Modellare le capacità di diffusione di ossigeno nei polmoni e nei muscoli dal livello del mare al Monte Everest

Perché respirare ad altitudini estreme conta

Immaginate di correre in salita su un pendio ripido mentre l'aria si assottiglia a ogni passo. Alpinisti, atleti di resistenza e persino persone con malattie cardiache o polmonari affrontano tutti una versione di questa sfida: quanto efficacemente il loro corpo può trasferire l'ossigeno dall'aria ai muscoli in attività quando l'ossigeno scarseggia? Questo studio usa un modello matematico, alimentato da un secolo di dati di spedizioni in alta quota, per esplorare quanto efficientemente i nostri polmoni e i nostri muscoli possono assorbire ossigeno dal livello del mare fino alla cima del Monte Everest.

Seguire l'ossigeno dall'aria al muscolo

Per capire le prestazioni in quota, gli scienziati tracciano una «cascata dell'ossigeno»—il percorso passo dopo passo dell'ossigeno dall'aria inspirata, attraverso i polmoni e il sangue, fino alle cellule muscolari dove alimenta la produzione di energia. Due passaggi critici ma difficili da misurare sono quanto facilmente l'ossigeno diffonde attraverso la barriera aria‑sangue del polmone (capacità di diffusione polmonare) e dai piccoli vasi sanguigni alle fibre muscolari (capacità di diffusione muscolare). Misurazioni dirette ad alta quota e durante sforzi massimali sono rare, quindi gli autori si sono affidati alla modellazione, basandosi su equazioni fisiologiche classiche che bilanciano quanto ossigeno il sangue trasporta e quanto rapidamente può muoversi attraverso i tessuti.

Costruire una ascesa virtuale verso l'Everest

I ricercatori hanno raccolto dati di esercizio a sforzo massimale da numerosi studi condotti ad altitudini che vanno dal livello del mare fino vicino alla vetta dell'Everest, incluse esperienze famose come l'Operation Everest II. Questi dataset comprendevano consumo di ossigeno, gittata cardiaca, livelli di ossigeno nel sangue e concentrazione di emoglobina. Hanno quindi usato adattamenti statistici per prevedere come ciascuna di queste variabili cambi ogni 250 metri di aumento di quota. Con questi input, un metodo numerico iterativo noto come metodo di Fibonacci ha risolto le equazioni di bilancio di massa lungo i capillari polmonari e muscolari, stimando quanto devono essere grandi le capacità di diffusione di polmoni e muscoli per corrispondere all'uso osservato di ossigeno a ogni tappa di quota virtuale.

Come si adattano polmoni e muscoli mentre l'aria si assottiglia

Il modello ha rivelato uno schema sorprendente. Con l'aumentare della quota, la capacità dei polmoni di diffondere ossigeno non decade semplicemente. Al contrario, la capacità di diffusione polmonare aumenta dal livello del mare fino a circa 5.500 metri—più o meno l'altitudine massima degli insediamenti umani permanenti—prima di diminuire nuovamente verso la vetta dell'Everest. Anche al vertice, tuttavia, i polmoni sembrano ancora diffondere ossigeno meglio rispetto al livello del mare. Al contrario, la capacità di diffusione muscolare raggiunge il picco prima, intorno a 3.500 metri, e poi cala costantemente. All'altezza dell'Everest, la capacità di diffusione muscolare è prevista essere inferiore rispetto al livello del mare. Queste curve a «U invertita» suggeriscono che sia i polmoni sia i muscoli dispongono di una riserva intrinseca di diffusione, ma la riserva muscolare si esaurisce a quote inferiori rispetto a quella polmonare.

Quali fattori modellano queste riserve nascoste

Per capire quali fattori contano di più, il team ha testato quanto fossero sensibili le stime di diffusione a piccoli cambiamenti in input chiave come il flusso sanguigno, la pressione parziale dell'ossigeno nei polmoni e nelle arterie, i livelli di ossigeno venoso e l'emoglobina. La capacità di diffusione polmonare risultava fortemente influenzata dalla pressione parziale di ossigeno negli alveoli polmonari e nel sangue arterioso, specialmente ad altitudini molto elevate, rafforzando l'idea che lo scambio gassoso nei polmoni diventi sempre più critico man mano che l'aria si assottiglia. La capacità di diffusione muscolare era invece più influenzata dalla pressione parziale dell'ossigeno nel sangue venoso e da quanto ossigeno rimaneva per favorire il passaggio nei mitocondri, le centrali energetiche della cellula. Il modello ha anche mostrato che le assunzioni sulla bassa pressione di ossigeno all'interno dei mitocondri e sull'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno possono spostare i valori assoluti e l'altitudine a cui si verificano i picchi, ma non cambiano il quadro generale.

Limiti, applicazioni e rilevanza nel mondo reale

Poiché lo studio è una ricostruzione teorica basata su molte spedizioni diverse e per lo più su partecipanti di sesso maschile, i suoi numeri esatti vanno considerati come stime più che come misure precise. Il modello semplifica inoltre dettagli locali come temperatura, acidità e flusso sanguigno non uniforme, tutti fattori che possono influenzare il trasferimento di ossigeno. Tuttavia, offre un quadro unificato di come la diffusione nei polmoni e nei muscoli potrebbe cambiare dal livello del mare alle quote estreme. In ambito clinico, approcci simili—usando semplici test da sforzo, esami del sangue e misurazioni cardiache elementari—potrebbero aiutare i medici a stimare se il limite all'esercizio di un paziente è dovuto più al pompaggio e alla consegna dell'ossigeno o alla sua diffusione nei tessuti.

Cosa significa in termini quotidiani

Per un lettore non specialistico, la conclusione è che il corpo inizialmente reagisce all'aria rarefatta rendendo polmoni e muscoli più efficaci nel prelevare ossigeno dal sangue, ma questa strategia ha dei limiti. Fino ad altitudini moderate‑alte, sia polmoni sia muscoli possono aumentare la loro capacità di diffusione, creando una utile «riserva». Oltre questi livelli, specialmente vicino all'altitudine dell'Everest, i muscoli sembrano però scontrarsi con un limite: anche se i polmoni continuano a funzionare relativamente bene, l'ossigeno fatica a compiere l'ultimo salto nelle fibre in attività. Questo squilibrio aiuta a spiegare perché l'alta quota estrema è così estenuante e perché le prestazioni calano così bruscamente, e suggerisce che proteggere o migliorare la diffusione dell'ossigeno nei muscoli potrebbe essere cruciale per alpinisti, atleti e alcuni pazienti esposti a condizioni di bassa O2.

Citazione: Bourdillon, N., Manferdelli, G., Raberin, A. et al. Modelling lung and muscle oxygen diffusion capacities from sea-level to Mount Everest. Sci Rep 16, 7817 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-32441-9

Parole chiave: fisiologia dell'alta quota, trasporto dell'ossigeno, diffusione polmonare, ossigenazione muscolare, Monte Everest