Atmósfera y física de los gases

Como todos los fenómenos suceden dentro de la atmósfera, comenzaremos por definirla y comprender cómo se conforma. La atmósfera (del griego ἀτμός [atmós] = vapor y σφαῖρα [sphaîra] = esfera)⁵, se define como una mezcla de gases que rodean a un cuerpo celeste; en el caso particular de la Tierra, es esencialmente constante. En cuanto a la fracción molar, está compuesta por un 78% de nitrógeno, un 21% de oxígeno y ≈1% de otros gases (argón 0.93%, dióxido de carbono [CO₂] 0.03%, y neón, helio, kriptón, hidrógeno, xenón y ozono en cantidades cada vez más pequeñas)⁶.

La atmósfera hace posible la vida al proporcionar oxígeno para la respiración pulmonar, concede protección contra la radiación -particularmente, la radiación ultravioleta (UV) proveniente del Sol-, ya que algunos de los gases de la atmósfera, como el CO2 y el ozono (O₃), son especialmente buenos para absorber y atrapar esa radiación. También atrapan el calor, por lo que calientan al planeta y mantienen una temperatura superficial planetaria promedio de unos 15 °C. Finalmente, previene diferencias extremas de temperatura entre el día y la noche; de lo contrario, las temperaturas estarían muy por debajo del punto de congelación en todas partes de la superficie terrestre⁶.

La atmósfera terrestre presenta propiedades físicas universales que resultan fundamentales en el estudio de cómo los gases contenidos en ella afectan al cuerpo humano. En primer lugar, al tratarse de un fluido, la dinámica de los gases responde a tres variables principales:

Es importante considerar que la atracción gravitacional de la Tierra contribuye significativamente a la composición y comportamiento de la atmósfera. Esto da lugar a lo que conocemos como presión atmosférica, que representa el peso combinado de todos los gases atmosféricos en un punto específico. Convencionalmente, la presión atmosférica se mide y establece a nivel del mar, y puede expresarse de diversas formas; la más conocida es en 760 milímetros de mercurio (mm/Hg) (figura 1)⁶.

Temp. : temperatura; TCV: tiempo de conciencia vital; SatO₂: saturación de oxígeno en %⁷

Figura 1 Física de la atmósfera y variación de sus determinantes a grandes altitudes  

El comportamiento de estos gases se ha estudiado a lo largo del tiempo y este conocimiento se encuentra descrito en las leyes de los gases, el conocerlas es necesario para comprender cómo la presión, el volumen y la temperatura interactúan entre ellas y afectan el cuerpo humano y su fisiología⁸ (figura 2).

Figura 2 Ilustración representativa de las leyes de los gases y sus efectos sobre el cuerpo humano, así como de los escenarios donde se manifiestan en ambientes externos ⁹  

Ley de Boyle

Esta ley describe que, a una temperatura constante, el volumen es inversamente proporcional a la presión^10-12. Si tenemos una cantidad de gas aislado y a temperatura constante, el producto de la presión de este gas por su volumen es constante:

P1 × V1 = P2 × V2

P es la presión, V es el volumen

En la figura 2a, por ejemplo, en un viaje en avión, los efectos de la ley de Boyle en el cuerpo humano están directamente relacionados con los órganos y cavidades donde se encuentra aire atrapado. Dado que la temperatura corporal se mantiene constante, estos efectos son más pronunciados durante las fases de ascenso y descenso del vuelo, donde los cambios de presión son más rápidos y marcados. Estos efectos reciben el nombre de disbarismos y serán abordados más adelante.

Ley de Dalton

En una mezcla de gases (donde ninguno de estos reacciona entre sí), la presión total es igual a la suma de las presiones parciales de cada gas.

En ese sentido, en la atmósfera encontramos esa mezcla de gases. A nivel del mar, donde la presión barométrica correspondiente a una atmósfera es de 760 mm Hg, la presión parcial del O₂ -al considerar que se encuentra en un 21%-, sería de 160 mmHg^8,10.

Un alpinista de alta montaña realiza ascensos de manera gradual a medida que se acerca a la cima. En este caso, la presión parcial de oxígeno disminuye conforme aumenta la altitud, a pesar de que en la mezcla de gases el O₂2 se mantiene en el 21%. Como se muestra en la figura 2b, esta disminución puede provocar hipoxia, lo que hace necesario el uso de oxígeno suplementario para mantener adecuadamente las funciones cognitivas superiores, así como los procesos biológicos dependientes de oxígeno.

Ley de Henry

Esta ley establece que la cantidad de gas disuelto en una solución, no químicamente combinado, varía directamente con la presión de ese gas sobre la solución.

P ₁ A ₂ = P ₂ A ₁

A es la cantidad inicial de gas en la solución

En otras palabras, cuando la presión de un gas sobre un líquido determinado disminuye, la cantidad de ese gas disuelto en el líquido también disminuye, y viceversa. Esto significa que, una vez alcanzado el equilibrio, la tensión del gas disuelto será igual a la presión parcial del gas en la atmósfera a la que está expuesta la solución.

Este principio es fundamental en fisiología humana, particularmente en la membrana alvéolo-capilar, donde el intercambio de gases como el O₂ y el CO₂ depende de las diferencias en las presiones parciales entre el aire alveolar y la sangre capilar, fenómeno que sucede a través de la barrera de agua que está presente en el epitelio del alvéolo¹³.

Un ejemplo cotidiano de este fenómeno se observa al abrir una bebida carbonatada. Al romper el sello, el gas previamente sometido a presión escapa, lo que reduce la presión sobre el líquido. Como resultado, el gas disuelto dentro de la bebida comienza a liberarse en forma de burbujas que ascienden a la superficie.

En el cuerpo humano, procesos similares ocurren en los tejidos durante cambios rápidos de presión, como en el buceo o en vuelos, lo que puede llevar a la formación de burbujas de gas en la sangre.

Por ejemplo, un buzo de grandes profundidades puede enfrentarse a un síndrome de descompresión en caso de ascender de manera abrupta a la superficie. Bajo la física de la ley de Henry (figura 2c), uno de los gases que difunde a través de la membrana respiratoria -el nitrógeno- y que se encuentra disuelto en la sangre sin ir acompañado de algún transportador, como lo es el oxígeno con la hemoglobina, cambia su conformación y puede formar burbujas.

En buzos, se recomienda incluso no realizar viajes en avión hasta 72 horas después de una inmersión a grandes profundidades¹³.

Disbarismos

Se define como disbarismo al término que engloba a los signos y síntomas que se presentan debido a los efectos físicos y fisiológicos de la dinámica de un gas en los tejidos, órganos y sistemas, que se derivan de un aumento o disminución de la presión atmosférica, y que se produce a un ritmo o con una duración superior a la capacidad del organismo para adaptarse con seguridad¹⁴.

Para su estudio, se puede dividir en dos secciones: los efectos sobre los gases encerrados en cavidades orgánicas y los efectos sobre los gases disueltos en los tejidos y líquidos orgánicos^4,15. De esta forma, esta clasificación incluye a los barotraumas, que son un daño tisular de tipo mecánico que son resultado directo de un cambio de presión ambiental. En muchas situaciones, estos no se pueden considerar como entidades separadas, sino interrelacionadas, ya que tienen como causa común, la modificación en el volumen de una burbuja de gas.

Además de estos, pueden producirse también afecciones como la enfermedad por descompresión o la embolia arterial gaseosa¹⁶ (tabla 1).

Si bien existen diversos efectos derivados de los cambios de presión ante un ambiente extremo, describiremos los más frecuentes.

Barotitis media

La barotitis media es el problema médico más prevalente asociado con los viajes en avión y ha sido un factor causal en accidentes de aviación¹⁴. La primera descripción de la condición se dio en 1783 por Jacques Charles, un físico francés, quien, después de convertirse en el primer hombre en hacer un ascenso libre en un globo de hidrógeno, se quejó de un fuerte dolor en su oído derecho durante el descenso¹⁸.

La barotitis se define como una inflamación traumática aguda causada por cambios de presión ambiental¹⁸, y se caracteriza por dolor y pérdida de la audición en el oído afectado, y ocasionalmente por vértigo¹⁹.

A medida que un avión asciende, la presión atmosférica disminuye y el gas del oído medio se expande, según la ley de Boyle (figura 3). Si el tubo faringotimpánico no se abre -por ejemplo, al tragar-, entonces el gas del oído medio, con una presión relativamente positiva, continuará expandiéndose hasta que la membrana timpánica sea empujada lateralmente hasta su límite, un efecto que puede observarse con un otoscopio durante el vuelo²⁰.

Figura 3 Estructuras del oído relacionadas con la regulación de la presión²⁵  

A una presión diferencial de 15 mmHg, el tubo faringotimpánico (si funciona correctamente) se abre pasivamente y expulsa el aire de presión positiva, y así iguala las presiones²¹. Durante la fase de ascenso, pueden producirse molestias y dolor de oído si existe una disfunción del tubo faringotimpánico.

Es frecuente observar que se presente principalmente durante el descenso en un avión de pasajeros²², debido a que, a medida que el avión desciende, la presión atmosférica vuelve a ser “normal” y, por tanto, el gas del oído medio se contrae, de acuerdo con la ley de Boyle.

Ahora bien, el tubo faringotimpánico se comporta de manera diferente en el descenso en comparación con el ascenso, ya que el aire no entra en el oído medio de forma pasiva: la actividad muscular debe abrir la tuba auditiva, y esto suele conseguirse fácilmente al tragar o bostezar²³. La tuba también puede abrirse mediante cierto grado de sobrepresión aplicada en el extremo nasal, como en la maniobra de Valsalva.

A una presión diferencial de 60 mmHg (es decir, cuando la presión ambiente es 60 mmHg mayor que la presión del oído medio), el oído medio se llena y los pasajeros experimentan molestias. Una diferencia de presión de alrededor de 80 mmHg cierra el extremo nasofaríngeo blando de la trompa con una fuerza superior a la que pueden generar los músculos encargados de abrirla; en este caso, la trompa permanecerá “bloqueada” y cualquier intento de igualar la presión será inútil²⁴.

Una de las complicaciones es la rotura de la membrana timpánica si la diferencia de presión alcanza entre 100 y 500 mmHg, lo que suele aliviar el dolor, pero puede causar secuelas graves como sordera, vértigo y vómitos²³.

La forma más sencilla de prevenir la barotitis media es evitar los viajes en avión cuando se presenten síntomas de una infección de vías respiratorias superiores. En caso de volar, se debe enseñar a la tripulación en formación la técnica de inflar la oreja (Valsalva). El tratamiento gira en torno al alivio del dolor y la ventilación del oído medio²⁴.

Barodontalgia

La barodontalgia o aerodontalgia es una afección oral que se manifiesta como dolor; la principal causa es un cambio de presión barométrica que afecta a un órgano asintomático, en este caso, la boca. Fue reportada por primera vez en los años cuarenta del siglo XX. Sin embargo, con el crecimiento del número de personas que practican buceo, este síntoma también apareció en esa actividad, por lo que se decidió usar el prefijo baro. Una primera clasificación incluía procesos como sinusitis, otitis media y erupción de dientes; actualmente, la clasificación abarca cuatro clases (tabla 2), y todas son con base en problemas dentales y el tipo de dolor que causan²⁶. Esta afección también es conocida como “apretón de dientes” (tooth squeeze)²⁷ (figura 4).

Figura 4 Barodontalgia producida por cambios de presión²⁸  

En muchos casos, el personal de vuelo con caries dentales o con oclusiones dentarias deficientemente realizadas puede acumular aire en dichas caries o en los espacios existentes entre una obturación dental y la propia pieza dentaria. Este aire acumulado se expande con la altitud, provocando la irritación de la raíz nerviosa de la pieza o piezas dentarias afectadas. Esto ocasiona un dolor que, en ocasiones, es sumamente intenso e incapacitante, y puede causar vértigo -aunque es poco frecuente-, lo cual puede llevar a una incapacitación repentina en miembros de la tripulación^4,23, lo que puede afectar o comprometer la seguridad del vuelo.

Habitualmente, esta condición se reporta durante el vuelo, en altitudes que van de los 3,000 a los 25,000 pies. El dolor, en algunos casos, puede disminuir al llegar al nivel de inicio aproximado o en tierra, o mantenerse hasta tres días después del aterrizaje²⁹.

El dolor indirecto está relacionado con un absceso dentario, dado que produce una acumulación de gas y puede ocasionar igualmente esta sintomatología durante la exposición a la altitud en un vuelo⁴. Tanto los órganos dentarios superiores como los inferiores se ven afectados de manera similar, siendo el primer molar superior (30.8%) y el primer molar inferior (30.8%) los dientes más frecuentemente implicados³⁰.

La clave para la prevención de la barodontalgia es una adecuada salud bucal³¹. Durante la revisión periódica se deberá prestar especial atención a defectos como fracturas, reconstrucciones y lesiones por caries. Las radiografías panorámicas o periapicales de los incisivos superiores e inferiores pueden ser de valor diagnóstico para revelar patologías dentales ocultas adicionales³².

Aunque el tratamiento de restauración dental de rutina no requiere puesta en tierra del personal técnico aeronáutico (PTA), al ser una de las principales causas de barodontalgia, se recomienda de 24 a 72 horas de puesta en tierra como un medio efectivo para prevenir la barodontalgia postoperatoria.

Barosinusitis

Entre los disbarismos, es importante destacar la barosinusitis, la cual se describe como la consecuencia de una lesión e inflamación de los senos paranasales, debido a un rápido cambio de presión que no se compensó. Las consecuencias incluyen daño en la mucosa, lo que provoca dolor facial, cefalea, dolor dental y epistaxis en casos muy graves (figura 5).

Figura 5 Imagen representativa de barosinusitis³⁴  

Por la anatomía de los senos paranasales, la zona más frecuentemente lesionada son los senos frontales, seguidos de los maxilares, y en menor frecuencia los esfenoidales y etmoidales. Esta anomalía está comúnmente asociada con pilotos y buzos, quienes normalmente están expuestos a cambios de presión, y para su atención se requiere de un equipo multidisciplinario³³.

Estadísticamente, se reporta el doble de casos de barotrauma sinusal asociados con descompresión por descenso y aumento de la gravedad, en comparación con el ascenso, donde ocurre la contracción inversa y la compresión³⁵.

Existen al menos cuatro etiologías asociadas con el barotrauma sinusal, tanto en vuelos como en buceo³⁶:

Es importante destacar que este disbarismo puede ser la segunda causa más frecuente durante viajes en avión. También puede producirse durante viajes en automóvil, por el uso de algunos anestésicos gaseosos, e incluso por exposición prolongada en grandes altitudes, al viento, al sonarse la nariz con fuerza, durante una maniobra de valsalva vigorosa o con el uso de oxigenoterapia hiperbárica. en promedio, el 25% de los casos ocurre en pilotos³⁶.

Vaezeafshar y colaboradores, en 2017³³, establecieron una clasificación³⁵:

Síndrome de descompresión

Entre los disbarismos se encuentra un padecimiento que recibe varios nombres: síndrome de descompresión, enfermedad de descompresión, síndrome de Caisson y enfermedad del buzo, aunque también se presenta en trabajadores de la aviación, pilotos y astronautas³⁷.

En general, este padecimiento se debe a la formación de burbujas en el torrente sanguíneo y otros órganos. Esto sucede cuando el cuerpo se expone a alta presión y luego se descomprime rápidamente; el agente causante de las burbujas es principalmente el nitrógeno disuelto en sangre, aunque otros gases como el oxígeno y el CO₂ también pueden participar^38,39.

Existen dos tipos de patologías abarcadas por el término enfermedad por descompresión:

Recordemos que el aire es una mezcla de gases, donde los componentes principales son nitrógeno y oxígeno. Como se explicó anteriormente en este trabajo, los gases se comportan de acuerdo con variaciones de temperatura, volumen y presión (leyes de los gases). Cuando el aire se somete a alta presión, se comprime. Si tomamos como ejemplo a un buzo, en cada inspiración realizada en profundidad, se introducen más moléculas que en superficie. Como el oxígeno pasa en su mayoría a la hemoglobina, ya no se comporta como gas (solo el 2-3% se disuelve en plasma), por lo que no se acumula. Pero el nitrógeno, que es el componente mayoritario y no se utiliza metabólicamente, sí puede acumularse en sangre y tejidos.

Pero cuando la presión cambia bruscamente tras un ascenso, o si hay una salida repentina de una cabina con aire comprimido, los pulmones no tienen capacidad para eliminar el exceso de nitrógeno acumulado, lo que provoca la formación de burbujas tanto en sangre como en tejidos. Estas burbujas causan lesiones tisulares, obstrucción de vasos sanguíneos, formación de coágulos o incluso su ruptura^37-41.

La enfermedad por descompresión se clasifica de la siguiente manera:

Los síntomas suelen presentarse entre las primeras 24 horas y los 6 días. En algunos casos hay dolor y síntomas similares a los de un accidente cerebrovascular, o se manifiestan como una gripe. También puede haber inflamación, tumefacción y dolor muscular, articular y tendinoso.

Aunando más en los síntomas, en el tipo I, el dolor aparece en articulaciones de brazos, piernas, espalda y músculos, lo que dificulta localizar el daño específico. El dolor es intermitente al inicio, luego se vuelve intenso, punzante y profundo, como si “taladrara el hueso”, e incapacita el movimiento. A nivel cutáneo puede haber prurito, erupciones, inflamación en diversas zonas y fatiga^39,40.

En el tipo II, hay síntomas neurológicos, que involucran al cerebro y la médula espinal. Hay entumecimiento, parálisis, hormigueo, debilidad e incluso pérdida del control de esfínteres. La médula espinal es especialmente vulnerable⁴⁰.

Los síntomas que indican la afectación de la médula espinal pueden incluir entumecimiento, hormigueo, debilidad o una combinación de ellos, que puede afectar brazos, piernas o las cuatro extremidades. La debilidad leve o el hormigueo pueden progresar en cuestión de horas hasta una parálisis irreversible. También puede presentarse incapacidad para orinar o defecar. Es frecuente el dolor abdominal y en la espalda^41,42.

Si jerarquizamos los síntomas por frecuencia e intensidad, se presentan en el siguiente orden ^40-42:

Incluso pueden observarse efectos óseos, conocidos como osteonecrosis disbárica, especialmente en trabajadores expuestos a ambientes de aire comprimido. No existe un síntoma específico inicial que permita identificar con certeza la presencia de la enfermedad.

La enfermedad por descompresión es poco frecuente en inmersiones de trabajo de varios días, con una descompresión prolongada, también en trabajadores de medicina hiperbárica con un porcentaje de 0.02%. En vuelos y entrenamiento en altitud, la tasa de ocurrencia es de 0.1%⁴⁰. Sin embargo, existen reportes en pilotos de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos, quienes manifiestan que sus síntomas fueron incluso graves^43,44.

Existen factores que pueden predisponer a la enfermedad por descompresión, a saber^42-45:

Lo principal y más recomendable es administrar oxígeno al 100% durante varias horas, incluso si los síntomas ya se revirtieron. El oxígeno puro “lava” el gas inerte, ya que se establece un gradiente de presión parcial alto entre el gas alveolar y el gas inerte, permitiendo una rápida eliminación del gas inerte de tejidos a pulmones por perfusión y de las burbujas formadas al tejido por difusión^46,47. Además, el oxígeno reduce la hipoxia tisular que se pudo originar por isquemia, lesión mecánica o incluso por el desencadenamiento de cascadas bioquímicas⁴⁶. Sin embargo, se debe tener en cuenta que aún existe cierta controversia sobre los efectos del oxígeno en el sistema nervioso⁴⁷.

Hipoxia

En la atmósfera, a medida que aumenta la altitud, la presión y la temperatura disminuyen, mientras que el porcentaje de gases sigue siendo el mismo hasta aproximadamente 60 millas de altitud. En ese sentido, la presión parcial del oxígeno disminuye, aunque la proporción dentro de la mezcla de gases se mantiene constante en 21%.

Desde un enfoque fisiológico, la atmósfera se delimita desde el nivel del mar hasta los 10,000 pies de altitud (figura 1); a partir de ahí, se considera una zona fisiológicamente deficiente hasta los 50,000 pies, donde comienza la zona equivalente del espacio. Esto produce como consecuencia hipoxia, que puede definirse como un estado de deficiencia de oxígeno en sangre, células y tejidos, de tal forma que ocasiona una disminución de la función ventilatoria.

Para ello se ha descrito el tiempo de conciencia vital (TVC), el cual estima, a diferentes altitudes, el tiempo de respuesta de las personas antes de perder el estado de conciencia por déficit de oxígeno⁴⁸. Asimismo, en la figura 1 se muestra cómo disminuye el porcentaje de saturación de oxígeno en el cuerpo a grandes altitudes. Un avión comercial presuriza a una presión equivalente aproximada de 8,000 pies, lo cual se considera dentro de la zona fisiológica.

La hipoxia hipóxica no es la única que existe. Además de esta, se puede clasificar en⁴⁹:

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A grandes altitudes, la hipoxia intensa estimula los quimiorreceptores periféricos, los cuales juegan un papel crucial, provocando dos efectos: estiramiento de los pulmones y aumento del pH del líquido extracelular (LEC) cerebral, lo que inhibe el centro cardioinhibidor^4,49 y provoca, como efecto compensatorio, taquicardia.

El tratamiento contra la hipoxia hipóxica consiste en la administración de oxígeno suplementario y el descenso gradual a la zona fisiológica de la atmósfera, hasta recuperar los niveles óptimos de saturación de oxígeno en sangre, células y tejidos. En aeronáutica, se liberan mascarillas en la cabina de pasajeros para evitar la pérdida de la conciencia⁴⁹.