Quando si parla di nuoto subacqueo non si pensa subito ai pesci che per loro natura lo praticano, ma ai mammiferi (compreso l'uomo) che si cimentano in questa attività, soprattutto ai mammiferi marini che nel mare vivono e si riproducono e presentano uno specifico e mirabile adattamento all’ambiente in cui vivono. Foche, balene, delfini hanno polmoni come noi, respirano come noi, il che comporta che devono emergere e respirare per ricambiare l’aria nei polmoni.

Mentre per l’uomo l’attività respiratoria è continua, per i mammiferi marini essa è tipicamente legata solo al momento della riemersione. Imammiferi marini, rispetto all’uomo, manifestano una incredibile capacità di performance nel nuoto subacqueo: una balena può resistere 40 minuti in immersione e può scendere a 200m di profondità!

L’immersione in apnea

Molto di ciò che si conosce sulla fisiologia dell’immersione in apnea deriva da studi fatti sulle pescatrici di perle della Corea, chiamate comunemente Ama, che per tutto l’anno pescano su fondali di 15-20m. La strategia dell’immersione è relativamente semplice e naturale: il soggetto riempie al massimo i polmoni e si tuffa. In apnea non si ha ovviamente la possibilità di rinnovare l’aria nei polmoni, pertanto si verifica un accumulo di anidride carbonica ed un impoverimento di ossigeno.
Lo stimolo che spinge il soggetto a decidere di riemergere è l’aumento dell’anidride carbonica (ipercapnia ): lo stimolo si manifesta con contrazioni del diaframma e con una forte necessità di “prendere un respiro”. Nella risalita lo stimolo si fa meno forte e questo dipende dal fatto che la decompressione del torace riduce anche la pressione parziale dell’anidride carbonica.
E’ possibile allenarsi a sopportare lo stimolo ipercapnico il che consente di prolungare il tempo di apnea. Il tempo di apnea degli umani è al massimo di 2-4 minuti , quindi assolutamente non paragonabile a quello dei mammiferi marini.
Scendendo in profondità la pressione dell’acqua comprime la gabbia toracica e quindi anche il gas contenuto nei polmoni. La pressione dell’acqua aumenta di un’atmosfera ogni 10m di profondità: quindi ad esempio a 10m di profondità vi è una pressione di due atmosfere il che comporta che il volume della gabbia toracica si è dimezzato rispetto al volume in superficie. E’ chiaro che un aumento della pressione sul torace può causare fratture delle coste.
L’aumento della pressione dell’acqua può anche causare la rottura del timpano: per evitare questa grave complicazione il soggetto deve muovere la mandibola avanti ed indietro o lateralmente il che consente di mantenere pervio un piccolo canale che mette in comunicazione il cavo orale con l’orecchio medio che è appunto chiuso verso l’esterno dalla membrana timpanica. Questa manovra consente di mantenere a livello dell’orecchio medio la stessa pressione che vi è nei polmoni (i quali sono appunto compressi dall’azione della pressione dell’acqua) e quindi di controbilanciare la pressione esercitata dall’acqua sul timpano stesso.
Un’altra complicazione è l’emorragia congiuntivale . Questa è favorita da una maschera rigida; in questo caso si verifica il fatto che mentre la pressione che agisce sul corpo aumenta con la profondità, la pressione all’interno della maschera rimane quella che esiste in superficie; la differenza tra la pressione cui è sottoposto il corpo e la pressione nella maschera facilita la formazione dell’emorragia. Una maschera di piccolo volume e con pareti elastiche elimina il problema. L’emorragia congiuntivale tipicamente si mantiene di color rosso vivo come quello del sangue arterioso (il sangue venoso è rosso scuro) ciò in quanto il sangue si ossigena direttamente attraverso il sottile epitelio congiuntivale.

Iperventilazione

Molti apneisti praticano l’iperventilazione prima dell’immersione. La finalità della pratica è quella di impoverire l’organismo di anidride carbonica e quindi prolungare il tempo di apnea.Questa pratica è da considerare molto pericolosa ed in effetti si correla ad un buon numero di casi in cui il soggetto ha perso conoscenza alla riemersione. Infatti, prolungando il tempo di apnea, l’organismo si impoverisce di ossigeno al punto che alla riemersione si verifica una brusca ischemia cerebrale con effetti potenzialmente letali.

Immersione con autorespiratori

Per prolungare la permanenza in profondità si fa uso degli autorespiratori ad aria, oppure miscele di aria con elio, in sostituzione dell’azoto, o infine ossigeno. L’autorespiratore ad ossigeno è esclusivamente di uso militare; l’ossigeno respirato ad elevata pressione è tossico, pertanto l’uso di questi autorespiratori è attualmente regolamentato in modo molto preciso per evitare o perlomeno ridurre i danni che comporta, in particolare a carico del sistema nervoso centrale.

L’uso dell’autorespiratore ad aria è molto comune e coinvolge un numero sempre maggiore di persone che amano esplorare i fondali marini. Esso garantisce una scorta di aria che consente di prolungare la permanenza in acqua, inoltre il riduttore della bombola eroga aria ad una pressione corrispondente a quella della profondità cui si trova il soggetto; pertanto non si ha compressione della gabbia toracica con l’aumento della profondità. Se il soggetto si trova a 20m di profondità la pressione di erogazione è di 3 atmosfere; l’aria compressa ha densità e viscosità maggiore il che aumenta considerevolmente le resistenze respiratorie, pertanto ne consegue un aumento della spesa energetica a carico dei muscoli respiratori. La respirazione di una miscela di gas a pressione elevata comporta che una maggior quantità dei gas contenuti nella miscela si scioglie nel sangue e in tutti i tessuti dell’organismo; questo vale anche per l’azoto, un gas che non partecipa ai processi metabolici e che, a causa della sua bassa solubilità è presente in concentrazione molto bassa nell’organismo a pressione atmosferica. Se il soggetto respira aria compressa alla pressione ad esempio di tre atmosfere (20m di profondità), la concentrazione dell’azoto aumenta di tre volte nel sangue e da qui in tutti i tessuti dell’organismo. Il problema si pone quando il soggetto riemerge e ritorna a pressione ambiente: alcuni gas, come l’ossigeno e l’anidride carbonica lasciano i tessuti, passano nel sangue e ritornano nei polmoni con facilità, ma questo non è il caso dell’azoto che, a causa della sua scarsa solubilità, ha bisogno di un tempo molto più lungo per percorrere la stessa strada. Vi è quindi il rischio che la brusca decompressione, legata ad una riemersione rapida, causi la formazione di bolle di azoto nei tessuti (quadro dell’embolia tissutale ). Il tessuto ove più facilmente si formano bolle di azoto è il tessuto nervoso, in quanto ricco di grassi ove l’azoto tende a sciogliersi con maggior facilità. Analogamente, bolle si possono formare nel sangue ed ostruire i vasi sanguigni. La formazione di bolle è la conseguenza della rapida decompressione del gas che non ha avuto il tempo di passare nel sangue e liberarsi nei polmoni. Il fenomeno dell’embolia è particolarmente grave a livello del sistema nervoso centrale ove può causare lesioni mortali. La prevenzione dell’embolia sta nella osservanza scrupolosa di tabelle di riemersione le quali prevedono soste a varie profondità la cui durata è in funzione della profondità raggiunta e del tempo di immersione. Le soste diventano progressivamente più lunghe quanto più ci si avvicina alla superficie , cosa che sorprende e che spesso non convince il neofita subacqueo il quale si chiede che differenza può esserci tra il rimanere 2m sotto il pelo dell’acqua piuttosto che riemergere completamente. La differenza sta nel fatto che l’eventualità di formazione di bolle è massima proprio quanto più ci avvicina alla superficie; ciò è spiegabile in base alla legge dei gas, nota come legge di Boyle, che correla il volume di un gas alla pressione cui è sottoposto: quanto più cala la pressione tanto più aumenta (in modo iperbolico) il suo volume. I sintomi dell’embolia compaiono qualche tempo dopo la riemersione e la gravità del quadro, dominato da sofferenza di tipo neurologico, si accentua rapidamente. Il trattamento è la ricompressione del soggetto in apposito cassone. Un’altra complicazione legata all’azoto sta nell’effetto esilarante che questo gas esercita sul sistema nervoso centrale se respirato a pressione levata, problema che si pone per profondità superiori ai 40m. L’effetto esilarante fa perdere le capacità critiche e quindi la valutazione del rischio . Per evitare questa complicazione e nel contempo ridurre il problema dell’aumento del lavoro respiratorio, è possibile usare miscele di ossigeno ed elio (non sono disponibili commercialmente).

La pratica del nuoto con autorespiratori presuppone che si sia seguito un corso tenuto da istruttori qualificati ove il soggetto ha familiarizzato con le attrezzature, è stato messo al corrente dei rischi e degli inconvenienti ed ha imparato a mettere in atto manovre di emergenza.

I mammiferi marini

Le capacità di adattamento dei mammiferi marini consentono loro performance assolutamente irraggiungibili per l’uomo. Come già accennato, se l’uomo può resistere in apnea qualche minuto sott’acqua, una balena può resistere quasi un’ora. La ragione di questa differenza sta nella maggior tolleranza del sistema nervoso centrale dei mammiferi marini alla mancanza di ossigeno. Inoltre, nei mammiferi marini si verifica una ridistribuzione del flusso di sangue che privilegia il cervello rispetto ad altri organi. Quanto alla profondità, una foca può scendere sino a 300m, l’elefante di mare sino a 1500m e qualche balena sino a 2000m (misura effettuata mediante sonar attaccato all’animale). Nei mammiferi marini, l’azione meccanica della pressione sulla gabbia toracica causa una notevole compressione senza che si verifichino fratture costali; il volume della gabbia toracica si riduce a tal punto che il polmone praticamente non contiene più aria la quale viene sospinta in trachea (è tipico lo sbuffo della balena alla riemersione). Il fatto di non avere aria nei polmoni in profondità evita nei mammiferi marini una complicazione grave riscontrabile negli umani e cioè uno stravaso di liquido dal sangue verso gli alveoli (edema alveolare). Per questo motivo i mammiferi marini possono scendere a grande profondità. Inoltre, nei muscoli dei mammiferi marini è presente in concentrazione maggiore rispetto agli umani un pigmento, la mioglobina che ha la capacità di fissare l’ossigeno e di cederlo solamente in condizioni di estrema carenza.

La massima profondità raggiungibile dall’uomo

La disperata ricerca di avvicinarsi ai nostri parenti marini spinge l’uomo ad affrontare gli abissi.

I problemi fisiologici che si pongono in relazione alla massima profondità raggiungibile sono:

1. la resistenza del cervello ad una condizione di ipossia

2. il rischio di fratture costali

3. il rischio di rottura del timpano

4. il rischio di stravaso di liquido negli alveoli polmonari (edema polmonare)

Relativamente al punto 1, il soggetto si allena a tenere apnee sempre più lunghe; nel corso di queste apnee si verifica una riduzione marcata della frequenza cardiaca. Per quanto riguarda il punto 2, bisogna considerare che la pressione dell’acqua (che agisce sull’addome) causa uno spostamento craniale del diaframma (il muscolo che separa la cavità toracica da quella addominale): in questo modo si verifica una riduzione del volume polmonare non a carico della compressione della gabbia toracica, pertanto questo effetto protegge rispetto alla complicazione della frattura costale. Sempre la compressione addominale causa uno spostamento di sangue dal distretto vascolare addominale verso i polmoni: questo effetto previene l’ulteriore riduzione di volume del torace. La rottura del timpano può solo essere evitata da una efficiente manovra di “compensazione” in modo da mantenere la pressione nell’orecchio medio sufficiente a controbilanciare la pressione dell’acqua sulla superficie esterna del timpano. Infine il rischio dello stravaso è criticamente legato al fatto che la gabbia toracica raggiunga un punto di massima compressione pur rimanendo un certo volume di gas negli alveoli (condizione che come abbiamo visto non si verifica nei mammiferi marini in quanto la estrema compressione della gabbia toracica espelle completamente il gas dagli alveoli).

Un sistematico allenamento all’immersione in profondità può indurre condizioni che migliorano la performance: esso migliora la capacità di sopportazione dell’apnea e quindi la tolleranza del sistema nervoso centrale allo stimolo ipercapnico, inoltre può in parte modificare le caratteristiche elastiche della gabbia toracica che diviene più distensibile e quindi più comprimibile (analogamente a quanto si verifica per l’articolazione dell’anca in chi impara a fare la spaccata): questo previene la grave complicazione dell’edema polmonare.

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