Hiperoxia en el buceo

TOXICIDAD DEL OXÍGENO EN EL AIRE

     Por muy increíble que parezca, el aire que respiramos y nos da la vida puede llegar a ser tóxico, incluso estando completamente purificado y limpio. Esto puede ocurrir al aumentar la profundidad cuando estamos buceando, o al aumentar la presión en una cámara hiperbárica. 

      Pero ¿a qué es debido?, el responsable es el oxígeno que hay en el aire que respiramos, cuando aumenta la presión parcial del mismo.

     Para entender esto mejor, hay que explicar varios conceptos y procesos que ocurren tanto en superficie como en el fondo. Siendo necesario hablar de la composición del aire que respiramos, de presiones parciales y absolutas, y del oxígeno.

     En primer lugar hay que conocer la composición del aire que respiramos. Éste está compuesto por varios elementos diferente y en distinta proporción. Así a nivel del mar la composición del aire es de aproximadamente un 20,9% de oxígeno, un 78% de nitrógeno,  un 0,03% de dióxido de carbono y un 0,07% de otros elementos (argón, neón, xenón, CO, NO2, H2, H2O, entre otros). De todos estos elementos el oxígeno juega un papel muy importante en la vida de los seres aerobios, como los humanos, ya que forma parte de la respiración celular que se da en las mitocondrias, y por lo tanto es esencial para la vida.

Gráfico 1: Gráfico de barras de la composición porcentual de los elementos que forman el aire. Fuente: (Gómez, J.M et al 2019)

     Una vez conocido la composición del aire, es necesario explicar que es la presión; tanto la presión parcial como la absoluta. No hay que confundir la presión con la fuerza, ya que la presión es la fuerza por unidad de superficie, esa fuerza puede ser el peso. A nivel del mar la presión que soportamos es de 1 atm o 1 kg/cm2, siendo la conocida como Presión Atmosférica. Significa que si cogieramos 1 cm2 de superficie y pesáramos todo el aire que se encuentra encima de él hasta el final de la atmósfera pesaría 1kg. Sin embargo, en el agua la presión se conoce como Presión Hidrostática, y por cada columna de 10 m de agua la presión aumenta 1 atm. Pero además el mar ya soporta en su superficie 1 atm de la presión debido a la atmósfera,  por lo que un buceador a 10 m de profundidad soporta 1 atm hidrostática más 1 atm de la atmósfera, recibiendo finalmente 2 atm de presión,  esa suma de presión hidrostática más atmosférica es la Presión Absoluta.

Figura 1: Imagen donde se observa a un buceador soportando una presión absoluta de 2 atm (dibujo de la izquierda) y el dibujo de la derecha soportando 3 atm de presión absoluta. El dibujo del buceador que se encuentra a 2 atm de presión equivale a 10 m de profundidad, mientras que el de 3 atm está a 20 m de profundidad. Fuente: (Gómez, J.M et al 2019)

     Podemos conocer a que profundidad estamos sabiendo cual es la presión absoluta, y viceversa, es decir, se puede saber la presión absoluta conociendo la profundidad en la que estamos. Esto se puede saber empleando la fórmula:  

h = (Pabs - 1) x 10

                donde:

                          - h: profundidad (m) 

                          - Pabs: Presión absoluta (atm). 

Poniendo el ejemplo anterior, un buceador que soporta 2 atm, estará en una profundidad:

h = (2 atm-1) x 10 = 10 m.

        Una vez explicado qué es la presión, hay que conocer qué es la Presión Parcial. En 1810 Dalton enunció su ley en la que cada gas de forma individual ejerce una presión propia, esa presión que ejerce cada gas por separado se llama presión parcial (Pp), y la suma de las diferentes presiones parciales hace la presión total de la mezcla de gases.

Pp(c) = P x X(c)

  donde:
   - Pp(c): Presión parcial (atm) de compuesto c
   - P: Presión absoluta (atm)
 - X(c): Concentración en tanto por uno de un compuesto c.

     Por lo tanto, los distintos componentes del aire que respiramos ejerce una presión parcial de 0,209 atm el O2, 0,789 atm N2, 0,003 atm CO2 y 0,007 atm de otros gases. La suma de todas las presiones parciales da como resultado aproximadamente 1 atm, que es la presión atrmósferica a nivel del mar, como se comentó anteriormente.

   Los organismos aeróbicos, como los seres humanos, están preparados para soportar una concentración determinada de oxígeno disuelto en sus tejidos. Esa concentración es la necesaria para que la tensión de oxígeno en el tejido, se equilibre con la presión parcial de oxígeno que hay en el aire de nuestros pulmones. En el caso del oxígeno en nuestra sangre, se dice que está insaturada con respecto al aire, es decir, hay menos concentración de oxígeno en la sangre que en el aire de los pulmones. Sin embargo, al aumentar la presión parcial del oxígeno del aire, se produce una mayor disolución en la sangre, pero nuestros mecanismos enzimáticos son insuficiente para controlar la concentración de oxígeno disuelto y entonces se convierte en tóxico, conocido como Hiperoxia. Hay dos tipos de intoxicación por oxígeno o hiperoxia:

• Efecto Lorraine Smith o Intoxicación crónica: afecta al sistema respiratorio, concretamente en los pulmones. Sus consecuencias no son tan graves, provocando síntomas como tos seca, disneas, bronquitis, entre otros.
• Efecto Paul Bert o Hiperoxia de Altas Presiones (HAP) o Intoxicación aguda por oxígeno: fue el primero observado y afecta al sistema nervioso central, siendo sus síntomas más graves, provocando convulsiones, e incluso la muerte. 

Figura 2: Imagen donde se esquematiza la insaturación de la sangre para una gas determinado como puede ser el oxígeno. Se aprecia que la Pp del elemento es mayor en el aire del pulmón que en la sangre. En la sangre la presión parcial del gas o elemento se llama tensión. Fuente:  (Gómez, J.M et al 2009)

     Como se comentó anteriormente al nivel del mar la presión parcial del oxígeno es de 0,21 atm, por lo que si la presión parcial de este elemento es inferior a 0,45 atm no aparece ninguno de los dos tipos de hiperoxia. Pero si aumenta a 0,5 atm con tiempos de exposición muy largas puede empezar a aparecer síntomas de intoxicación crónica. Para tener noción a que profundidad equivale la Pp de oxígeno respirando aire, empleamos la ley de Dalton:

P = 0,5 atm / 0.21 = 2,3 atm ------->  h = (2,3 - 1) x 10 = 13 metros

     Por lo que en 13 m de profundidad el oxigeno que está en el aire comprimido que respira un buceador empieza a ser tóxico, pero el tiempo de exposición para que ocurra una intoxicación crónica es tan elevado (superior a 570 min) que es muy difícil de que padezca esta intoxicación.

    Por lo tanto, para que se produzca una hiperoxia crónica o agua depende de la presión parcial de oxígeno y del tiempo de exposición. Con respecto, a la presión parcial en el buceo está relacionada con el aumento de la profundidad, así a más profundidad se produce un aumento de la presión parcial de oxígeno. Mientras que el tiempo de exposición será mayor cuando la presión parcial de oxígeno sea menor, mientras que a mayor presión parcial el tiempo para que se produzca una hiperoxia será inferior. Estos tiempos con respecto la presión parcial de oxígeno lo estudio la NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration).

     Pero la intoxicación por oxígeno también depende de otros factores como son el esfuerzo físico, el frío, la deshidratación y acumulación de CO2. Por lo que la tabla publicada por la NOAA no sirven cuando se dan alguno de estos factores, por lo cual la US Navy sacó la misma tabla pero incluyendo estas condiciones, que llamó especiales, donde se observa una reducción considerable de los tiempos de exposición a una determinada presión parcial de oxígeno para que ocurra una hiperoxia. Como ejemplo, en condiciones normales a 1,6 atm de presión parcial de oxigeno, el tiempo de exposición para darse una hiperoxia es de 45 min, mientras que en condiciones especiales se reduce a 30 min. Empleando la fórmula de la ley de Dalton, la profundidad a la cual equivale la Pp de 1,6 atm de oxígeno es de 66 metros.

Tabla 1: La a (tabla de la izquierda) es la tabla realizada por la NOAA, mientras que la tabla b (la de la derecha) es la diseñada por la US Navy para condiciones especiales. Fuente: (Garcia, G. et al 2019)

      Además en el artículo 3, Gases Respirables, de la orden de 14 de octubre de 1997 por la que se aprueban las normas de seguridad para el ejercicio de actividades subacuáticas, establece en su punto 1 que la presión relativa máxima a a que se puede utilizar aire comprimido, será de 6 bares (atm). La presión relativa de 6 atm equivale a 60 m de profundidad,  por lo que la ley no permite el buceo con aire por debajo de 60 m.

     Además,  en el mismo artículo 3 de la misma orden,  también establece en su punto 5, que la presión parcial máxima de oxígeno respiraba por una persona en una mezcla respiratoria en un ambiente hiperbárico, será:

• 1,6 atm para buceadores con  titulación profesional.
• 1,4 atm para buceadores con titulación deportivo-recreativo.

     Pero, entonces ¿no se puede bucear en profundidades superiores a 60 o 66 m?, la respuesta es que si se puede bucear a gran profundidad,  pero para que la inmersión sea segura se deben emplear mezclas de gases respirable diferentes al aire, como el Heliox o Trimix. El conocido Nitrox (mezcla gaseosa de oxígeno y nitrógeno) suele emplearse en buceos más someros,  ya que la concentración de oxigeno es superior al 20,9% (mayor que el aire) por lo que no se podrá bucear a profundidades superior a la que se puede bucear con aire, pero esta mezcla gaseosa tiene unas propiedades en el buceo muy ventajosas y beneficiosas, pero no para buceo profundo.

     Para concluir, la toxicidad del oxígeno en el aire atmosférico depende de la presión parcial de oxígeno, que aumenta al aumentar la profundidad en la cual estemos buceando (o de la presión que aumente en una cámara hiperbárica), y del tiempo de exposición al oxígeno del aire respirado, estos tiempos se ven interrumpidos por condiciones adversas como sobresfuerzos, frío, acumulación de CO2 y deshidratación.

AGRADECIMIENTOS

  Agradezco a Alejandro Gutiérrez López la revisión y sugerencias, que han sido de gran utilidad para poder redactar esta página.

 REFERENCIAS

- García, G. et al. 2019. Manual de buceo con Nitrox. Imprenta Bielsa.  3ª edición. Barcelona. 
- Gómea,J.M et al. 2009. B1E Manual del alumno. Reprografía Sagasta S.L. 4ª edición. Barcelona. 
- Gómez, J.M et al. 2019. Manual de buceo 1 estrella FEDAS B-1E. Federación española de actividades subacuáticas. 1ª edición.
- Graullera, R. et al. 2019. B-3E Manual del alumno. Sea Grafic, S.L. 2ª edición. Barcelona.