Fisiologia dell’iperbarismo

L’aria che respiriamo, e con la quale sono normalmente cariate le bombole utilizzate dai sub, è composta dal 20.96% d’ossigeno(O), il 78% d’azoto(N2), lo 0.04% d’anidride carbonica(CO2) ed un 1% d’altri gas. Tali percentuali, per convenzione e semplicità di calcolo, sono arrotondate al 21% d’ossigeno e 79% d’azoto.
L’ossigeno, gas metabolico, è utilizzato nei processi d’ossidazione dalle nostre cellule. L’azoto, gas inerte, non viene in alcun modo adoperato. Basta analizzare le percentuali dei gas dell’aria espirata, 16,96% di O,78% di N2, 4,04% di CO2 e l’1% d’altri gas, per accorgersi che ad una percentuale d’ossigeno utilizzata, ne corrisponde un’identica di anidride carbonica prodotta. La percentuale degli altri gas e dell’azoto resta invariata. Quest’ultimo, durante la discesa di un sub, con l’aumentare della pressione ambiente e della miscela respirata, entra in soluzione nell’organismo, continuando ad essere assorbito nel corso dell’immersione in funzione della profondità e della durata della stessa. Nella fase di risalita, quando la pressione ambiente diminuisce, l’azoto comincia a liberarsi dai nostri tessuti per essere espulso. Se la variazione sarà molto rapida, compiendo una risalita veloce, l’inerte, non avrà la possibilità di fuoriuscire tranquillamente dal nostro organismo, così com’è avvenuto nel processo di saturazione durante la discesa. Questo potrebbe portare alla formazione di piccole bolle chiamate emboli, causa dell’embolia o malattia da decompressione(MDD). La risalita dovrà quindi essere lenta, per garantire la corretta eliminazione dell’azoto dal corpo del sub.
Se la quantità assorbita eccede i limiti di sicurezza imposti dalla subacquea ricreativa, la semplice lenta risalita, codificata in 10 mt al minuto, potrebbe non essere più sufficiente. In tal caso si dovranno effettuare delle soste chiamate tappe di decompressione.
L’azoto, respirato ad elevata pressione, superati i 30-40 mt, è anche causa della narcosi d’azoto: l’effetto può essere paragonato ad un’ubriacatura, comunemente chiamata effetto Martini. I sintomi possono portare il sub a comportamenti pericolosi per la propria incolumità e quella del compagno. L’iniziale ilarità ed eccessiva sicurezza lasciano solitamente il posto ad insicurezza, depressione, totale disinteresse e difficoltà nella lettura degli strumenti. Fino al sopraggiungere di visione a tunnel e, infine, il più grave black out.
Gli argomenti, in forma poco approfondita, sono frutto di leggi fisiche e sperimentazioni medico-scientifiche, che si basano sullo studio del comportamento dei gas in soluzione nei liquidi, e dei diversi tessuti ed organi del corpo umano in condizioni d’iperbarismo.
LA DIFFUSIONE DEI GAS NEI TESSUTI DEL CORPO UMANO
Per capire il comportamento dei gas a contatto con i liquidi, fenomeno difficilmente riscontrabile otticamente, è possibile fare un esempio con due sostanze comunemente utilizzate: l’acqua e lo zucchero. Immergendo in un bicchiere di liquido una serie di zollette di zucchero, e mescolando in modo che quella inserita in precedenza sia completamente sciolta, si noterà che le zollette successive entreranno in soluzione con maggiore difficoltà. Si arriverà al punto in cui lo zucchero comincerà a depositarsi sul fondo del contenitore. Diremo allora che l’acqua è satura di zucchero. Riscaldando l’acqua, noteremo che il processo avverrà più rapidamente.
La velocità e la capacità di un liquido di fungere da solvente dipendono dalla sua struttura molecolare. In funzione della dimensione delle sue molecole, una sostanza, incontrerà una diversa “resistenza” per passare in soluzione, ed una differente quantità di spazio disponibile da occupare tra le stesse molecole. Infatti, ripetendo l’esperimento con l’alcol, basterà un numero inferiore di zollette per raggiungere la saturazione.
Con altrettanta facilità un gas si scioglie in un liquido, e, se il rimescolamento è il meccanismo che fa sciogliere lo zucchero, per un gas, tale meccanismo è la pressione.
Secondo la legge di Henry, la quantità di gas dissolta in un liquido è direttamente proporzionale alla pressione del gas. Per una corretta formulazione della legge bisogna anche considerare il coefficiente di solubilità del gas, la tipologia e la quantità del liquido, la temperatura ambiente e la dimensione della superficie di contatto tra gas e liquido.
Se esponiamo alla pressione ambiente un liquido puro, che non contiene alcun gas al suo interno, l’aria comincerà ad entrare in soluzione nel liquido. La superficie di quest’ultimo farà da elemento separatore tra i due ambienti. Il processo, all’inizio, avrà una velocità che tenderà a diminuire man mano che il gas disciolto comincerà ad acquisire una sua pressione, chiamata tensione del gas, che opporrà resistenza all’ingresso di quello all’esterno del liquido. La differenza tra la pressione e la tensione di un gas, è chiamata gradiente pressorio.
Non appena la tensione del gas contenuto nel liquido si troverà in equilibrio con la pressione dello stesso, si dirà che il liquido è in saturazione. Con i gas, così come con le sostanze solide, il fenomeno della saturazione è influenzato dalla temperatura, ma, al contrario di quanto avviene con i solidi, la soluzione è favorita dalle temperature fredde. E’ ovvio che, più grande sarà la superficie di contatto tra gas e liquido, più velocemente avverrà il processo. Maggiore sarà la quantità di liquido, più gas vi si scioglierà.
Per quantificare il tempo necessario per raggiungere la saturazione, ad una coppia gas-liquido è assegnato un tempo di emisaturazione o emitempo. Questo non è altro che il tempo necessario perché un gas saturi un liquido al 50% della saturazione totale. Occorreranno circa 6 emitempi per raggiungere la saturazione. Nel primo tempo di emisaturazione il gas saturerà il liquido al 50%. Nel secondo, andando ad occupare un altro 50% dello spazio rimasto disponibile, si dissolverà al 75% della saturazione totale. Seguendo lo stesso criterio, nel terzo raggiungerà l’87,5%, nel quarto il 93,75%, nel quinto il 96,88%, nel sesto il 98,45%. In pratica, per un sistema costituito da una coppia di gas-liquido, con emitempo di 1 minuto, alla pressione di 1 atmosfera è considerata raggiunta la saturazione in circa 6 minuti. Ovviamente, se lo stesso sistema viene sottoposto ad una pressione di 2 atmosfere, di minuti ne occorreranno circa 3.
Come si può notare dalle percentuali sopra esposte, realmente, non si raggiungerà mai la saturazione totale. Il gas continuerà a sciogliersi nel liquido in modo sempre più lento.
Con la diminuzione della pressione del gas al di fuori del liquido, il sistema cercherà di tornare in equilibrio. In questo caso la tensione sarà maggiore della pressione e il gas si troverà in una condizione di sovrasaturazione. Il gradiente pressorio spingerà il gas dissolto nel liquido a fuoriuscire, avviando il processo di desaturazione.
Quanto descritto corrisponde a quello che succede nel nostro organismo in immersione. Durante la discesa e la permanenza sul fondo, respirando ad una pressione identica all’ambiente circostante, e quindi maggiore di quanto non avvenga normalmente, i gas che compongono l’aria si diffonderanno nel sangue attraverso gli alveoli e di conseguenza, tramite i capillari, nei tessuti del nostro organismo: muscolare, connettivo, epiteliale, nervoso, osseo, adiposo, ecc … Questi, composti da alte percentuali di liquidi, si comportano come tali assorbendo i gas, anche se con tempi diversi che variano in funzione della loro densità. Le varie tipologie di tessuti del nostro organismo sono rappresentate matematicamente tramite i loro tempi di emisaturazione e vengono denominati compartimenti tissutali.
I modelli matematici attualmente in uso, prendono in esame tessuti che variano dai 3 ad oltre 600 minuti di emisaturazione. Compartimenti con periodi  brevi vengono chiamati tessuti veloci, quelli con periodi lunghi sono detti tessuti lenti.  
LA FORMAZIONE DELLE BOLLE NEI TESSUTI
Perché in un liquido, saturo di un gas, si formi una bolla, occorre una repentina variazione pressoria di oltre 100 atm. Eppure, in subacquea, basta la differenza di 1 atm di pressione, per crearne all’interno del nostro organismo. Comunque, dopo ogni immersione, usciremo dall’acqua con piccolissime bolle in circolo che prendono il nome di bolle silenti o asintomatiche. E’ accertato che la bolle, durante la desaturazione, si creano a partire da micronuclei gassosi preesistenti nei nostri tessuti. L’origine di questi semi gassosi viene attribuita a movimenti articolari e muscolari, scorrimento di una superficie tissutale sull’altra, apertura e chiusura delle valvole cardiache o variazioni di pressioni del sangue all’interno del sistema circolatorio, che, creando zone di basse pressione a seguito di movimenti vorticosi ne favoriscono lo sviluppo.
Teoricamente, una bolla di dimensioni così piccole, immersa in un liquido, dovrebbe avere vita breve. Secondo la legge di Laplace, la differenza tra la pressione all’interno di una bolla e quella presente al suo esterno è inversamente proporzionale al raggio della bolla stessa. Questo vuol dire che tanto più piccola è una bolla immersa in un liquido, tanto maggiore sarà la pressione del gas al suo interno, rispetto a quella del liquido. Grazie a questo squilibrio la bolla dovrebbe dissolversi in seguito alla fuoriuscita del gas dalla stessa.
Sperimentalmente, invece, è stato appurato che molte bolle, soprattutto se di piccole dimensioni, rimangono stabili all’interno di un liquido per un lungo periodo. Si suppone che a darne stabilità siano delle sostanze chiamate surfattanti. Queste ne irrigidiscono la struttura, annullando le tensioni superficiali. E’importante sottolineare che il surfattante riesce a rendere stabile una bolla soltanto se il diametro di quest’ultima rientra in determinate dimensioni, al di sopra o al di sotto delle quali diventa instabile.
Durante l’immersione, le bolle presenti nei nostri tessuti, verranno alimentate dall’aumento della tensione dell’inerte. Risalendo, con la diminuzione della pressione del gas all’esterno della bolla, quest’ultima tenderà ad aumentare di dimensioni.
Teoricamente, una bolla immersa in un liquido, espandendosi oltre un certo diametro, dovrebbe dissolversi nello stesso liquido. Nel caso che ci riguarda, questa, invece, trovandosi tra i tessuti del nostro organismo, potrebbe occupare eventuali spazi disponibili, perdendo la sua forma sferica, creando ostruzioni del flusso ematico e provocando la malattia da decompressione. 
Il compito di una corretta risalita è quello di riuscire a contenere il diametro della bolla al di sotto della tensione critica. Questa, chiamata anche valore M, o limite di sovrasaturazione, è il valore massimo di pressione di gas inerte che un ipotetico compartimento tissutale può tollerare senza che si presentino sintomi di malattia da decompressione.
Ad ogni compartimento è assegnato un valore M, che è un valore pressorio espresso in metri di colonna d’acqua di mare, o msw (meter of sea water). Più veloce è il compartimento, maggiore sarà il valore M, e viceversa. Nelle immersioni profonde, generalmente sono i tessuti veloci a raggiungere il valore M. In quelle poco profonde, i tessuti veloci non si avvicineranno mai al valore M, per cui saranno quelli lenti a determinarne la durata.
Proviamo a fare un piccolo esempio.
Secondo i parametri utilizzati per formulare il pianificatore per immersioni ricreative, un compartimento tissutale con tempo di emisaturazione di 5 minuti, ha un valore M di circa 30 msw. Se scendiamo ad una profondità di 20 mt, questo tessuto, considerando quanto detto prima sul tempo di saturazione, dopo 5 minuti avrà una pressione tissutale di 10 msw, fino a raggiungere il valore di 20 msw dopo sei emitempi ovvero dopo 30 minuti. Restando comunque ben lontano da quello che è il suo valore M, che non potrà mai raggiungere. Al contrario, un compartimento tissutale con tempo di emisaturazione di 80 minuti, al quale è assegnato un valore M di circa 15 msw, alla stessa profondità di 20 mt, raggiungerà il valore M in due emitempi e quindi in circa 160 minuti. Tornando al compartimento di 5 minuti, se portato ad una profondità di 40 mt, giungerà invece al valore M in circa 10 minuti. 
Considerando tali valori è stata concepita quelle che viene chiamata curva di sicurezza, dove, in rapporto alle profondità, vengono fissati dei valori massimi di tempo, occorrenti per contenere la fase gassosa entro limiti di sicurezza. Restando al di sotto di tali margini è possibile risalire direttamente in superficie, rispettando esclusivamente la velocità di risalita. Superandoli è necessario effettuare delle soste, chiamate tappe di decompressione, necessarie perché le bolle si muovano nel flusso ematico senza ostacoli fino ai polmoni, dove verranno eliminate.
Si ipotizza che i micronuclei gassosi, già presenti nell’organismo del sub prima dell’immersione, possono ridurre la loro dimensione, o addirittura sparire del tutto, se sottoposti ad un rapido incremento pressorio. Questa teoria sostiene i vantaggi di una discesa molto rapida. Di contro, c’è chi sostiene che durante una discesa veloce, i micronuclei, urtando tra di loro potrebbero aggregarsi e diventare più pericolosi durante la risalita. Solo nel caso di discese molto profonde, 90 – 100 mt, si avrebbero dei vantaggi da una discesa molto rapida. In questo caso, l’elevata pressione, sarebbe in grado di far collassate le microbolle.
Comunque, come già detto in precedenza, dopo ogni immersione avremo una certa quantità di bolle asintomatiche in circolo, la cui quantità dipenderà dalla massima profondità raggiunta e dal tempo di permanenza. Questa quantità di inerte presente nel flusso ematico viene definito azoto residuo, ed è indicato tramite una lettera chiamata gruppo di appartenenza dopo una specifica immersione.
Nel caso di immersioni ripetitive, ovvero quelle effettuate nell’arco delle 24 ore dalla prima, si dovrà tenere conto della quantità di azoto non ancora desaturata, considerando l’intervallo di superficie, durante il quale avremo espulso inerte.
Un caso particolare è quello delle immersioni in quota, considerando tali quelle effettuate al di sopra dei 300 mt di altitudine. Durante il tragitto per raggiungere il luogo d’immersione, con la diminuzione della pressione atmosferica, il nostro organismo comincerà a desaturare azoto, trovandoci in una condizione simile a quella di un’immersione ripetitiva. Dovremo quindi considerare la desaturazione in funzione dell’altitudine a cui effettueremo l’immersione, o attendere 12 ore perché il processo si stabilizzi.
Attualmente, non esistono strumenti per misurare le tensioni dei gas inerti disciolti nel corpo di un subacqueo. Alcuni ricercatori hanno proposto degli algoritmi per calcolarle. Per quanto siano frutto di studi su numerose casistiche di incidenti, e siano state fatte un buon numero di sperimentazioni sul campo con l’ausilio dell’ecodoppler, strumento che riesce a registrare la presenza di bolle nel flusso ematico, non sappiamo quanto si avvicinino alla realtà. Le conoscenze, nell’ambito della fisiologia dell’iperbarismo, sono ancora ben lontane dall’avere certezze matematiche.
Bisogna inoltre considerare che, nel caso specifico dell’immersione subacquea, è di fondamentale importanza conoscere il comportamento dei singoli gas che compongono la miscela respirata. Nel caso specifico dell’aria, come detto in precedenza, è l’azoto il responsabile della possibile formazione di bolle durante la risalita. Non dobbiamo altresì trascurare che anche l’ossigeno, se respirato ad elevate pressioni, diventa tossico per il nostro organismo, causando problemi altrettanto seri per la nostra incolumità. Tale consapevolezza diventa ancora più importante nel caso si utilizzino miscele diverse dall’aria, dove possono essere presenti più inerti con coefficienti di solubilità diversi, come nel Trimix dove è presente una certa quantità di Elio, o nel caso di un Nitrox, dove si hanno percentuali d’ossigeno superiori.  
Come si evince nella legge di Dalton, la pressione totale esercitata da un miscuglio di gas, è uguale alla somma delle singole Pressioni Parziali (Pp) dei gas che lo compongono. La pressione parziale d’ogni singolo gas, è quella che questo avrebbe se, da solo, occupasse l’intero volume che contiene il miscuglio gassoso. Comunemente le percentuali dei gas con i quali sono presenti in una miscela sono espresse sotto forma di frazione. Questa non è altro che un numero puro, compreso tra 0 e 1, ed offre il vantaggio che, se moltiplicato per la pressione a cui è sottoposto il miscuglio, dà come risultato il valore della pressione parziale del singolo gas a quella data pressione.
Prendendo ad esempio la composizione dell’aria nella sua espressione più semplicistica, 21% d’ossigeno e 79% d’azoto. Le frazioni dei singoli gas saranno rispettivamente 0,21 e 0,79, che se sommate, ovviamente, danno come risultato quello del volume unitario del miscuglio. Trovandoci ad esempio ad una profondità di 20 mt, ad una pressione ambiente di 3 atm, le pressioni parziali dei gas respirati corrisponderanno a 0,63 atm (0,21 X 3) per quanto riguarda l’ossigeno, e 2,37 atm (0,79 X 3) per l’azoto.
Quest’ultimo, per il suo elevato coefficiente di solubilità lipidica, se respirato a notevoli pressioni parziali, è inoltre causa di quella che prosaicamente viene chiamata ebbrezza degli abissi.
LA NARCOSI DA AZOTO 
Questa è un’alterazione neuro psichica che si manifesta durante le immersioni con l’autorespiratore ad aria compressa, a profondità superiori ai 40 mt. Si registrano comunque casi di narcosi a profondità inferiori. Ha infatti una variabilità sintomatologica individuale, che può anche essere influenzata dalle condizioni psicofisiche giornaliere. Può essere aggravata da cattive condizioni fisiche, come stanchezza, uso di alcolici o utilizzo di farmaci. Da stati di ansia e stress latenti, da cause ambientali o operative, come scarsa visibilità, sforzo e freddo. 
Per comprendere l’ipotesi più accreditata sulla causa del fenomeno, è bene avere una minima conoscenza del funzionamento del sistema nervoso.
Gli organi di quest’ultimo sono costituiti da cellule chiamati neuroni, che hanno la funzione di generare, ricevere, condurre ed elaborare segnali sotto forma di piccoli correnti elettriche. Grazie a questi impulsi hanno luogo le nostre azioni. Dal movimento di un arto, al riconoscimento di un oggetto attraverso il sistema visivo, dai sentimenti fino al pensiero razionale.
Il neurone è costituito da un corpo cellulare, il pirenoforo, da un prolungamento che trasporta gli stimoli nervosi verso la periferia, il neurite o assone, e da numerose ramificazioni, i dendridi, che, viceversa, ricevono gli stimoli dalla periferia.
I neuroni sono in contatto tra loro tramite strutture chiamate sinapsi. All’interno di queste, l’impulso elettrico, o messaggio nervoso, viene trasportato unidirezionalmente dai dendridi di un neurone verso l’assone di un’altro, per mezzo di sostanze chimiche chiamate neurotrasmettitori. Questi si spostano racchiusi in delle vescicole, le cui pareti hanno la stessa composizione della stessa membrana cellulare, ovvero fosfolipidi e colesterolo.
L’azoto, sciogliendosi facilmente nelle membrane lipidiche, altera e degrada le caratteristiche di trasmissione degli impulsi nervosi nelle sinapsi, rallentando di conseguenza il nostro potere d’azione, i riflessi e addirittura i pensieri.
La sintomatologia porta a comportamenti spesso contrastanti. Potremo sentirci euforici o depressi e risulteranno alterate le capacità visive ed uditive fino ad arrivare alla perdita di conoscenza.
La narcosi da azoto è un meccanismo momentaneo e non provoca danni permanenti. Basta infatti risalire di quota, anche di qualche metro, per vederne sparire gli effetti.
IPEROSSIA DEL SISTEMA NERVOSO CENTRALE
Anche l’ossigeno, elemento fondamentale per la nostra sopravvivenza, può diventare molto pericoloso se respirato a pressioni parziali elevate.
Viaggia nel sangue in parte veicolato dall’emoglobina, in parte disciolto nel plasma. Respirandolo ad elevate pressioni, e per un lungo periodo, saturerà il plasma. Di conseguenza, l’emoglobina, dopo aver ceduto l’ossigeno alle cellule del nostro organismo, invece di ricevere l’anidride carbonica si riossiderà, lasciandola nei nostri tessuti. Inoltre bisogna considerare che il cervello ad alte pressioni parziali di ossigeno riduce il flusso ematico per evitarne il sovradosaggio. Rimanendo invariato il consumo metabolico, grazie anche alla maggior quantità di ossigeno presente nelle cellule, si avrà un accumulo di anidride carbonica con conseguente vasodilatazione.
Quella che infatti viene chiamata tossicità dell’ossigeno non è altro che un’intossicazione da anidride carbonica.
L’aspetto più pericoloso è il sopraggiungere di una crisi convulsiva senza che si avvertano segni e sintomi premonitori. Questa ci porterà a perdere la presa sull’erogatore ed impedire qualsiasi forma di autosalvamento.
La predisposizione alla tossicità dell’ossigeno ha una variabilità individuale e può essere influenzata da stress, scarsa condizione fisica, uso di farmaci o alcol, e, ovviamente, fattori che causano un aumento della pressione parziale dell’anidride carbonica nel sangue.
Il limite per la respirazione di ossigeno nelle immersioni sportive è di 1,6 bar di pressione parziale. Limite che, per fare qualche esempio, corrisponde a respirare ossigeno puro a 6 mt di profondità o aria a 66 mt.
Oltre alla pressione, và inoltre considerato il limite di tempo di esposizione. Ad una pressione parziale di ossigeno di 1,6 bar, il limite massimo di tempo per cui è possibile respirarlo è di 45 minuti.
Mentre è possibile assuefarsi alla narcosi d’azoto, le continue e prolungate esposizioni all’ossigeno iperbarico sensibilizzano il nostro organismo predisponendolo negativamente ad esso.

© P.f.d.

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3 risposte a Fisiologia dell’iperbarismo

  1. Nando Scafroglia ha detto:

    Adesso è tardi, ma passo a rileggerlo con molto piacere domani, sembra molto interessante 🙂

  2. Chiara ha detto:

    This is very corret

  3. Chiara ha detto:

    Non sapevo queste cose

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