Los animales disponen de dos alternativas cuando necesitan transportar más oxígeno. Una consiste en aumentar la concentración sanguínea del pigmento respiratorio (hemoglobina, hemocianina, u otro). El oxígeno se combina en la sangre con el pigmento respiratorio y gracias a ello la sangre puede albergar y transportar a los tejidos mucho más oxígeno que el que albergaría y transportaría si careciese de pigmento respiratorio. Hay animales cuya sangre carece de pigmentos respiratorios, y la de otros, sin embargo cuenta con elevadas concentraciones. Los animales con mayores concentraciones de pigmento, -hemoglobina en este caso-, en su sangre son los cetáceos. En otra ocasión ya expliqué que gracias a ello pueden permanecer sumergidos durante periodos muy largos de tiempo. Por otro lado, y dentro de ciertos límites, la concentración de hemoglobina puede experimentar variaciones significativas en periodos de tiempo relativamente cortos. Me refiero a variaciones tales como las que se derivan del entrenamiento deportivo en altura, el uso de cámaras hipobáricas o la utilización de la hormona eritropoietina (EPO) para aumentar la concentración de glóbulos rojos. Pero la concentración de eritrocitos (glóbulos rojos) no puede elevarse en exceso, pues ello provocaría un peligroso aumento de la densidad de la sangre, lo que dificultaría la circulaciónen los capilares y podría provocar la formación de obstrucciones de gravísimas consecuencias.

Pero hay una segunda alternativa para aumentar la capacidad de la sangre para transportar oxígeno sin que ello suponga un aumento en la concentración de pigmento respiratorio. Ello es posible, tomando la misma cantidad de oxígeno los capilares de los alveolos pulmonares, si se modifica una de las características básicas de la hemoglobina al llegar ésta a los tejidos. Me refiero a un cambio en la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno. De hecho, en muchos animales ocurre que la afinidad del pigmento por el oxígeno es más alta cuando la sangre se encuentra en los capilares pulmonares que cuando se encuentra en los capilares musculares o del resto de los tejidos. A ese fenómeno se le denomina efecto Bohr y gracias a él la sangre, debido a la pérdida de afinidad, cede más oxígeno a las células que el que cedería en ausencia del mismo. Al retornar a los pulmones se recupera la afinidad, por lo que se encuentra en condiciones de tomar casi el máximo posible.

Se da la circunstancia de que, recientemente, el grupo de investigación que dirige el premio Nóbel de Química Jean-Marie Lehn ha realizado un descubrimiento que tiene que ver con la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno. El descubrimiento ha consistido en el hallazgo de una molécula que provoca un descenso importante en la afinidad de la hemoglobina y gracias a ese descenso, la sangre cede mucho más oxígeno a los tejidos que el que ocurre en condiciones normales. La molécula es el mioinositol trispirofosfato (ITPP) y se ha de combinar con la hemoglobina para surtir su efecto. Eso sí, parece ser que puede administrarse bebiéndola disuelta en agua, por lo que la puede utilizar cualquier persona.

La investigación se ha realizado con el propósito de que sea utilizada por personas que, por tener el corazón dañado, tienen limitaciones para desarrollar actividades físicas. Y lo cierto es que en las pruebas realizadas, se ha observado que la molécula es efectiva, ya que la hemoglobina combinada con ITPP cede más oxígeno al llegar a los tejidos. Por otro lado, es evidente que sería de gran utilidad en la práctica de deportes de resistencia, pero es muy fácilmente detectable, por lo que no cabe pensar que vaya a tener uso en ese ámbito.

Referencia: “Enhanced exercise capacity in mice with severe heart failure treated with a novel allosteric effector of hemoglobin, myo-inositol trispyrophosphate,” by Andreia Biolo et al. PNAS 106: 1926-1929.

La mayoría de los mamíferos somos terrestres, pero también los hay que viven en el mar o que tienen una forma de vida mixta, podríamos decir que anfibia. Ballenas y delfines son marinos, mientras que elefantes marinos, focas y leones marinos tienen un modo de vida anfibio. Tanto unos como otros son excelentes buceadores.

Tal y como señalé en el artículo en el que traté del mal del buceador, las ballenas vacían sus pulmones antes de sumergirse, y lo mismo hacen los demás mamíferos marinos. Eso es algo que nos resulta contraintuitivo, porque si hay algo que hacemos casi sin pensar antes de sumergirnos en cualquier masa de agua es llenar de aire nuestros pulmones. Pero como expliqué en la historia del mal del buceador, el nitrógeno del aire contenido en los pulmones puede causar graves daños una vez ha pasado a la sangre en forma disuelta durante el ascenso para emerger. Esa es la razón por la que los mamíferos marinos vacían de aire los pulmones antes de sumergirse; de esa forma no queda nitrógeno que pueda pasar a la sangre.

Así, puesto que en los pulmones queda una cantidad mínima de oxígeno, ¿de dónde sacan estos mamíferos el que necesitan para surtir a las células el comburente necesario para mantener activo el metabolismo? La respuesta a esa pregunta es que, en principio, el organismo dispone de dos posibles depósitos. Uno de ellos es la propia sangre. Las focas, por ejemplo, tienen, por unidad de masa por supuesto, bastante más sangre que nosotros; para ser precisos, tienen el doble de sangre. Y además, la concentración de oxígeno puede alcanzar niveles más altos en la sangre de las focas que en la nuestra, porque tienen más hemoglobina. No obstante, aun tratándose de una valiosa adaptación, la concentración de hemoglobina en la sangre no puede elevarse de forma indefinida; es, por ello, una adaptación con limitaciones. Una concentración de hemoglobina en sangre demasiado elevada tendría como consecuencia un aumento excesivo de la viscosidad de la sangre y ello conllevaría que el corazón se vería obligado a hacer un trabajo excesivo para bombearla.

El segundo depósito posible es el músculo. Los músculos de todos los vertebrados, y sobre todo los de la musculatura lenta, disponen de mioglobina para almacenar oxígeno. El oxígeno, al pasar de la sangre a las células musculares, se combina con la mioglobina antes de ser utilizado. Almacenado de esa forma, la concentración de oxígeno intracelular se mantiene en valores relativamente constantes. Eso es lo que ocurre en cualquier mamífero. Pero en las células musculares de los mamíferos marinos hay, por comparación, mucho más oxigeno combinado con mioglobina que en las del resto de mamíferos, por la sencilla razón de que en aquéllas hay mucha más mioglobina. Mientras que la concentración de mioglobina en el músculo humano es de 6 g kg^-1, la del músculo de foca es de 50-70 g kg^-1 y la del músculo del cachalote es de 76 g kg^-1.

Por lo tanto, el oxígeno que necesitan los mamíferos marinos durante la inmersión lo obtienen de la hemoglobina sanguínea y, en mayor medida aún, de la mioglobina muscular, porque los pulmones no sirven para eso. Nosotros tenemos los mismos depósitos, pero los de los buceadores son de muy superior capacidad. Podría decirse incluso, sin temor a exagerar, que la “botella” del buceador es su propio músculo.

Puestos a retomar asuntos tratados hace poco tiempo, sigo en esta entrada hablando de los animales que viven bajo tierra. Como expliqué en una entrada anterior, en las huras y cavidades en que viven algunas especies de roedores hay muy poco oxígeno, porque el aire se renueva muy lentamente y además los roedores, por su tamaño y nivel de actividad, tienen tasas metabólicas bastante altas. Es por eso que, comparados con los demás roedores, estos tienen más hemoglobina en la sangre y esa hemoglobina tiene más afinidad por el oxígeno.

Pues bien, el de la falta de oxígeno no es el único problema que deben afrontar estos animales; además la atmósfera en la que pasan la mayor parte del tiempo tiene una alta concentración de CO₂, -de hasta un 6% incluso-, y eso es un problema, distinto del anterior, pero un problema. La razón de ello tiene que ver con cómo funciona un mecanismo respiratorio básico. Empezaré por explicar, brevemente, ese mecanismo.

Todo el mundo sabe que los movimientos respiratorios son automáticos. Esto es, aunque se puede modificar a voluntad la frecuencia respiratoria en alguna medida, no se puede dejar de respirar, ni tampoco hacerlo lentamente si el cuerpo necesita que se haga rápidamente. Pues bien, una de las señales que hacen que un mamífero (aunque no estoy seguro, supongo que esto es aplicable a muchos otros vertebrados) respire más rápidamente es la concentración de CO₂ en la sangre. Cuando ésta sube, la elevación es detectada por sensores (quimiorreceptores) internos que desencadenan una respuesta consistente en un aumento de la frecuencia respiratoria y la frecuencia cardíaca. Es lógico, un subida de la concentración de CO₂ en la sangre, aparte de provocar una peligrosa acidificación de la misma, es señal de que el organismo está catabolizando rápidamente sustratos carbonados y por lo tanto, de que se necesita incorporar más oxígeno y eliminar los productos resultantes de tal actividad. Y para ello, la respuesta lógica es ventilar más los pulmones y bombear más sangre.

Pero, ¿qué ocurre si la atmósfera en la que se respira tiene demasiado CO₂? Pues ocurre que el paso de CO₂ de la sangre a la cavidad pulmonar se obstaculiza, porque la transferencia pasiva de una sustancia de un compartimento a otro es proporcional a la diferencia de concentración entre los dos compartimentos; por ello, si hay mucho CO₂ en la cavidad pulmonar, se transferirá más lentamente desde la sangre por esa razón y esto no hace sino iniciar un círculo vicioso muy peligroso, porque el latido cardíaco no dejaría de elevar su frecuencia.

Por todo lo anterior, los mamíferos que viven en este tipo de enclaves no son tan sensibles al CO₂ sanguíneo como lo son el resto de mamíferos; esto es, una elevación en su concentración no da lugar a la misma respuesta cardíaca y respiratoria que ocurre en otros mamíferos. Y además, algunos de ellos han desarrollado vías alternativas a la respiratoria para expulsar el CO₂: de hecho, en vez de eliminarlo en forma de gas lo excretan en forma de carbonatos o bicarbonatos de calcio y de manganeso.

Se trata de una adaptación verdaderamente notable, pues constituye una curiosa, -y yo diría que asombrosa-, excepción al normal funcionamiento respiratorio de los mamíferos.

Muchos animales viven en orificios o cavidades del suelo, de rocas o de árboles, y otros muchos, aunque no viven en esos lugares, pasan mucho tiempo en su interior, bien porque los utilizan para guarecerse, o bien porque hacen la madriguera en esos lugares. Se trata de lugares muy especiales, porque en ellos hay poco aire y ese poco aire se renueva con dificultad. Por esas razones, suele haber poco oxígeno en ellos.

Los lagartos y lagartijas que se introducen en cavidades no tienen característica especial alguna, como tampoco la tienen los sapos que hacen lo propio. Tanto reptiles como anfibios son animales poiquilotermos, y por lo tanto, tienen una tasa metabólica muy baja. Quizás sea esa la razón por la que esos animales no precisen de adaptaciones específicas a la vida bajo esas condiciones de escasez de oxígeno.

Hay roedores, sin embargo, que permanecen largos periodos de tiempo en huras, y cavidades subterráneas, y éstos, al contrario que los anteriores, son homeotermos, por lo que sus tasas metabólicas son altas. Necesitan mantener una alta actividad metabólica para contar con una fuente interna de calor. Además, al tratarse de animales de pequeño tamaño, su tasa metabólica (actividad metabólica por unidad de masa) es relativamente alta, dada la relación inversa que existe, con carácter universal, entre tasa metabólica y tamaño corporal. Y por si lo anterior fuera poco, son animales, en general, muy activos. Pues bien, todo esto quiere decir que dado que necesitan tomar mucho oxígeno del aire, la concentración de ese gas en las cavidades que ocupan puede llegar a ser muy baja; son relativamente normales concentraciones de oxígeno del 6%. De be tenerse en cuenta que la concentración normal de oxígeno en la atmósfera es de un 21% y que concentraciones de oxígeno tan bajas como el 6% no se dan ni en las cumbres del Himalaya.

Se necesitan adaptaciones especiales para poder vivir bajo esas condiciones, del tipo de las que tienen los animales andinos, por ejemplo. Son adaptaciones que varían de unas especies a otras. Algunos roedores, por ejemplo, tienen muchos glóbulos rojos en su sangre, más de los normales, y otros, en vez de tener más glóbulos rojos, los tienen con un mayor contenido en hemoglobina, que es el compuesto con el que se combina el oxígeno en la sangre. Mediante ambos mecanismos puede aumentarse el trasporte de oxígeno, compensándose así su escasez.

Otra particularidad de la hemoglobina de los roedores que habitan en huras y cavidades subterráneas es que tiene mayor afinidad por el oxígeno. Para hacernos una idea de lo que esto significa voy a ilustrarlo con un ejemplo. Un 50% de la hemoglobina de roedores arborícolas, como las ardillas, se encuentra combinada con oxígeno cuando la tensión parcial de este gas en la sangre es de 40 mmHg. Sin embargo, un 80% de la hemoglobina de los roedores de cavidades subterráneas se encuentra combinada con oxígeno a a esa tensión parcial. Gracias a esa característica de la hemoglobina puede garantizarse la captación de oxígeno y su transporte a las células, incluso cuando la concentración de oxígeno es muy baja.

Los mamíferos marinos son excelentes buceadores y, sin embargo, bucear constituye un verdadero problema. El más evidente es que los pulmones de mamíferos no sirven para extraer oxigeno del agua, por lo que no podemos respirar bajo el agua, con todo lo que ello implica. Pero bucear también comporta problemas que no tienen nada que ver con que se pueda o no extraer oxígeno del agua. Veamos en qué consiste uno de esos problemas.

El aire que respiramos es una mezcla de gases en la que los más importantes son el nitrógeno (78%) y el oxígeno (21%). El oxígeno es el que utilizamos como comburente en el metabolismo y a cuya adquisición destinamos el sistema respiratorio y, en la medida que le corresponde, el circulatorio.

El nitrógeno, sin embargo, es inerte; no lo usamos ni lo necesitamos. En condiciones normales, tan sólo una mínima fracción de nitrógeno pasa a la sangre en forma disuelta. Pero durante la inmersión aumenta la presión a la que se encuentran los gases en los pulmones, -por cada 10 m de profundidad la presión aumenta en 1 atm-, y como consecuencia de ello, aumenta la presión parcial del nitrógeno en el aire comprimido inhalado por el buceador. Por esa razón, el buceador toma más nitrógeno en cada inhalación que el que hubiera tomado a nivel del mar. Sin embargo, ese nitrógeno no se expulsa al exhalar el aire inhalado, ya que una parte significativa queda disuelta en los fluidos del buceador.

Ahora bien, en el momento en que el buceador inicia el ascenso para emerger, conforme se eleva en la masa de agua desciende la presión y con el cambio de la presión, el nitrógeno va difundiendo desde las células a la sangre y de ahí a la cavidad pulmonar, de donde es exhalado al exterior. El problema puede surgir cuando el ascenso es rápido y no da tiempo a que el nitrógeno difunda de forma gradual al exterior. Bajo esas condiciones a veces se forman, en la sangre y otros fluidos corporales, burbujas de nitrógeno gaseoso que pueden causar daños graves. Esto es así porque pueden comprimir nervios, obstruir arterias, venas y vasos linfáticos, así como provocar reacciones químicas dañinas en la sangre. Por esa razón, a las personas que bucean se les instruye para que eviten ascensos rápidos y minimicen el riesgo de que se produzca ese problema.

Los mamíferos marinos, sin embargo, realizan emersiones muy rápidas. Algunos de ellos son capaces de sumergirse a gran velocidad y hacer lo propio al retornar a la superficie. Y es evidente que delfines y ballenas no experimentan ningún problema por ello. La pregunta es, pues, ¿cómo evitan el problema?

Aunque no cabe certeza absoluta al respecto, parece ser que la respuesta tiene que ver con el hecho de que los mamíferos marinos, antes de sumergirse, vacían sus pulmones todo lo que pueden. Las ballenas, por ejemplo, tienen pulmones de un volumen relativamente pequeño, y los vacían casi por completo antes de sumergirse. Además, a partir de cierta profundidad, los pulmones se colapsan completamente debido a la altísima presión. Esto es, dentro de sus pulmones no queda prácticamente nada. Está claro que si sus pulmones, por no contener aire, no contienen nitrógeno, ningún nitrógeno pasa a la sangre y por lo tanto, no hay ninguna posibilidad de que se formen burbujas de nitrógeno al descomprimirse los pulmones de vuelta a la superficie.

Pero entonces, si vacían sus pulmones antes de sumergirse, ¿de dónde sacan el oxígeno que necesitarán durante la inmersión? La respuesta, dentro de unos días.

Ha empezado la temporada de las grandes ascensiones en el Himalaya. En este momento, tres expediciones en las que participan alpinistas vascos están preparando ascensiones a distintas cumbres de la cordillera más alta del planeta. Se trata de las expediciones al Kangchenjunga (Edurne Pasaban y Juan Oiarzabal), al Pilar Oeste del Makalu (Alberto Iñurrategi, Juan Vallejo y Mikel Zabaltza) y al Kangchenjunga y Yalung Kang (Alberto Zerain). En estos días todos ellos realizan la aclimatación a la altura.

Las imágenes que nos muestran a los alpinistas en plena ascensión a las cumbres del Himalaya son imágenes de gran belleza pero en cierto modo engañan. No muestran el sufrimiento del alpinista. En las imágenes no se aprecia la dificultad extrema que supone la ascención. Por eso engañan, porque no reflejan fielmente la realidad.

No es fácil vivir en las alturas, -ni siquiera es fácil estar-, porque hay muy poco oxígeno; conforme se asciende hay cada vez menos. Hay que precisar que, dado que se trata de un gas atmosférico, no es su concentración lo que desciende con la altura, sino su cantidad. La concentración del oxígeno en la punta del Everest y en la playa de Arrigunaga es la misma, un 21% aproximadamente. Lo que ocurre es que allí arriba hay menos aire, mucho menos. El aire que hay es menos denso, hay menos moléculas de gas en el mismo volumen; está menos comprimido porque se encuentra bajo una presión muy inferior y la razón por la que está menos comprimido es tan sencilla como que cuando más arriba está el aire, menos aire queda por encima, y por ello ejerce menos presión.

Al nivel del mar la presión atmosférica es de 760 mmHg (milímetros de mercurio), o 1 atm (atmósfera); esta es la que se considera una presión normal. Pero al ascender, la presión baja, de manera que a 5.000 m de altura la presión atmosférica se reduce a 400 mmHg. Desde un punto de vista práctico podríamos decir que a 5.000 m de altura hay casi la mitad de aire que al nivel del mar y, por lo tanto, también la mitad de oxígeno.

Todo esto es muy importante porque el paso del oxígeno del interior del pulmón a la sangre depende de la presión parcial de oxígeno. La presión parcial de oxígeno a nivel del mar es de 160 mmHg, esto es, el 21% de 760 mmHg, ya que el oxígeno representa el 21% del volumen del aire. Por eso, y dado que al ascender se reduce la presión atmosférica, en la misma medida se reduce la presión parcial de oxígeno; esto es, a 5.000 m de altura la presión parcial de oxígeno es de 84 mmHg, un valor muy bajo para que el oxígeno pueda difundir a la sangre de casi cualquier animal, incluido el ser humano.

Las personas que vivimos al nivel del mar solemos tener dificultades cuando viajamos a lugares altos. Los ciclistas, cuando ascienden los grandes puertos de alrededor de los 2.000 m, dicen que les falta aire. He tenido ocasión de pasar unos días en Cuzco, a 3.400 m sobre el nivel del mar y cada vez que me agachaba a atarme los cordones de los zapatos tenía dificultades para respirar. En La Paz, a 3.700 m de altura lo pasé mal después de dar un largo paseo por la ciudad; experimenté el llamado mal de altura o sorochi, como lo llaman en Bolivia y el Perú, en una versión leve. Y en el Alto, donde se encuentra el aeropuerto de La Paz, a 4.000 m de altura, tenía dificultades hasta para respirar. El mal de altura lo provoca la hipoxia (escasez de oxígeno) y consiste en dolor de cabeza, somnolencia, mareo, nauseas y debilitamiento.

Pues bien, los mejores alpinistas llegan hasta las cumbres de más de 8.000 m, a pesar del poquísimo oxígeno que hay a esa altura. Por encima de 7.000 m, un ser humano normal no puede ni respirar. Andar bajo esas condiciones representa el máximo esfuerzo que pueden hacer sólo unos pocos escogidos. Una persona normal no se puede hacer una idea de lo que supone realizar una ascensión por encima de 7.000 m y si, además de ascender, se lleva una pesada carga a la espalda, el esfuerzo es inimaginable. Los alpinistas son deportistas excepcionales; los que alcanzan alturas próximas a los 8.000 m se encuentran en el límite, en el verdadero límite de la vida.

Las siguientes imágenes corresponden a la ascención de Edurne Pasabán el año pasado al Manaslu. Son hermosas y engañan, pero no del todo: