Objetivos de aprendizaje
- Discutir el papel del oxígeno y los nutrientes en el mantenimiento de la supervivencia humana
- Explicar por qué el calor extremo y el frío extremo amenazan la supervivencia humana
- Explicar cómo la presión ejercida por los gases y los fluidos influye en la supervivencia humana
- Discutir el papel de la homeostasis en el funcionamiento saludable
- Contrastar la retroalimentación negativa y positiva, dando un ejemplo fisiológico de cada mecanismo
Los humanos se han adaptado a la vida en la Tierra durante al menos los últimos 200.000 años. La Tierra y su atmósfera nos han proporcionado aire para respirar, agua para beber y alimentos para comer, pero estos no son los únicos requisitos para la supervivencia. Aunque rara vez se piense en ello, tampoco se puede vivir fuera de un determinado rango de temperatura y presión que proporcionan la superficie de nuestro planeta y su atmósfera. Las siguientes secciones exploran estos cuatro requisitos de la vida.
Oxígeno
El aire atmosférico tiene sólo un 20 por ciento de oxígeno, pero ese oxígeno es un componente clave de las reacciones químicas que mantienen al cuerpo vivo, incluyendo las reacciones que producen ATP. Las células del cerebro son especialmente sensibles a la falta de oxígeno debido a su necesidad de una producción alta y constante de ATP. El daño cerebral es probable en cinco minutos sin oxígeno, y la muerte es probable en diez minutos.
Nutrientes
Un nutriente es una sustancia en los alimentos y bebidas que es esencial para la supervivencia humana. Las tres clases básicas de nutrientes son el agua, los nutrientes que aportan energía y construyen el cuerpo, y los micronutrientes (vitaminas y minerales).
El nutriente más crítico es el agua. Dependiendo de la temperatura ambiental y de nuestro estado de salud, podemos sobrevivir sólo unos días sin agua. Las sustancias químicas funcionales del cuerpo se disuelven y transportan en el agua, y las reacciones químicas de la vida tienen lugar en el agua. Además, el agua es el mayor componente de las células, la sangre y el fluido entre las células, y el agua constituye aproximadamente el 70% de la masa corporal de un adulto. El agua también ayuda a regular nuestra temperatura interna y amortigua, protege y lubrica las articulaciones y muchas otras estructuras corporales.
Los nutrientes que aportan energía son principalmente los hidratos de carbono y los lípidos, mientras que las proteínas proporcionan principalmente los aminoácidos que son los componentes básicos del propio cuerpo. Se ingieren en alimentos y bebidas de origen vegetal y animal, y el sistema digestivo los descompone en moléculas lo suficientemente pequeñas como para ser absorbidas. Los productos de la descomposición de los carbohidratos y los lípidos pueden utilizarse en los procesos metabólicos que los convierten en ATP. Aunque se tenga la sensación de estar hambriento después de no haber tomado una sola comida, se puede sobrevivir sin consumir los nutrientes que producen energía durante al menos varias semanas.
El agua y los nutrientes que producen energía también se denominan macronutrientes porque el cuerpo los necesita en grandes cantidades. En cambio, los micronutrientes son las vitaminas y los minerales. Estos elementos y compuestos participan en muchas reacciones y procesos químicos esenciales, como los impulsos nerviosos, y algunos, como el calcio, también contribuyen a la estructura del organismo. El cuerpo puede almacenar algunos de los micronutrientes en sus tejidos y recurrir a esas reservas si no los consume en su dieta durante unos días o semanas. Otros micronutrientes, como la vitamina C y la mayoría de las vitaminas del grupo B, son hidrosolubles y no pueden almacenarse, por lo que es necesario consumirlos cada uno o dos días.
Rango estrecho de temperatura
Probablemente haya visto noticias sobre atletas que murieron por un golpe de calor, o excursionistas que murieron por la exposición al frío. Estas muertes se producen porque las reacciones químicas de las que depende el cuerpo sólo pueden tener lugar dentro de un estrecho rango de temperatura corporal, desde justo por debajo hasta justo por encima de los 37°C (98,6°F). Cuando la temperatura corporal se eleva muy por encima o desciende muy por debajo de lo normal, ciertas proteínas (enzimas) que facilitan las reacciones químicas pierden su estructura normal y su capacidad de funcionamiento, y las reacciones químicas del metabolismo no pueden llevarse a cabo.
Figura 1. Calor extremo. Los seres humanos se adaptan hasta cierto punto a la exposición repetida a altas temperaturas. (crédito: McKay Savage/flickr)
Dicho esto, el cuerpo puede responder eficazmente a la exposición a corto plazo al calor (Figura 1) o al frío. Una de las respuestas del cuerpo al calor es, por supuesto, la sudoración. Cuando el sudor se evapora de la piel, elimina parte de la energía térmica del cuerpo, enfriándolo. Se necesita una cantidad adecuada de agua (del líquido extracelular del cuerpo) para producir el sudor, por lo que una ingesta adecuada de líquidos es esencial para equilibrar esa pérdida durante la respuesta del sudor. No es de extrañar que la respuesta del sudor sea mucho menos eficaz en un entorno húmedo porque el aire ya está saturado de agua. Por lo tanto, el sudor en la superficie de la piel no es capaz de evaporarse, y la temperatura interna del cuerpo puede llegar a ser peligrosamente alta.
El cuerpo también puede responder eficazmente a la exposición al frío a corto plazo. Una respuesta al frío es el escalofrío, que es un movimiento muscular aleatorio que genera calor. Otra respuesta es el aumento de la descomposición de la energía almacenada para generar calor. Sin embargo, cuando esa reserva de energía se agota y la temperatura central comienza a descender significativamente, los glóbulos rojos pierden su capacidad de ceder oxígeno, negando al cerebro este componente crítico de la producción de ATP. Esta falta de oxígeno puede causar confusión, letargo y, finalmente, pérdida de conciencia y muerte. El cuerpo responde al frío reduciendo la circulación sanguínea en las extremidades, las manos y los pies, para evitar que la sangre se enfríe allí y para que el núcleo del cuerpo pueda mantenerse caliente. Sin embargo, incluso cuando la temperatura central del cuerpo se mantiene estable, los tejidos expuestos al frío intenso, especialmente los dedos de las manos y de los pies, pueden desarrollar congelación cuando el flujo sanguíneo a las extremidades se ha reducido mucho. Esta forma de daño tisular puede ser permanente y conducir a la gangrena, requiriendo la amputación de la región afectada.
Conexión diaria: Hipotermia controlada
Como ha aprendido, el cuerpo participa continuamente en procesos fisiológicos coordinados para mantener una temperatura estable. Sin embargo, en algunos casos, anular este sistema puede ser útil o incluso salvar la vida. Hipotermia es el término clínico que designa una temperatura corporal anormalmente baja (hipo- = “por debajo” o “bajo”). La hipotermia controlada es una hipotermia inducida clínicamente que se lleva a cabo con el fin de reducir la tasa metabólica de un órgano o de todo el cuerpo de una persona.
La hipotermia controlada se utiliza a menudo, por ejemplo, durante la cirugía a corazón abierto porque disminuye las necesidades metabólicas del cerebro, el corazón y otros órganos, reduciendo el riesgo de dañarlos. Cuando se utiliza la hipotermia controlada en el ámbito clínico, se administra al paciente una medicación para evitar los escalofríos. A continuación, se enfría el cuerpo a 25-32°C (79-89°F). El corazón se detiene y una bomba cardiopulmonar externa mantiene la circulación en el cuerpo del paciente. El corazón se enfría aún más y se mantiene a una temperatura inferior a los 15 °C (60 °F) mientras dure la intervención. Esta temperatura tan fría ayuda al músculo cardíaco a tolerar su falta de suministro de sangre durante la cirugía.
Algunos médicos del servicio de urgencias utilizan la hipotermia controlada para reducir el daño al corazón en pacientes que han sufrido una parada cardíaca. En el servicio de urgencias, el médico induce el coma y reduce la temperatura corporal del paciente a aproximadamente 91 grados. Esta condición, que se mantiene durante 24 horas, ralentiza el ritmo metabólico del paciente. Como los órganos del paciente necesitan menos sangre para funcionar, la carga de trabajo del corazón se reduce.
Rango estrecho de la presión atmosférica
La presión es una fuerza ejercida por una sustancia que está en contacto con otra. La presión atmosférica es la presión ejercida por la mezcla de gases (principalmente nitrógeno y oxígeno) en la atmósfera terrestre. Aunque usted no lo perciba, la presión atmosférica presiona constantemente su cuerpo. Esta presión mantiene disueltos los gases de su cuerpo, como el nitrógeno gaseoso de los fluidos corporales. Si usted fuera expulsado repentinamente de una nave espacial por encima de la atmósfera terrestre, pasaría de una situación de presión normal a otra de muy baja presión. La presión del gas nitrógeno en su sangre sería mucho mayor que la presión del nitrógeno en el espacio que rodea su cuerpo. Como resultado, el gas nitrógeno de su sangre se expandiría, formando burbujas que podrían bloquear los vasos sanguíneos e incluso provocar la ruptura de las células.
La presión atmosférica hace algo más que mantener disueltos los gases de la sangre. Su capacidad para respirar -es decir, para tomar oxígeno y liberar dióxido de carbono- también depende de una presión atmosférica precisa. El mal de altura se produce, en parte, porque la atmósfera a gran altura ejerce menos presión, lo que reduce el intercambio de estos gases y provoca falta de aire, confusión, dolor de cabeza, letargo y náuseas. Los alpinistas llevan oxígeno para reducir los efectos tanto de los bajos niveles de oxígeno como de la baja presión barométrica a grandes alturas (Figura 2).
Figura 2. Condiciones duras. Los escaladores del Monte Everest deben adaptarse al frío extremo, a los bajos niveles de oxígeno y a la baja presión barométrica en un entorno hostil para la vida humana. (crédito: Melanie Ko/flickr)
Desequilibrios homeostáticos: Enfermedad por descompresión
La enfermedad por descompresión (DCS) es una condición en la que los gases disueltos en la sangre o en otros tejidos del cuerpo dejan de disolverse tras una reducción de la presión en el cuerpo. Este trastorno afecta a los buceadores que salen a la superficie después de una inmersión profunda con demasiada rapidez y puede afectar a los pilotos que vuelan a gran altura en aviones con cabinas no presurizadas. Los buceadores suelen llamar a esta afección “las curvas”, una referencia al dolor de las articulaciones que es un síntoma del DCS.
En todos los casos, el DCS se produce por una reducción de la presión barométrica. A gran altura, la presión barométrica es mucho menor que en la superficie de la Tierra, ya que la presión se produce por el peso de la columna de aire que se encuentra por encima del cuerpo y que lo presiona. Las grandes presiones que sufren los buceadores en aguas profundas proceden igualmente del peso de una columna de agua que presiona el cuerpo. En el caso de los buceadores, la DCS se produce con una presión barométrica normal (a nivel del mar), pero se produce por la disminución relativamente rápida de la presión a medida que los buceadores se elevan desde las condiciones de alta presión de las aguas profundas hasta la ahora baja, en comparación, presión a nivel del mar. No es de extrañar que el buceo en lagos profundos de montaña, donde la presión barométrica en la superficie del lago es inferior a la del nivel del mar, tenga más probabilidades de provocar un DCS que el buceo en agua a nivel del mar.
En el DCS, los gases disueltos en la sangre (principalmente el nitrógeno) salen rápidamente de la solución, formando burbujas en la sangre y en otros tejidos corporales. Esto ocurre porque cuando la presión de un gas sobre un líquido disminuye, la cantidad de gas que puede permanecer disuelto en el líquido también disminuye. La presión del aire es la que mantiene los gases normales disueltos en la sangre. Cuando se reduce la presión, queda menos gas disuelto. Usted ha visto esto en efecto cuando abre una bebida carbonatada. Al quitar el sello de la botella se reduce la presión del gas sobre el líquido. Esto, a su vez, provoca burbujas a medida que los gases disueltos (en este caso, el dióxido de carbono) salen de la solución en el líquido.
Los síntomas más comunes de la DCS son el dolor en las articulaciones, con dolor de cabeza y alteraciones de la visión que se producen en el 10 por ciento al 15 por ciento de los casos. Si no se trata, la DCS muy grave puede provocar la muerte. El tratamiento inmediato es con oxígeno puro. A continuación se traslada a la persona afectada a una cámara hiperbárica. Una cámara hiperbárica es una cámara reforzada y cerrada que está presurizada a una presión superior a la atmosférica. Trata el síndrome de fatiga crónica reprimiendo el cuerpo para poder eliminar la presión de forma mucho más gradual. Como la cámara hiperbárica introduce oxígeno en el cuerpo a alta presión, aumenta la concentración de oxígeno en la sangre. Esto tiene el efecto de sustituir parte del nitrógeno de la sangre por oxígeno, que es más fácil de tolerar fuera de la solución.
La presión dinámica de los fluidos corporales también es importante para la supervivencia humana. Por ejemplo, la presión sanguínea, que es la presión ejercida por la sangre mientras fluye dentro de los vasos sanguíneos, debe ser lo suficientemente grande como para permitir que la sangre llegue a todos los tejidos del cuerpo y, sin embargo, lo suficientemente baja como para asegurar que los delicados vasos sanguíneos puedan soportar la fricción y la fuerza del flujo pulsante de la sangre presurizada.
Un segundo ejemplo de retroalimentación positiva se centra en revertir el daño extremo al cuerpo. Tras una herida penetrante, la amenaza más inmediata es la pérdida excesiva de sangre. Una menor circulación de sangre significa una reducción de la presión sanguínea y una menor perfusión (penetración de la sangre) en el cerebro y otros órganos vitales. Si la perfusión se reduce gravemente, los órganos vitales se apagarán y la persona morirá. El cuerpo responde a esta posible catástrofe liberando sustancias en la pared del vaso sanguíneo lesionado que inician el proceso de coagulación de la sangre. Cada paso de la coagulación estimula la liberación de más sustancias coagulantes. Esto acelera los procesos de coagulación y sellado de la zona dañada. La coagulación está contenida en un área local basada en la disponibilidad estrechamente controlada de las proteínas de coagulación. Se trata de una cascada de acontecimientos adaptativa que salva vidas.