La ciencia del buceo (I)

Por Juan Carlos Gil Montoro, el 9 octubre, 2019. Categoría(s): Biología • Divulgación • Física
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Introducción

Nuestros ancestros se aventuraron fuera del agua hace unos 375 millones de años, y salvo los cetáceos que se lo pensaron mejor y volvieron, hemos evolucionado para la vida en superficie: los humanos no estamos adaptados anatómica ni fisiológicamente para el buceo.

Pero explorar es humano y el canto de las sirenas nos seduce a sumergirnos en el mar… además de que bucear es necesario para el desarrollo de actividades como la investigación científica, labores de rescate o trabajos en profundidad.

Aun así el medio subacuático nos supone un desafío considerable: la misma inmersión altera nuestra fisiología, no podemos respirar, perdemos calor de forma acusada, el entorno es denso y dificulta el desplazamiento además de producir efectos de flotabilidad, la percepción por parte de nuestros sentidos funciona regular y los cambios de presión son mucho más acentuados que en superficie.

En esta serie de entradas vamos a sumergirnos en la ciencia del buceo: por qué ocurren esos efectos en nuestro cuerpo y cómo los mitigamos. Trataremos la ciencia del buceo que no se debe confundir con el denominado buceo científico, el desarrollo de actividades científicas bajo el agua.

Inmersión

Junto a otros muchos animales coterráneos, los humanos hemos heredado una serie de mecanismos reflejos a la situación de inmersión.

El reflejo de torso o de la bocanada se produce cuando el agua está muy fría: con el objetivo de atesorar la mayor cantidad de oxígeno posible para mejorar nuestras opciones de supervivencia, los pulmones se llenan súbitamente de aire, lo que paradójicamente parece cortarnos la respiración durante unos segundos.

Por otra parte, el reflejo de inmersión de los mamíferos se produce al contacto del agua con la cara, lo que produce ciertos cambios en nuestro cuerpo:

  • Bradicardia: el ritmo cardíaco se ralentiza entre un 10 y un 25%; en inmersiones prolongadas las focas pasan de 125 a ¡10 latidos por minuto!
  • Vasoconstricción periférica: los capilares de las extremidades empiezan a contraerse, ralentizando la circulación sanguínea. Los músculos tienden a sufrir calambres durante esta fase: la musculatura humana sólo almacena el 12% del oxígeno total del cuerpo (mediante la mioglobina). Sin embargo, los mamíferos acuáticos alcanzan hasta un 30% de su almacenamiento de oxígeno en los músculos, y así pueden seguir funcionando tras el cese del suministro de sangre capilar.
  • Hipervolemia: se produce un aumento del volumen de plasma en la zona central del tronco que el cuerpo intenta compensar mediante la conocida como diuresis de la inmersión. En actividades subacuáticas muy profundas el plasma invade la cavidad torácica. Los alvéolos de los pulmones se llenan con plasma sanguíneo (que se reabsorbe cuando el animal sale del ambiente presurizado). Esta etapa del reflejo se ha observado en inmersiones de humanos en apnea más allá de los 90 metros de profundidad.

Respiración

Algunos animales acuáticos aprovechan el oxígeno disuelto en el agua mediante branquias u otros mecanismos ingeniosos. Pero nuestros pulmones de mamíferos son incapaces de tal gesta, por lo que o bien buceamos “a pulmón” (en apnea, con suspensión transitoria de la respiración), o tiramos de tecnología para respirar durante la inmersión: hemos desarrollado técnicas que nos permiten bucear tanto a presión atmosférica (protegiéndonos con un traje rígido) como con el cuerpo sometido a presión (usando un traje flexible).

Ilustración 1: Buceo a pulmón libre con una monoaleta. Fuente: Wikimedia.

Trajes rígidos

Los trajes rígidos son como batiscafos personales. Tienen la ventaja de evitar en el buceador los problemas derivados de la presión (que se tratarán en profundidad en una entrada futura de esta serie) a expensas de una maniobrabilidad muy reducida.

Uno de los primeros trajes rígidos funcionales fue el diseñado por los hermanos Carmagnolle en 1878 mostrado en la figura: ¡imaginaos lo cómodo que debía resultar!

Ilustración 2: Traje rígido de los hermanos Carmagnolle. Fuente: Wikimedia.

Los trajes de buceo atmosféricos modernos (atmospheric diving suits, ADS) incorporan capacidades como suministro autónomo de oxígeno o eliminación química del CO2, lo que permite inmersiones prolongadas y profundas, incluso por debajo de los 300 m.

Ilustración 3: Traje de buceo atmosférico moderno (EXOSUIT). Fuente: [Nuytco Research].

Trajes flexibles

Hay tres modalidades de buceo con el cuerpo sometido a presión: de saturación, con escafandra y autónomo.

Buceo de saturación

En el buceo de saturación los buceadores usan trajes flexibles, pero en vez de regresar a la superficie tras cada inmersión, viven hasta una semana en un hábitat submarino muy profundo, incluso del orden de los 500 m. Así, el cuerpo se llega a saturar de los gases disueltos a esa presión.

Se trata de una práctica técnicamente muy compleja y poco saludable, pero al menos evita múltiples compresiones y descompresiones, némesis de los buceadores como comprobaremos en una entrada futura de esta serie.

Ilustración 4: Interior de un hábitat submarino (HIDROLAB, NOAA). Fuente: Wikimedia.

Buceo con escafandra

El primer diseño de una escafandra de buceo es de Leonardo da Vinci: una capucha de cuero conectada a cañas de bambú que subían hasta la superficie donde se mantenían a flote protegidas del agua gracias a un ingenioso dispositivo de corcho en forma de campana; unos muelles de hierro evitaban que la presión aplastase las cañas.

Ilustración 5: Escafandra de Leonardo da Vinci. Fuente: Wikimedia.

La primera inmersión de larga duración documentada la llevó a cabo el español Jerónimo de Ayanz y Beaumont en 1602. Bajo la atenta mirada del rey Felipe III desde su galera, Ayanz se sumergió en las frías aguas del río Pisuerga, frente al Palacio de la Ribera, donde permaneció más de una hora, hasta que el aburrido monarca le mandó salir. Jerónimo de Ayanz fue un prolífico inventor con más de 50 patentes registradas.

Ilustración 6: Placa conmemorativa en el lugar de la inmersión de Jerónimo de Ayanz. Fuente: [Vallisoletvm].
Durante el siglo XIX y primera mitad del XX se usaron los “trajes de buzo”, con escafandras rígidas que permitían descensos más profundos, pero el invento del regulador de buceo en 1943 por parte de los franceses Jacques-Yves Cousteau y Émile Gagnan las dejaron obsoletas.

Ilustración 7: Traje de buzo clásico en el Museo Naval de Ferrol. Fuente: Wikimedia.

Buceo autónomo

La modalidad de buceo más habitual es el buceo autónomo, en la que el buceador lleva un equipo denominado SCUBA (de self contained underwater breathing aparatus, equipo autónomo para respirar bajo el agua). El equipo incluye una (o más) botellas de gas a presión (entre 200 y 300 atmósferas; rojo en la figura de abajo), que es reducida a una presión intermedia del orden de 10 atmósferas por la primera etapa del regulador de buceo (naranja en la figura). Finalmente, la segunda etapa del regulador en la boca del buceador reduce la presión del gas hasta igualar la del medio para poder ser respirado (1 atmósfera en superficie, más según se desciende; verde en la figura).

Todos los equipos autónomos cuentan con dos segundas etapas: una de ellas, llamada octopus, está pensada para ser utilizada por otro buceador en caso de emergencia.

Ilustración 8: Cascada de presión en un equipo de buceo autónomo. Fuente: elaboración propia.

Respiración con un equipo autónomo

Respirar con un equipo autónomo cuesta algo más que hacerlo en superficie por varios motivos:

  • El aire está a mayor presión que en superficie, y en general la viscosidad de los gases aumenta al aumentar la presión, por lo que cuesta más hacerlo circular por el conducto respiratorio hasta los pulmones. El oxígeno es más viscoso que el nitrógeno, de tal forma que este efecto se agrava al utilizar aire enriquecido (aire con mayor proporción de oxígeno que el atmosférico), y cambia al incorporar otros gases a la mezcla como Ne (muy viscoso) o H2 (muy poco viscoso); hablaremos de estas mezclas de gases en una entrada futura de esta serie.
  • Respirar en posición vertical durante la inmersión supone vencer la diferencia de presión hidrostática entre la boca y los pulmones al estar a diferente profundidad. La posición más confortable para el buceo es la horizontal.
  • El equipo de buceo habitual está diseñado para respirar exclusivamente por la boca, lo que puede incomodar a algunas personas. Obviamente no se puede inhalar por la nariz ya que el aporte de oxígeno es a través del regulador que está en la boca. Pero tampoco conviene espirar por la nariz por el riesgo de que entre agua en las gafas de buceo o se empañe su cristal.
  • Al aire de las botellas se le elimina la humedad para evitar la corrosión, lo que provoca que la garganta del buceador tienda a secarse.

Por estos motivos es preciso controlar el ritmo de la respiración al bucear, haciéndolo de forma profunda y lenta, y detener la actividad ante la presencia de síntomas de fatiga ventilatoria que podría desencadenar hipercapnia, la elevación anormal de la concentración de dióxido de carbono en la sangre arterial o “intoxicación por CO2”.

Calor

Los humanos somos animales endotermos (de sangre caliente): tenemos la capacidad de mantener nuestra temperatura corporal independientemente de la temperatura ambiental. Habitualmente nuestra actividad fisiológica genera más calor del que necesitamos, de tal forma que disipamos el resto al exterior por una serie de vías como la propia respiración, la vasodilatación periférica o la sudoración. Si el entorno está muy frío, también disponemos de mecanismos para limitar la pérdida de calor como la vasoconstricción periférica, la piloerección (mucho más eficaz en animales con más pelo que nosotros a quienes apenas nos produce “piel de gallina”), la estimulación cardiaca o la ejecución de movimientos musculares oscilantes (tiritona).

Colectivamente estos sistemas se denominan de termorregulación corporal.

El funcionamiento de nuestro cuerpo depende críticamente de mantener constante la temperatura de los órganos fundamentales para la vida como el cerebro. Si esta temperatura se aleja de un estrecho margen los mecanismos de termorregulación colapsan:

  • Una temperatura basal inferior a 35°C se considera hipotermia. Por debajo de 30°C se produce un estado catatónico que precisa ayuda externa. Si la temperatura baja de los 25°C se suele producir la muerte por alteraciones cardiorrespiratorias.
  • Temperaturas superiores a 39°C se consideran pirexia (fiebre). A partir de los 42ºC se producen daños en el cerebro que producen secuelas permanentes; la muerte es casi segura si se alcanzan los 44ºC.

Protección térmica

El ambiente térmico neutro, zona termoneutral o zona de confort térmico, es el rango de temperaturas ambientales en el cual el gasto metabólico (consumo de oxígeno y glucosa) se mantiene en el mínimo y la termorregulación se efectúa únicamente por control vasomotor. Para una persona desnuda, en resposo y con el aire inmóvil, el ambiente térmico neutro está en torno a 30°C, mientras que el agua, 24 veces mejor conductora térmica que el aire y con un calor específico 1.000 veces superior, desplaza la temperatura de confort hasta los 33°C aproximadamente.

Como lo habitual es bucear en aguas más fresquitas la consecuencia es clara: tenemos que usar alguna forma de protección térmica.

Traje húmedo

Las prendas de lycra ofrecen una protección mínima frente al frío: se usan en aguas con temperaturas por encima de 25ºC para prevenir las quemaduras solares, abrasiones y picaduras de medusas.

El primer nivel de protección real lo brinda el ubicuo traje húmedo de neopreno, un traje impermeable que, sin embargo, permite que el agua se cuele por cuello, mangas, tobillos y cremalleras e inunde el interior: se trata de que se forme una capa de agua entre la piel y el traje, lo más fina posible, y limitar su renovación, de tal forma que nuestro cuerpo la caliente y nos mantenga en un ambiente térmico confortable. Los espesores habituales del neopreno son 3, 5 y 7 mm. Si el agua está muy fría (digamos por debajo de 18ºC) o buceamos a cierta profundidad (donde la protección térmica no es eficaz puesto que las celdas del neopreno que retienen aire en su interior colapsan y pierden su capacidad aislante) es recomendable no usar espesores superiores, que dificultan los movimientos, y en su lugar usar trajes semisecos o secos.

Ilustración 9: Trajes de buceo flexibles: húmedo (izquierda), semiseco (centro) y seco (derecha). Fuente: [ScubaPro].

Traje semiseco

El traje semiseco es una evolución del húmedo: de una pieza, costuras selladas y refuerzos de goma en puños y tobillos con el objetivo de que apenas circule el agua por su interior. No suelen ser fáciles de poner sin ayuda y requieren precauciones adicionales en su conservación, sobre todo en su elemento crítico: la cremallera. Es apto para temperaturas del agua de hasta 15ºC aproximadamente.

Traje seco

El traje seco es ideal para aguas frías o buceo bajo hielo, con temperaturas hasta 0ºC (o incluso negativas en aguas hipersalinas, por descenso crioscópico). Como su nombre indica, el traje seco impide la entrada de agua. El buceador se encuentra aislado y seco en una burbuja de aire y puede abrigarse todo lo que desee, por ejemplo con ropa térmica. Una válvula permite regular la cantidad de aire en el interior del traje, lo que afecta muchísimo a la flotabilidad del buceador, por lo que el uso de trajes secos precisa de una formación específica (si te quedas cabeza abajo lo puedes pasar mal).

Ilustración 10: Antecesor de los trajes secos, este traje hinchable lo usaba el cuerpo de buceadores de la armada americana a principios de los años 70. Fuente: Wikimedia.

Más allá del traje seco

Más allá del traje seco tenemos soluciones de uso profesional como los trajes rígidos mencionados arriba o los trajes de agua caliente. En estos últimos se hace circular agua caliente alimentada desde superficie por el interior del traje, si bien una invención surrealista que casi ve la luz en los años 60 pretendía calentar el agua in situ con una unidad de calor de radioisótopos de plutonio-238.

Dedicatoria

Esta serie de entradas sobre la ciencia del buceo están dedicadas in memoriamJosé Cervera, @Retiario, una de las personas más extraordinarias que he tenido la suerte de conocer y con quien compartía tres pasiones: la ciencia, la esgrima y el buceo.

Nos vemos en el Gran Azul, Maestro.

Bibliografía



Por Juan Carlos Gil Montoro, publicado el 9 octubre, 2019
Categoría(s): Biología • Divulgación • Física
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