aire a demanda. De este modo, a una profundidad de 30 metros (100 pies), donde la presión absoluta es de 4 atmósferas, el regulador suministra aire a 4 atmósferas y el aire es cuatro veces más denso que el aire al nivel del mar (1 atmósfera). La presión ambiental es medida por la segunda etapa del regulador (conectada con la boquilla), que en un buzo en posición vertical está a aproximadamente 20 centímetros (8 pulgadas) por encima del centro del pecho. En consecuencia, la presión del agua que actúa sobre el pecho tendrá una profundidad de aproximadamente 20 centímetros (8 pulgadas) mayor que la del gas inspirado, lo que creará una presión transmural negativa (diferencia de presión a lo largo de la pared torácica) que alcanzará su nivel máximo en la base de los pulmones.

La resistencia respiratoria de un regulador está inversamente relacionada con la calidad de fabricación y el nivel de mantenimiento. Además, la resistencia respiratoria tiende a aumentar con la profundidad a medida que el aire más denso fluye a través del mecanismo del regulador.

Por último, cabe destacar que el volumen interno de una parte de la segunda etapa del regulador es efectivamente una extensión del espacio muerto respiratorio anatómico.
Mecánica de la respiración
Cambios en la elasticidad: se pueden observar cambios en la elasticidad tanto en los pulmones como en la pared torácica. La presión transmural negativa a lo largo de la pared torácica de un buzo en posición vertical que usa aire comprimido causa una obstrucción en los capilares pulmonares. Este efecto se incrementa por la centralización relativa del volumen de sangre que se produce con la inmersión, especialmente en agua fría. Esta obstrucción de los capilares pulmonares causa una reducción en la elasticidad del tejido pulmonar. Esto disminuye la capacidad vital de los pulmones en un 10 a un 15 por ciento.

El equipo de buceo, los trajes de neopreno y los cinturones de lastre ejercen una fuerza restrictiva sobre la pared torácica y el abdomen. Este efecto es potencialmente significativo si el equipo está excesivamente ajustado. La elasticidad de la pared torácica se reduce y la respiración diafragmática se ve obstaculizada.

Cambios en la resistencia de las vías aéreas: la resistencia de las vías aéreas se ve afectada por cambios en la densidad del gas. La resistencia se define como la reducción


de la presión en un conducto dividida por el flujo. En el caso del flujo laminar, el flujo es en gran parte independiente de la densidad del gas. No obstante, en lo que se refiere al flujo turbulento, el flujo está inversamente relacionado con la densidad del gas. Por lo tanto, en el flujo turbulento, para una determinada reducción de la presión, el flujo disminuirá si la densidad del gas aumenta y, por definición, la resistencia al flujo será mayor.

De acuerdo con las predicciones del número de Reynolds (un método de predicción del flujo), el flujo dentro de los pulmones y las vías aéreas es mayormente laminar; sin embargo, es probable que esta suposición sea inválida debido a los vórtices que se producen en el aire inspirado en cada división del árbol bronquial. Efectivamente, es probable que se produzca un flujo turbulento generalmente en las vías aéreas mayores, particularmente durante una respiración rápida cuando los caudales son mucho más elevados.

Cambios en trabajo respiratorio: en el buceo, el trabajo respiratorio aumenta en consecuencia. El trabajo es realizado por los músculos respiratorios que expanden los tejidos elásticos de los pulmones y la pared torácica, mueven los tejidos poco flexibles y mueven el aire a través de los pasajes respiratorios. El debate anterior demuestra que en el buzo que usa aire y está sumergido se observa un aumento en el trabajo de flexibilidad (debido a una disminución de la elasticidad de los pulmones y la pared torácica), el trabajo de movimiento de los tejidos poco flexibles (debido al equipo restrictivo) y el trabajo de movimiento del aire a través de las vías aéreas (debido al aumento de la densidad del aire). El componente de resistencia de las vías aéreas de este aumento en el trabajo respiratorio depende de la profundidad.
Adecuación de la ventilación/perfusión en el buceo
El determinante más importante de un intercambio de gases eficaz es la adecuación de la ventilación alveolar a la perfusión de los capilares alveolares. La relación óptima de estos


dos factores es la unidad. Las unidades pulmonares con escasa ventilación y un exceso de perfusión representan un "shunt" o "cortocircuito" de derecha a izquierda. La mezcla de sangre hipóxica proveniente de unidades con escasa ventilación o un exceso de perfusión hacia la sangre arterial sistémica es una causa importante de un gradiente de oxígeno alveolar-arterial significativo.

Los pulmones de un buzo que usa aire están sujetos a cambios tanto en la perfusión como en la ventilación. Se produce un aumento en la perfusión de las unidades pulmonares debido a la obstrucción de los capilares (particularmente en la base de los pulmones) y la centralización relativa del volumen de sangre que se presenta con la inmersión. Se observa una disminución en la ventilación debido a la reducción de la elasticidad de los pulmones y la pared torácica, la constricción abdominal y el incremento de la resistencia de las vías aéreas. El efecto neto apunta a un aumento en las unidades con escasa ventilación o con exceso de perfusión y, por consiguiente, la derivación de sangre de derecha a izquierda.
Cambios en el transporte de gas
Oxígeno: el oxígeno es transportado en la sangre ya sea unido a la hemoglobina (Hb) o disuelto en plasma. La solubilidad del oxígeno en plasma es baja y en condiciones normobáricas la mayor proporción de oxígeno es, por lejos, transportada unida a la Hb.

Por lo general, la Hb está un 97 por ciento saturada al respirar aire a 1 atmósfera de presión, por lo que existe una mínima posibilidad de un aumento en el transporte de oxígeno en la Hb al aumentar la presión parcial de oxígeno. En cambio, el oxígeno disuelto aumenta de manera lineal con la presión parcial de oxígeno, si bien la fracción disuelta se vuelve considerable sólo en condiciones hiperbáricas con una alta fracción de oxígeno inspirado.

Al respirar aire a 3 atmósferas, aún se sigue observando sólo una cantidad relativamente pequeña de oxígeno disuelto. No obstante, respirar oxígeno al 100 por ciento a 3 atmósferas genera una fracción disuelta suficiente como para satisfacer las necesidades del cuerpo en reposo en ausencia de Hb, de ahí el valor de recibir oxígeno en cámara hiperbárica cuando hay condiciones donde el suministro de oxígeno se ve comprometido (como por ejemplo anemia o intoxicación con monóxido de carbono).

Dióxido de carbono: a diferencia del oxígeno, que es suministrado a presiones parciales en aumento a profundidad, la cantidad de moléculas de dióxido de carbono que son producidas se mantiene constante para una carga de trabajo determinada, independientemente de la profundidad. No obstante, el transporte de la carga de dióxido de carbono de los tejidos a los pulmones puede ser menos eficaz en el ambiente hiperbárico, donde una mayor presión parcial de oxígeno causa una disminución de la Hb en la sangre venosa. La hemoglobina reducida forma compuestos carbamino con dióxido de carbono y amortigua el ión hidrógeno que es consecuencia de la hidratación del dióxido de carbono en los glóbulos rojos. Sin embargo, estos son dos de los mecanismos de transporte de dióxido de carbono menos importantes desde el punto de vista cuantitativo, y la importancia de esta perturbación es cuestionable.
Cambios en el control de la respiración


La anatomía y la fisiología precisas del control de la respiración aún se desconocen, pero no cabe duda de que los niveles de dióxido de carbono y oxígeno en el líquido cefalorraquídeo y la sangre arterial, monitoreados por quimiorreceptores centrales y periféricos, son factores determinantes importantes de la frecuencia y la profundidad de la respiración. Una elevación de la presión parcial del dióxido de carbono o una disminución de la presión parcial del oxígeno de la sangre arterial aumenta el nivel de actividad del centro respiratorio del tronco encefálico, y los cambios en la dirección opuesta tienen un efecto inhibitorio. En el ambiente hiperbárico, se cree que el aumento de la presión parcial del oxígeno produce un ligero descenso de la actividad respiratoria. Además, muchos buzos, especialmente los buzos profesionales mayores, muestran una reducción de la respuesta a la elevación de los niveles de dióxido de carbono. El mecanismo de esta reducción de la respuesta no se conoce, pero se ha sugerido, sin datos válidos que lo respalden, que es una repuesta adquirida en algunos buzos.

A nivel cortical, algunos buzos deliberadamente anulan sus mecanismos de control insensibles en un intento por extender el tiempo que pasan bajo el agua al preservar el suministro de aire. Esta práctica peligrosa donde la ventilación es desacelerada o interrumpida intencionalmente con períodos cortos de apnea se denomina "respiración irregular" (skip breathing).
Efectos netos de las alteraciones respiratorias
El rendimiento de trabajo sostenido de los tejidos esta mayormente limitado por su suministro de oxígeno. Al hacer ejercicio normal, el suministro de oxígeno de los tejidos está limitado por el gasto cardíaco en lugar de la ventilación o el intercambio de gases. En una persona sana, la ventilación puede aumentar drásticamente a 200 litros por minuto o más, y un tránsito rápido de sangre a través de los capilares alveolares (normalmente alrededor de 0,35 segundos) en situaciones de alto rendimiento no impide que se produzca el equilibrio de gases en la barrera respiratoria. Además, el perfil de ventilación/perfusión de los pulmones habitualmente mejora durante el ejercicio.

Bajo el agua, incluso a la modesta profundidad de 30 metros (100 pies) que comúnmente alcanzan los buzos deportivos, los factores de densidad del aire/resistencia de las vías aéreas provocan una reducción en la ventilación voluntaria máxima a aproximadamente la mitad del valor de superficie. Esta reducción en la capacidad respiratoria, el aumento concomitante en el trabajo y el costo de oxígeno de la respiración, el incremento de las unidades pulmonares con escasa ventilación o un exceso de perfusión y los efectos del espacio muerto determinan que el trabajo submarino esté limitado por la ventilación en lugar de por la perfusión. Se puede apreciar con facilidad que un buzo que está a escasa profundidad y que nada en dirección a una corriente de 1 nudo (el consumo de oxígeno al nadar con aletas a una velocidad de 1 nudo es más o menos de 2 litros por minuto), que lleva un equipo con un ajuste deficiente, que utiliza un regulador con un mantenimiento inadecuado y que está sujeto al compromiso fisiológico anterior puede no ser capaz de sostener el nivel de trabajo necesario para progresar.

Otra consecuencia importante de estas alteraciones respiratorias es la predisposición del buzo para retener dióxido de carbono. Los factores que contribuyen a esta situación incluyen aumento del trabajo respiratorio (que aumenta la producción de dióxido de carbono y limita la ventilación), disminución de la actividad respiratoria, reducción de la sensibilidad al dióxido de carbono en algunos buzos, respiración irregular y efectos del espacio muerto. Las consecuencias de la hipercapnia en los buzos incluyen síntomas desagradables y peligrosos tales como disnea, dolor de cabeza, náuseas y pérdida del conocimiento así como también potenciación de la narcosis por nitrógeno, intoxicación por oxígeno y enfermedad disbárica.


II. EL SISTEMA CARDIOVASCULAR
Cambios en la distribución del volumen de sangre
Cuando un buzo se sumerge, el efecto hemodinámico de la gravedad es suprimido, y se produce una redistribución consecuente de la sangre periférica hacia la circulación


central. Este efecto aumenta en agua fría cuando la vasoconstricción periférica promueve aún más esta redistribución. La hipervolemia central relativa aumenta la actividad de los receptores de elasticidad en las paredes de las venas grandes y la aurícula derecha, donde los receptores del seno carotideo y el arco aórtico también participan si el cambio en la sangre es suficiente como para aumentar la presión arterial media. El aumento de la actividad de los receptores de elasticidad produce una reducción en la producción de la hormona antidiurética del hipotálamo/pituitaria posterior. Esto da lugar a un aumento en la permeabilidad al agua en las células de los túbulos renales distales y, por consiguiente, un incremento de la pérdida urinaria de agua. El resultado neto es una tendencia no deseada hacia la deshidratación, que puede verse exacerbada por la falta de agua potable suficiente o por mareos.
Efectos cardíacos
Se ha demostrado que la inmersión aumenta el gasto cardíaco en hasta un 32 por ciento en agua termoneutral (aproximadamente entre 33 y 34°C [91 y 94°F]). El mecanismo es un incremento en el retorno venoso debido a la centralización del volumen de sangre. El aumento de la carga previa, que se manifiesta como un incremento de la elasticidad de las fibras musculares del corazón durante la diástole, evoca el mecanismo de Frank-Starling donde la fuerza de contracción se eleva para sobrellevar el volumen adicional. Por tal motivo, el volumen sistólico aumenta. En agua más fría el aumento en el gasto cardíaco es menor debido a una bradicardia asociada (disminución de la frecuencia cardíaca).

Una bradicardia está relacionada con la inmersión. El "reflejo de buceo mamífero" provocado por el agua fría que entra en contacto con la cara incluye una bradicardia. En individuos predispuestos el flujo de salida vago puede ser lo suficientemente intenso como para producir una asistolia (cese de los latidos del corazón) o una arritmia (ritmo cardíaco anormal), lo que puede provocar un ahogamiento inexplicable después de ingresar en agua fría. Sin embargo, una bradicardia puede producirse incluso en una cámara seca a una temperatura ambiental elevada y los investigadores han buscado otras explicaciones para la bradicardia por inversión que se da en los buzos.

Se


ha demostrado que un aumento de la presión parcial de oxígeno y el efecto narcótico de los gases inertes pueden producir una reducción de la frecuencia cardíaca con un promedio de 10 latidos por minuto en los buzos, independientemente del reflejo de buceo. El grado de bradicardia se incrementa en agua fría, y esto también sucede simultáneamente con el riesgo de arritmias en individuos predispuestos. Sin embargo, la función de estos factores en las muertes en el buceo es en gran medida desconocida.

Otro mecanismo de bradicardia de importancia cuestionable en los buzos, pero que se menciona a menudo en la bibliografía de capacitación de buzos, es el reflejo del seno carotideo. Existe una posibilidad teórica de que un traje de neopreno demasiado ajustado a la altura del cuello puede estimular un reflejo del seno carotideo y, por consiguiente, una bradicardia.

Existe una diversidad de opiniones respecto al efecto neto de estos mecanismos sobre la presión arterial media. En el ambiente hiperbárico, es probable que la presión sanguínea se mantenga dentro de los parámetros saludables.

En conclusión, una mejor comprensión de los procesos fisiológicos que participan en la respiración bajo el agua puede dar lugar a una mayor comodidad y seguridad durante los buceos así como también una mayor capacidad para brindar ayuda a un buzo en problemas.
Referencia
Edmonds C, Lowry C, Pennefather J, Walker R, eds. Diving and Subaquatic Medicine, 4th edition. London: Hodder Arnold, 2002.

© Alert Diver — 3er Trimestre 2016