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Tras un pequeño periodo dedicando nuestras Scubartículos a temas curiosos, aunque sin relación directa con nuestra actividad, retomamos esta sección con un tema mucho más directo: La fisiología pulmonar.

Durante las “escapadas” que hemos realizado este año, en esos largos trayectos hacia y desde el mar, no sólo hemos roncado (que sí, que no pasa nada, que luego ni se nota y puede que sea bueno, pero que sepas que roncar… ¡roncamos!) “elucubrado”, comentado o planificado, también hemos tenido kilómetros para resolver dudas, explicar, aconsejar o enseñar. Uno de los temas más recurrentes, es el del consumo de aire en las inmersiones. Tanto los novatos como los más expertos muestran un enorme interés por reducir el consumo y ampliar el tiempo de fondo, vamos, dicho en otras palabras: renunciar al preciado galardón del “sorbete de oro” para optar al de “ansiamasá”.

Para tratar de dar una explicación a todas vuestras inquietudes, vamos a dedicar un par de “scubacrónicas” a la fisiología pulmonar, creo que es un tema interesante del que podremos obtener conclusiones bastante útiles. Para que el texto pueda ser fácilmente comprensible, y, considerando las diferencias en el nivel de conocimientos que pueda existir entre todos, vamos a tratar de empezar desde cero, tratando de explicar todos los conceptos como si estuviéramos en una de nuestras reuniones mensuales, evitando términos confusos, complicados o farragosos.

Esperamos que os resulte de utilidad.

1.- Anatomía pulmonar. Cosas que hay que saber.
En el Open Water os explicamos algo sobre este tema, pero eran conceptos un poco deslavazados, así que vamos a intentar ponerlos en orden ciñéndonos a lo que tiene importancia para el buceo. Todos sabéis cómo son los pulmones y que a ellos llegan dos circuitos, el aéreo y el sanguíneo.

Ambos parten de conductos grandes que se van dividiendo hasta llegar a las unidades funcionales, los capilares sanguíneos por un lado y los alveolos por el otro, separados por una membrana alveolo-capilar. A través de esa membrana el oxígeno y el nitrógeno pasan a la sangre mientras que el CO2 pasa al alveolo. Del cuánto y cómo hablaremos más tarde.

Un aspecto anatómico importante es que la tráquea, los bronquios y sus ramificaciones casi hasta el final no son más que conductos de paso de aire, por lo que todo el aire que les ocupa no intercambia gas (no sirve para nada desde el punto de vista funcional).

También recordaremos esto.

Otro asunto de la anatomía a explicar es la pleura, quizá la que más lleva a confusión. La pleura es una doble capa que “forra” los pulmones y la caja torácica. Es muy similar al pericardio y al peritoneo y cumple la misma función: servir de superficie de deslizamiento de estructuras móviles. Es un espacio virtual, es decir, permanece prácticamente colapsado y con una pequeña cantidad de líquido que permite ese deslizamiento, en nuestro caso el movimiento de una estructura que se agranda y se encoge en cada respiración -el pulmón- contra otra estructura rígida que apenas se mueve -la caja torácica-.

Para entender cómo es la pleura coged una bolsa de plástico típica y poned el puño derecho cerrado apoyado en un lateral y la mano izquierda abierta en el lado contrario. Ahora apretad el puño contra la otra palma y mientras lo hacéis abrid y cerrad el puño derecho lentamente. El puño sería el pulmón moviéndose, la palma izquierda la caja torácica y la bolsa sería la pleura con sus dos capas: la pleura parietal -contra la caja torácica- y la pleura visceral o pulmonar -tapizando los pulmones-. Como veis, al apretar uno contra otro no queda casi espacio, pero ambas capas permiten el deslizamiento. Entender esto ayuda a comprender qué es un neumotórax, cómo se produce y cómo se trata. Pero esto también será más tarde.

En la imagen anterior se puede ver un corte transversal de los pulmones y cómo está colocada la pleura, que hace un fondo de saco en la parte inferior, especialmente en espiración.

En la imagen siguiente podemos ver a la pleura, en azul, con respecto a los pulmones, también en fase de espiración. Al inspirar se va deslizando y agrandando, pero fijaros que el tamaño pulmonar en espiración no es tan diferente de la inspiración (solo aumenta un 10-20%), es decir en espiración el pulmón no se hace pequeñito.

Bueno, creo que hemos aprendido algo nuevo sobre los pulmones y en especial, aclarado el concepto que teníamos de la “pleura”. Vamos a continuar con el capítulo segundo donde veremos más sobre la respiración y el intercambio cambio gaseoso.

2.- La Respiración
Como ya sabemos, el objetivo de la respiración no es otro que suministrar oxígeno a los tejidos y eliminar el dióxido de carbono (CO2). Para ello la respiración se divide en cuatro acontecimientos principales:

– Ventilación pulmonar. Es el flujo de aire de entrada y salida existente entre la atmósfera (o el regulador) y los alveolos pulmonares.
– Difusión de los gases entre alveolos y sangre
– Transporte de oxígeno y CO2 a las células
– Regulación de la ventilación

Vamos a centrarnos en la ventilación. Los pulmones se expanden y se contraen de dos formas: por el movimiento del diafragma, que alarga y acorta la cavidad torácica y por la elevación y descenso de las costillas que aumenta y disminuye el diámetro antero-posterior de la cavidad torácica. Veamos cómo.

La respiración normal, tranquila, se produce casi totalmente por la función del diafragma, que tiene forma de cúpula. Al contraerse la cúpula se tensa y se hace horizontal, con lo que su centro baja. El diafragma también está tapizado por la hoja externa de la pleura. Al bajar crea una presión negativa (una succión) en la pleura que “chupa” el pulmón hacia abajo haciéndolo más grande. Eso crea a su vez una presión negativa en el interior del pulmón que mete el aire. Al relajarse el diafragma se produce el mecanismo inverso por un efecto elástico de pulmones, pared torácica y abdomen, que tienden a volver a su posición natural, y el aire sale por bronquios-tráquea-vías superiores.

En una respiración más enérgica esto no es suficiente. El primer mecanismo que ayuda es la contracción-expansión de la musculatura abdominal. La utilización del diafragma y la musculatura abdominal es mucho más eficiente que los otros mecanismos que citaremos a continuación, y además mucho más regulable. A los cantantes se les enseña a utilizar esa musculatura para regular con precisión el flujo de aire. El sistema es simple: tumbados con una mano sobre el tórax y otra sobre el abdomen deben ser capaces de cantar sin que se mueva la mano del tórax y sí la del abdomen. Os aconsejo probar este sistema (ojo, recordad que no estáis en la ducha y que se oye lo que cantáis)

El segundo método de expandir los pulmones consiste en “elevar” la caja torácica. Este curioso mecanismo está basado en la mecánica secundaria a la anatomía. La caja torácica está formada por las costillas y los músculos intercostales, la columna por detrás, el esternón por delante (al que van unidas las costillas por cartílagos como veis en el dibujo) y el diafragma por abajo. Las costillas pivotan sobre su unión con las vértebras, pero al estar unidas al esternón funcionan como una única cosa. En su posición natural las costillas son como el asa de un cubo en reposo. Tienen una posición ligeramente hacia abajo. Al contraerse los músculos intercostales y los músculos accesorios (esternocleidomastoideo, serratos y escalenos) es como si eleváramos el asa del cubo hasta la vertical. Como pivota sobre el eje trasero esa elevación provoca que el asa se aleje del cubo. En nuestro caso, el esternón se mueve hacia adelante con lo que la caja torácica aumenta su diámetro antero-posterior, creando la famosa presión negativa que hace entrar el aire. Para vaciar (espiración forzada) son otra vez los músculos abdominales los que tiran hacia abajo, junto con los intercostales internos.

Ahora viene el meollo de la cuestión. Esa presión negativa pleural es la que, como hemos dicho, tira del pulmón para que se expanda, no hay músculos que tiren directamente del pulmón. Nuestra capacidad para provocar esa presión negativa es muy pequeña, suficiente en condiciones normales, pero se agota en cuanto una mínima presión externa se aplica sobre nosotros, como por ejemplo la del agua en la que tanto nos gusta meternos.

Todos recordaréis escenas en las que un fugitivo se esconde en un pantano y se hunde para respirar por un junco mientras los soldados le buscan. Eso solamente se puede hacer con el cuerpo muy cerca de la superficie. Una presión tan solo de 0,1 atmósferas (1 metro de profundidad) es mucho mayor que la presión negativa máxima que nosotros podemos crear aun utilizando toda nuestra musculatura accesoria. Por eso tampoco se podrían emplear tubos (snorkel) largos.

Por esta razón necesitamos al bucear que un regulador nos suministre el aire exactamente a la misma presión que nos rodea, determinada por la válvula de la segunda etapa. Así podemos respirar “como en superficie”.

Como recordaréis del curso Open Water, un gas determinado ocupa un volumen determinado por la presión. El producto presión por volumen es una constante. Para conseguir el volumen que necesitamos el aire va comprimido proporcionalmente a la presión. Para ocupar los mismos 500 mililitros que respiramos normalmente en superficie haría falta 1 litro si estamos a 10 metros de profundidad (2 atm) o 2 litros si estuviéramos a 30 metros de profundidad (4 atm). Por eso el consumo aumenta proporcionalmente con la profundidad.

Pero eso ya lo sabíais.

3.- Los Volúmenes Pulmonares y la Ventilación Alveolar.
Al hacer una espirometría (coger y soltar aire de diferentes formas en una máquina especial) se pueden registrar los volúmenes y capacidades pulmonares. Vamos a ver cuáles son.

1. Volumen Corriente (VC): el que se mueve en una respiración normal. Unos 500 ml. para un adulto.
2. Volumen de Reserva Inspiratorio (VRI): el máximo que se puede inspirar por encima del anterior en una ventilación forzada. Unos 3.000 ml. Es el que utilizan los apneistas.
3. Volumen de Reserva Espiratorio (VRE): Es el máximo flujo de aire que se puede expulsar en una espiración forzada: unos 1.000-1.100 ml.
4. Volumen Residual (VR): lo que queda en los pulmones tras la espiración forzada (lo que ya no se puede sacar): unos 1.200 ml.

Sumando algunos de estos volúmenes se obtienen diferentes Capacidades:

1. Capacidad Inspiratoria (CI): lo que se puede llegar a inspirar desde una espiración normal. Por tanto VC+VRI (3.500 ml).
2. Capacidad Residual Funcional (CRF), concepto muy importante, es la cantidad de aire que queda en los pulmones tras una espiración normal (VRE+VR). Es el volumen de aire que realiza el intercambio gaseoso. Disminuye mucho en niños y en personas obesas.
3. Capacidad Vital (CV): máxima cantidad de aire que se puede expulsar tras una inspiración forzada (VRI+VC+VRE), unos 4.600 ml.
4. Capacidad Pulmonar Total (CPT): suma de la CV y el VRE.

El volumen/minuto respirado en condiciones normales sale lógicamente de multiplicar el volumen corriente por la frecuencia: 500×12=6.000 ml (6 lt.). Una persona puede vivir durante un corto periodo de tiempo con una relación volumen/minuto de tan solo 1,5 lt/min y una frecuencia de 2 a 4 respiraciones por minuto (lo que nosotros llamamos “respirar por branquias”). Es decir, alargar o alterar la frecuencia respiratoria no es muy buena idea.

En ocasiones la frecuencia puede elevarse hasta 40-50 y el volumen corriente llegar hasta la capacidad vital (4,5 lt). Se han medido consumos de 200 lt/min, pero la mayoría de las personas no pueden sostener más de 100-130 lt/min durante más de 1 minuto.

Todos estos valores son menores en la mujer (20-25%), mayores en personas altas y delgadas y menores en bajos y obesos.

Al final, lo que importa es renovar continuamente el aire en las zonas de intercambio gaseoso, donde se ponen en contacto a través de una membrana el aire y la sangre. Esas zonas son los alveolos, los últimos niveles de ramificación de los bronquiolos (fijaros en la figura del primer post). Una parte del aire respirado nunca llega a las zonas de intercambio, ya que sirve para rellenar las vías altas (nariz, faringe, tráquea, bronquios). Este espacio, que ocupa unos 150 ml, se denomina Espacio Muerto. Por tanto, de los 500 ml. de volumen corriente que entra por boca/nariz, solo 350 son auténtica ventilación alveolar. Una inspiración un poco más profunda (850 ml) duplicaría la ventilación alveolar (700 ml) ya que el espacio muerto sigue siendo el mismo.

4.- Las Vías Aéreas.
El aire que respiramos tiene una temperatura (la ambiental) y una humedad que debe ser modificada para ser adecuada. En condiciones normales es fundamental la función de las fosas nasales, en cuyo interior hay unas estructuras (los cornetes) que junto con el tabique nasal forman estrechos pasillos que generan turbulencias con una superficie total de unos 160 cm2. Al pasar el aire por ellos se produce:

– Un calentamiento por contacto
– Una humidificación casi completa
– Un filtrado parcial de partículas

Por eso al correr es mejor inspirar por la nariz para acondicionar el aire y espirar por la boca, donde la salida es más rápida y fácil.

Al bucear solo respiramos por la boca así que perdemos esta función, lo que hace que el aire que nos llega a los pulmones sea más frío (estará más frío cuanto menor sea la temperatura en la botella, por tanto cuanto menor haya sido la temperatura a la que estaba la botella en superficie y cuanto menor sea la del agua) y más seco. Hay otros factores pueden empeorar esta situación como por ejemplo, el tabaco, que reseca la mucosa bronquial y disminuye la capacidad del “sistema de limpieza” de los bronquios, que consta de unos pequeños pelillos que hay en la superficie de las células bronquiales llamados cilios que “barren” las partículas y el moco hacia afuera.

También habría que evitar procesos previos de las vías aéreas (catarros, bronquitis…) y la deshidratación típica del buceo, sobre todo en zonas calientes. En este proceso pueden influir la temperatura ambiente, el neopreno, el ejercicio, la mayor producción de orina por la compresión linfática o la baja reposición de líquidos.

Evidentemente, las inmersiones sucesivas, serán otro factor a tener en cuenta.

Los Rebreathers recirculan el aire espirado, que ya hemos calentado y humidificado, haciendo que volvamos a respirarlo una vez eliminado el CO2 por el circuito de cal. Por tanto, desde el punto de vista de la fisiología respiratorio son claramente superiores.

En los quirófanos tienen exactamente el mismo problema, ya que el aire del respirador entra directamente a la tráquea por el tubo endotraqueal. Por ello los respiradores modernos, recirculan el aire exactamente de la misma forma pudiendo mantener durante más tiempo una adecuada temperatura y humedad del aire respirado.

De todos los factores que hemos citado hay algunos sobre los que podemos actuar para mejorar la situación y hacer que nuestras vías aéreas estén en las mejores condiciones posibles: restringir en lo posible el consumo de tabaco, especialmente en las 48-72 horas anteriores a bucear para mejorar la función ciliar y, sobre todo hidratarnos adecuadamente. Recordaréis la máxima del fotosub: “Cuando crees que ya estás muy cerca para hacer la foto, acércate más”. Pues en este caso, “cuando crees que ya has bebido suficiente agua, bebe un poco más”.

5.- Principios Físicos del Intercambio Gaseoso
Los que hayáis hecho el curso Nitrox veréis cómo todo esto empieza a sonaros conocido. Como dijimos anteriormente, el objetivo principal de la respiración es el intercambio gaseoso que se produce en los alveolos. Vamos a ver en qué se basa y cómo se produce.

Los gases que intervienen son moléculas simples que se mueven unas entre otras en un proceso llamado difusión. Lo mismo se puede decir de los gases disueltos en líquidos y tejidos corporales. Para que se produzca la difusión tienen que haber una fuente de energía, que proviene del propio movimiento de las moléculas, que se produce de forma continua y al azar. Un gas situado en una cámara o en solución, si tienen una concentración elevada en un extremo y baja en el otro realiza una difusión para igualar ambas concentraciones, como se muestra en la figura. Esto, que puede parecer obvio, es la base de todo intercambio gaseoso.

La presión se origina por el impacto constante de las moléculas en movimiento contra una superficie. Por ello, la presión de un gas es proporcional a la suma de las fuerzas de impacto de sus moléculas que golpean la superficie, por tanto directamente proporcional a la concentración de moléculas de gas. En la respiración se trabaja con mezclas de gases, principalmente oxígeno, nitrógeno y dióxido de carbono. La tasa de difusión de cada gas es proporcional a la presión que origina, llamada “presión parcial”.

Expliquemos esto.

El aire tiene una composición aproximada de 79% de nitrógeno y 21% de oxígeno. Cada gas contribuye a generar su parte de los 760 mm de mercurio (mmHg) en superficie a nivel del mar, o sea 1 atmósfera. Por tanto la presión parcial del nitrógeno (pN2) sería de unos 600 mmHg y la del oxígeno (pO2) unos 160 mmHg.

Lo mismo sucede con los gases disueltos en agua, sangre o tejidos corporales. En el caso de los gases disueltos en líquidos, aparte de su concentración influye también su capacidad de disolverse en dicho líquido, su coeficiente de solubilidad. Por ejemplo, el dióxido de carbono (CO2) tiene atracción por las moléculas de agua (hidrofílico), por lo que puede disolverse en grandes cantidades sin producir un exceso de presión. Las moléculas que repelen el agua (hidrofóbicas) desarrollan altas presiones con mucha menos cantidad de moléculas disueltas. Esto queda reflejado por la ley de Henry: Presión= Concentración de gas disuelto / coeficiente de solubilidad. Como ejemplo, los coeficientes de solubilidad de los gases respiratorios son:

Oxígeno: 0,024
CO2: 0,57
CO (monóxido de carbono): 0,018
Nitrógeno: 0,012
Helio: 0,008

De estos valores se deduce que el dióxido de carbono es 20 veces más soluble que el oxígeno, y que éste es más soluble que el resto de los otros gases.

Los que habéis hecho el curso Nitrox y sobre todo los que buceáis con otras mezclas como Trimix sois más conscientes de la importancia de estos conceptos.

La presión parcial de cada gas en la mezcla alveolar tiende a forzar a las moléculas del gas a disolverse, primero en la membrana alveolar y después en la sangre de los capilares alveolares. Y al revés, las moléculas ya disueltas en la sangre escapan a los alveolos de forma proporcional a su presión parcial en la sangre. ¿Cuál es el resultado neto? Pues depende de la diferencia entre las dos presiones parciales a cada lado de la membrana (lo que se denomina gradiente de presión). En el caso del oxígeno, la presión parcial es mayor en el lado alveolar, por lo que el flujo neto es en dirección a la sangre; el CO2 se encuentra con la situación opuesta.

Hay otro factor, que tiene importancia. En el capítulo anterior hablábamos de la importancia de las fosas nasales en el acondicionamiento del aire respirado, calentando y humidificando el mismo. Esta función la completa el resto de la superficie bronquial, incorporando agua de su superficie que se evapora al contacto con el aire mucho más seco, de forma parecida a como se forman las nubes en el mar. La presión del vapor de agua a temperatura corporal es de 47 mmHg, o sea la presión parcial de agua (pH2O). Volveremos con esto más adelante.

Aunque todo esto sea un ladrillo, si lo entendéis ahora luego todas las piezas del puzle encajarán al final.

Terminando con los principios físicos del intercambio gaseoso, hablábamos de la solubilidad de los gases y la humidificación a su paso por la vía respiratoria. La solubilidad y el peso molecular del gas determinan su coeficiente de difusión, que es el factor que nos dice cómo difunde ese gas. Considerando 1 el coeficiente de difusión del oxígeno, los coeficientes relativos de los diferentes gases en los líquidos corporales son:

Oxígeno: 1.0
CO2: 20.3
Monóxido de carbono (CO): 0.81
Nitrógeno: 0.53
Helio: 0.95

Los gases de importancia respiratorios son todos muy solubles en los lípidos (grasas) y por tanto en las membranas celulares que tienen gran cantidad de lípidos. Como la mayor limitación de movimiento en los tejidos es la tasa a la que los gases difunden por el agua de los tejidos, la difusión de los gases en los tejidos, incluida la membrana respiratoria, es casi igual a la del agua (lista anterior).

Como dijimos anteriormente el aire inspirado llega casi seco y es humidificado a su paso por las vías respiratorias, principalmente en la nariz (no en nuestro caso, por eso se nos secan tanto los bronquios al bucear y por eso insistía lo importante de hidratarse). En la tabla podéis ver la diferencia de presiones parciales en el aire inspirado (seco), el que llega humidificado, el alveolar y el espirado. Los famosos 47 cm H2O de presión de agua son descontados de las otras presiones para totalizar los mismos 760, ya que los otros gases se disuelven parcialmente en el vapor de agua.

¿Por qué hay esa diferencia entre el aire alveolar y el espirado? ¿No es el aire alveolar el que espiramos? Recordad lo que decíamos sobre el “espacio muerto” y la CRF (capacidad residual funcional, 2.300 ml). Es pura matemática. El aire espirado es la mezcla del que ya había en las vías aéreas (espacio muerto, 150 de los 500 ml respirados) que tiene los valores de la segunda columna con el alveolar (tercera). Si mezcláis un 30% de la columna 2 con un 70% de la columna 3 tendréis aproximadamente la columna 4. Además, de los 2.300 ml de aire alveolar que quedan en los pulmones al terminar una espiración solo se renuevan unos 350 en la siguiente inspiración. Por tanto se necesitan varios ciclos respiratorios para renovar totalmente el aire pulmonar. Este mecanismo de renovación lenta es importante para evitar bruscas variaciones en los niveles sanguíneos de los gases, lo cual nos permite por ejemplo hacer apneas prolongadas sin que esos niveles cambien de forma demasiado rápida (seguimos absorbiendo oxígeno lentamente de esa “reserva” y seguimos llenándola lentamente de CO2 aunque no respiremos).

Respirando aire normal a presión ambiente es imposible conseguir una presión parcial de oxígeno superior a 150. Respirando Nitrox sí, ya que el porcentaje de oxígeno en la mezcla es superior y por tanto su presión parcial también (olvidaros por ahora del aumento de presión global por la profundidad, que es transmitido también a los tejidos; pensemos en relativo). Por tanto al respirar Nitrox conseguiremos una mayor presión alveolar de oxígeno que provocará una mayor presión de oxígeno en sangre y, en consecuencia, mayor disponibilidad de oxígeno en los tejidos. Por eso el Nitrox nos da “superpoderes”, aunque esto no es tanto como parece y ya lo matizaremos más adelante al hablar de la hemoglobina y la saturación de oxígeno.

Bueno, creo que para una primera toma de contacto ya tenemos suficiente material. El mes que viene, seguiremos hablando de fisiología pulmonar y os daremos consejos para reducir vuestro consumo de aire.

El artículo “Anatomía, Fisiología Pulmonar y Buceo” que reproducimos en esta serie de tres “scubartículos” fueron publicados el 9 de marzo de 2010 en Forobuceo. Contamos con la autorización expresa de su autor “Decoman”, para reproducirlos. Agradecemos, por tanto, al autor, su amabilidad al permitir la reproducción de estos artículos y reconocemos el esfuerzo y la calidad atesorada en la realización de este trabajo.

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