El buceo profundo y las leyes de los gases
( Publicado en Revista Creces, Marzo 2001 )

Un mejor conocimiento de los factores que afectan a un buzo que se sumerge a profundidades mayores de 50 mts. puede complementar muy bien la experiencia generacional que se transmite entre los buzos-mariscadores.

Muy temprano en la mañana, cuando apenas alumbra el sol, en muchas de las innumerables caletas pesqueras de nuestra costa, los buzos-mariscadores toman sus aperos que dejaron listos la noche anterior, cargan sus botes, revisan los compresores por última vez y se hacen a la mar para ir en busca de los apetecidos mariscos que viven adosados a las rocas sumergidas a varios metros de profundidad.

De vez en cuando se lee en algún periódico o en alguna revista sobre los problemas que pueden producirse o las precauciones que se deben tomar cuando se realiza el "Buceo Profundo" (buceo a profundidades mayores de 50 metros) o a veces se encuentra con alguna historia en una caleta de pescadores acerca de accidentes sufridos por pescadores que se aventuraron a bucear a profundidades mayores para obtener esos codiciados moluscos, como los deliciosos "locos".

Sumergirse a cualquier profundidad no es simple y aún mayores precauciones deben tomarse cuando se pretende sobrepasar los 40 - 50 metros, debe contarse con el equipamiento adecuado y el entrenamiento necesario para hacerlo, pero sobre todo debe tenerse clara conciencia de lo que significa el aumento de presión que soportará el cuerpo y los problemas que pueden generarse si no se toman las debidas precauciones o no se siguen estrictamente las indicaciones dadas por el entrenador del "buceo profundo".

La práctica del buceo profundo es un excelente ejemplo de la aplicación de las Leyes de los Gases y su conocimiento es de vital importancia para saber el comportamiento de los gases que constituyen la atmósfera que respiramos cuando aumenta la presión debido a la masa de agua que se encuentra sobre el buzo.

¿Cuánto aumenta la presión a medida que se sumerge el buzo? Considerando que la densidad del agua de mar es ligeramente mayor (1,0243 g/cm3 a 25ºC) que la del agua destilada, se deduce que la presión aumenta en una atmósfera cada 10,1 mts. de profundidad (ver Recuadro 1); así un buzo que baje entre 40 y 50 mts de profundidad estará soportando una presión total de 5 a 6 atmósferas aproximadamente. Teniendo en cuenta la composición del aire que respiramos en la atmósfera inferior, el cual contiene 78,084% de Nitrógeno (N2), 20,946% de Oxígeno (O2), 0,934% de Argón (Ar), 0,033% de Anhídrido Carbónico (CO2) y Helio y Neón en pequeños porcentajes y por otro lado la Ley de Dalton, "de las presiones parciales", la presión parcial del O2 a 50 mts de profundidad sería:
Po2= Xo2 x Pt= n/n+n x Pt

donde Pt es la presión total (5,94 atm menos 0,0555 atm [presión de vapor del agua a 35ºC] = 5,89 atm) y los n^s el número de moles de los gases en la mezcla llamada aire. Dado que el volumen es directamente proporcional al número de moles presente (a Presión y Temperatura constantes), se puede escribir:

Po2= Vo2/Vo2 + VN2 x Pt = 21/21+79x 5,89 = 1,234 atm
PN2=Vo2/VN2 xPt= 79/21+79 x5,89=4,65 atm

Con estas presiones parciales del O2 y del N2, se puede calcular, de acuerdo a la Ley de Henry (ver Recuadro 2) la cantidad de O2 y de N2 que se disuelve en la sangre a 5,94 y a 1,0 atm, ambos a 35ºC, dando un resultado de 30,2 y 59,5 cm3/lt de O2 y de N2 respectivamente. Considerando que en la superficie del mar, a 1,0 atm. , se disuelven en la sangre 4,97 cm3/lt de O2 y 9,69 cm3/lt de N2 y que el ser humano tiene aproximadamente 5,5 lts. de sangre; al sumergirse un buzo a 50 mts. de profundidad, se le disolverá un exceso de gases bastante considerable, a saber:

O2 = (30,2 x 5,5)-(4,97 x 5,5)= 138,8 cm3 de O2 totales, disueltos en exceso comparado con condiciones normales.

N2 = (59,5 x 5,5)-(9,69 x 5,5)= 274,0 cm3 de N2 totales, disueltos en exceso comparado con condiciones normales.

Esta cantidad mayor de Oxígeno y Nitrógeno disueltos en la sangre, la que a 50 mts. de profundidad es aproximadamente 6 veces la cantidad normal que tiene el ser humano en el torrente sanguíneo, produce desde ya problemas a consecuencia de sus altas concentraciones en solución. Investigadores han determinado que la presión parcial máxima de Oxígeno que es tolerable es de 1,80 atm., la cual se produce a una presión total de 8,5 atm., es decir,bajo los 75 mts. de profundidad, profundidad que prácticamente está vedada al buceador deportivo.

A esta alta presión se afectan los canales del oído y se comprimen los pulmones, pero un efecto serio es el que produce la alta presión parcial del Oxígeno que se respira a estas profundidades manifestándose los síntomas de toxicidad del Oxígeno, a pesar de que sabemos que el O2 es esencial para nuestra existencia y por lo tanto, se hace difícil creer que pueda ser dañino si se respira a una dosis mayor que la normal (la toxicidad del exceso de Oxígeno está bien establecida: por ejemplo los recién nacidos colocados en cámaras de Oxígeno, a menudo desarrollan "fibroplasia retrolental" - daño en el tejido de la retina - que puede causar ceguera total o parcial). A esta presión parcial de Oxígeno o superior, se produce la saturación de la hemoglobina de la sangre en un 100%, quedando además disuelto en el plasma sanguíneo en una proporción 8-9 veces mayor que la normal; esto produce como respuesta que el número de glóbulos rojos disminuye y la hemoglobina sobrecargada de Oxígeno impide fijar el Anhídrido Carbónico (CO2) producido por el esfuerzo muscular, apareciendo los síntomas de intoxicación por Oxígeno (hiperoxia).

Los síntomas de intoxicación por O2 (cuya intensidad depende de la sensibilidad de cada individuo), son: confusión, irritabilidad, cefaleas intensas, náuseas, vómitos, visión y audición no controladas, si la intoxicación aumenta se producen violentas contracciones musculares, similares a las de un ataque epiléptico. El ataque puede producirse al descender a cotas profundas o al permanecer por algún tiempo en dichas cotas.

A pesar de que la solubilidad del Nitrógeno a 37ºC en la sangre es menor que la del Oxígeno, su presión parcial es bastante mayor que la del O2, produciendo una mayor concentración por disolución en la sangre. Por debajo de los 75 mts. de profundidad, la presión parcial del N2, en una mezcla gaseosa de igual composición que el aire que respiramos, es:


Pn2= 79/21+79 (7,42-0,0555)=5,82 atm.,

lo cual produce un volumen de N2 en exceso, de:

Vol. N2 (g) = 12,8 cm3/lt.atm. x 5,82 atm. = 74,5 cm3/lt

y en 5,5 lts. de sangre da un total de:

(74,5 x 5,5) - (9,7 x 5,5) = 356,5 cm3

Esta alta concentración de Nitrógeno solubilizado en la sangre produce la llamada "Narcosis de Nitrógeno" o "Embriaguez de las Profundidades", cuyos síntomas son muy similares a la intoxicación etílica, es decir, el buzo se siente muy similar al estado de beberse demasiados "pisco sour", produciéndose euforia, alegría, irresponsabilidad, etc. Si ahora se aumenta la profundidad y por ende el volumen de Nitrógeno disuelto en la sangre, se llega a efectos similares a la intoxicación producida por sustancias alucinógenas, con sensaciones de pánico, desconexión de la realidad exterior, alucinaciones auditivas y visuales.

Sin embargo debe tenerse en cuenta que la fría exactitud de los números no debe tomarse como una norma fija y definitiva, sobre todo cuando intervienen factores de índole fisiológica, que a menudo son característicos de una persona en particular y que escapan al cálculo matemático. Existe sin duda la adaptación del ser humano a los posibles efectos de la presión y del aumento de los gases en su sangre, como es el ejemplo de los pescadores de coral en el mediterráneo, que descienden a cotas de 100 mts., o de los pescadores de ostras perlíferas en Japón, los que rara vez presentan signos de intoxicación. Además influye el factor de distribución del gas en los diferentes compartimentos líquidos, intra - y extra - celulares, lo que puede tomar tiempos algo variables en algunas personas.

Los vasos coronarios y el cerebro, por ser los más irrigados, son los que mayor riesgo corren, ya que pueden alcanzar el grado de saturación en pocos minutos, mientras que los tejidos conjuntivos y la médula espinal necesitan aproximadamente de 1,5 a 3,2 hrs. para saturarse; los más lentos en este proceso son los tejidos ricos en grasa, como la médula ósea, la grasa del abdomen y el tejido cartilaginoso. No obstante, pese a que una saturación completa y perfecta no se alcanza hasta las 12 hrs., se supone que con la mitad del tiempo se llega a un grado de saturación bastante importante en todo el organismo. Es decir, los gases constituyentes de la mezcla respiratoria se disuelven casi instantáneamente en la sangre a través de los alvéolos pulmonares, llegando al equilibrio o a la saturación de acuerdo a sus presiones parciales, proceso que a lo más demoraría de 5 a 10 min. para llegar al 100% de saturación. Al estar la sangre saturada, comienza a ceder los gases a los tejidos, proceso que demora de 6 a 12 hrs., hasta alcanzar la saturación total del organismo.

Sin embargo, el mayor problema que se ha presentado siempre en la práctica del buceo con ayuda de aire comprimido, ha sido la eliminación de los gases disueltos en el organismo y acumulados durante el período de inmersión. De los tres gases, componentes principales del aire atmosférico, el único inerte es el Nitrógeno, cuya presión parcial es aproximadamente 3 veces la del Oxígeno y no participa en ninguno de los procesos metabólicos, por lo que pasa por el organismo y por la sangre, eliminándose en la misma proporción en la que penetró; como se evidencia en el cuadro siguiente:

Aire inspirado(%)

Oxígeno (O2) ------------ 20,96
Nitrógeno (N2)------------ 78,8

Anhidr. Carb. (CO2)------ 0,03

Argón-------------------------- 0,93

Vapor de Agua ------- Variable

Temperatura----------- Ambiente


AIRE EXPIRADO (%)

Oxígeno (O2) ------------ 19,39

Nitrógeno (N2)------------ 78,08

Anhidr. Carb. (CO2)------ 4,50

Argón-------------------------- 0,93

Vapor de agua -------- Muy abundante

Temperatura--------------- 32-34ºC

Así el Nitrógeno, que a la presión normal de 1 atm. se comporta tan intrascendente, actuando como un diluyente, cuando está sometido a presiones mayores se convierte en uno de los peores enemigos del buzo. Se mencionó anteriormente que el organismo distribuye el exceso de N2 disuelto por la mayor presión, que a 75 mts. de profundidad significa un total de 409,8 cm3 disueltos en los 5,5 lts. de sangre que tendría un ser humano. Ahora, si el buzo volviese repentinamente a la superficie, es decir a una presión de 1 atm., los 409,8 cm3 se convierten en (de acuerdo a la Ley de Boyle):

V2=P1x V1/ = P2 = 1,0/8,43x409,8 =3454,6cm3

lo cual significa un exceso de N2 gas, de (3.454,6 - 48,6 cm3 (3406 cm3)3,4 lts. aproximadamente, que tenderían a abandonar su condición de solución, principalmente en la sangre y parcialmente en el resto del organismo, pasando al estado gaseoso, es decir, se produce el proceso de desaturación. El gas disuelto en los tejidos se transfiere al torrente sanguíneo y de éste a los alvéolos pulmonares para ser expulsado al exterior, dependiendo de la velocidad de ascenso del buzo. Si la velocidad de ascenso es muy rápida, no hay el tiempo necesario para que se produzcan los procesos de transporte que terminan con los gases en los alvéolos pulmonares, lo que da lugar a la formación de burbujas en los tejidos y en la sangre, las que al precipitarse por los conductos de expulsión, se juntan formando burbujas de mayor tamaño (efecto similar al abrir una botella de bebida gaseosa), las que en algunos casos son capaces de obstruir el flujo sanguíneo; este cuadro produce la llamada "enfermedad descompresiva" (embolia gaseosa o "bends").

Los síntomas de la descompresión repentina aparecen inmediatamente de alcanzada la superficie en el 70% de los casos y en un 90% antes de la primera hora; de acuerdo a la gravedad de la enfermedad descompresiva se ha clasificado en dos tipos:

I) Enfermedad Descompresiva de Tipo I (leve).
La afección está limitada a la piel, tendones, músculos y articulaciones:
- dolor a los huesos, articulaciones y músculos, produciéndose una
pesadez del miembro afectado;
- afectación cutáneo-linfática, produciéndose prurito, manchas en la piel
(pecho y vientre) con hinchazón dolorosa bajo la piel.

II) Enfermedad Descompresiva de Tipo II (grave).
Afecta al sistema nervioso con diferentes niveles de gravedad
- afección cerebral: debilidad general,pérdida de la sensibilidad, hormigueo en las piernas, pérdida del movimiento en las
extremidades inferiores, marcha tambaleante y descoordinación,
- afectación medular: trastornos visuales, pérdida de la conciencia,
parálisis de medio cuerpo, confusión mental, dificultad al hablar,
vómitos.
- afectación vestibular: vértigo, mareos, náuseas, pérdida del equilibrio.
- afectación pulmonar: sensación de opresión, debilidad, palpitaciones, dolores torácicos.

Todos estos síntomas pueden tener secuelas importantes si el accidentado no es sometido rápidamente a un tratamiento en una "cámara hiperbárica" o cámara de Descompresión. Este cuadro indica que deben seguirse rigurosamente
las indicaciones y tablas que existen para la descompresión según la profundidad y el tiempo que se han alcanzado en la inmersión.

Así en resumen, para evitar la toxicidad del exceso de Oxígeno, cuando se tiene una presión parcial mayor que 0,2 atm. o la mayor solubilidad del Nitrógeno en la sangre, provocada por la alta presión, se recurre a diluir el O2 con Helio, el cual tiene una solubilidad mucho menor que la del Nitrógeno - solubilidad del Helio a 37ºC es menos de la mitad de la solubilidad del N2 -. Nuestro organismo funciona mejor cuando el Oxígeno tiene una presión parcial de 0,2 atm.; así a una profundidad de 50 mts., en que la presión total es de 5,9 atm., se debe reducir el contenido de O2 de acuerdo a:

Po2 =Vo2/Vo2 + VN2x PT ; 0,2 atm.= Vo2/Vo2+ VN2=5,9 atm.

Vo2/ Vo2+ VN2 =0,2atm/ 5,9 atm.=0,034 o 3,4% de O2 en el total mezcla de Helio + Nitrógeno.

Efectivamente, los buzos de Jacques Cousteau utilizaban una mezcla de 98% de Helio y 2% de Oxígeno, consiguiéndose así una presión parcial de O2 cercana a la 0,2 atm., dando un margen de bajar incluso a un poco mayor profundidad. De todas maneras, debe hacerse notar que a pesar de que la solubilidad del Helio es menor en la sangre y pareciera ser el diluyente ideal, tiene el efecto de aumentar la tonalidad de la voz humana (efecto "Pato Donald"), ya que el tono de la voz depende de la densidad del gas que rodea las cuerdas vocales - menor densidad del gas aumenta la tonalidad, la hace más aguda.

A 0ºC y 1 atm,las densidades son: He = 0,1785 g/lt., N2 = 1,2506 g/lt.y O2 = 1,428 g/lt.

La observación final nos dice que la gran mayoría de los buzos-mariscadores, se sumergen utilizando una manguera conectada al compresor que se encuentra montado en el bote que está en la superficie, el cual les impulsa aire atmosférico directamente a la boquilla del buzo. De esta manera gozan de una mayor autonomía sobre el tiempo que pueden estar sumergidos, sin tener que preocuparse del agotamiento de un cilindro de aire comprimido. Teniendo en cuenta que estos buzos en promedio, no bajan a gran profundidad, se hace importante el proceso de descompresión, es decir, en la práctica la ascensión del buzo a la superficie debe hacerse con cierta lentitud para dar tiempo a la expulsión de los gases - principalmente Nitrógeno en estos casos - a través de los alvéolos pulmonares. Existen tablas que consideran el tiempo que el buzo ha permanecido sumergido y la profundidad a que se encontraba y en base a estos parámetros se aconseja un determinado proceso de descompresión que contempla etapas y tiempo que se debe permanecer en cada una de ellas antes de llegar a la superficie.



Bibliografía


1.- "Por debajo de la Cota Cero", Luis Avila Recatero; 4ª Edición, rev., act. y ampl. por E. Danver T., Edit. Hispano Europea 1997, Barcelona, España.

2.- "Química", R. Chang, 6ª Ed. En Español, 1999; McGraw-Hill Interamericana
Editores S. A., México.

3.- "Química", T. L. Bown, H. E. LeMay, Jr y B. E. Bursten; 7ª Edición, en Español, 1998, Prentice Hall Hispanoamericana S.A., México.

4.- "Química General", K. W. Whitten, R. E. Davis y M. L. Peck, 5ª Edición, en
Español, 1998; McGraw-Hill Interamericana S. A., Madrid, España.



Reloj pulsera monitorea los gases sanguíneos


Aparte de los tiburones, la descompresión es la mayor preocupación de los buzos. Ahora técnicos ingleses han desarrollado un reloj pulsera que monitorea la cantidad de gas disuelto en la sangre, y advierte al buzo para que ascienda más lentamente Ken Forbes, del International Center for Islad Technology de la Universidad Heriot-Wall en las Islas Orkney, ha diseñado el reloj que emite ondas sonoras que el buzo detecta en su muñeca, a fin de prevenir el riesgo de la descompresión rápida. Mediante un software calcula en tiempo real la cantidad de gas en la sangre y advierte al buzo. En una primera etapa este reloj será utilizado por los buzos profesionales -quienes están en mayor riesgo-, pero posteriormente también será útil para el buceador recreacional. (New Scientist, Enero 13, 2001, pág.9).






Dr. Carlos Andrade P.

Facultad de Ciencia
Universidad de Chile


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