Informasi

Bernafas di bawah air

Bernafas di bawah air



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Mengapa ikan bisa bernapas di bawah air tetapi mamalia darat tidak? Bagaimana ikan dapat mengekstrak oksigen langsung dari air tetapi manusia tidak?


Saya mengambil pertanyaan ini pada nilai nominal. Ya, ikan memiliki insang, tetapi kita juga memiliki permukaan pernapasan di paru-paru kita jadi mengapa kita tidak bisa 'menghirup' air dan mengekstrak oksigen (karena ekstraksi adalah masalah sederhana difusi dari isi paru-paru ke dalam darah).

Rupanya kami menggunakan 550 L O . murni2 per hari. Ini bekerja sebagai sekitar 400 g.

Kelarutan O2 dalam air tawar sekitar 10 mg L-1. Dengan asumsi situasi hipotetis di mana kita bisa menghirup air dan mengekstrak semua O2 dari setiap paru-paru ini berarti kita perlu menghirup 28 L air per menit, dibandingkan dengan 8 L udara yang kita hirup.

Sekarang tentu saja air memiliki kerapatan yang jauh lebih tinggi daripada udara sehingga banyak energi yang akan dikeluarkan untuk memindahkan air sebanyak ini masuk dan keluar dari paru-paru (yang pada gilirannya akan mengharuskan kita untuk mengonsumsi lebih banyak oksigen). Pasangkan ini dengan fakta bahwa secara realistis kita hanya dapat menggunakan sebagian kecil dari O2 larut dalam setiap lungful dan Anda dapat mulai melihat mengapa ini adalah non-starter.

Insang memungkinkan masalah ini sebagian besar dielakkan dengan memiliki aliran air satu arah di atas permukaan pernapasan, yang dalam kasus ikan sering dicapai setidaknya sebagian dengan bergerak melalui air.


Biru di Wajah: Bernapas di Bawah Air

Pernahkah Anda bermimpi tinggal di dasar laut? Hanya ada satu masalah kecil, Anda tidak bisa bernapas di bawah air. Sangat mudah bagi ikan, tetapi bagaimana cara kerja insang? Air tidak memiliki banyak oksigen yang tersedia. Faktanya, ini hanya memakan sekitar 1% dari volume!

Ilmu di balik insang penuh dengan kimia, biologi, dan bahkan sedikit fisika. Selami adaptasi menakjubkan yang digunakan hewan-hewan ini untuk hidup di dunia yang tidak terlalu jauh dari dunia kita. Semuanya akan masuk akal dalam dua kibasan ekor ikan.


Bernapas di bawah air: Bukti kehidupan mikroskopis di kerak samudera

Meskipun lama dianggap tidak memiliki kehidupan, dasar laut dalam sekarang diketahui menyimpan seluruh ekosistem yang penuh dengan mikroba. Para ilmuwan baru-baru ini mendokumentasikan bahwa oksigen menghilang dari air laut yang beredar melalui kerak samudera dalam, langkah pertama yang signifikan dalam memahami cara kehidupan di "biosfer dalam" di bawah dasar laut mampu bertahan dan berkembang. Temuan penelitian baru diterbitkan dalam jurnal Komunikasi Alam pada 27 September 2013, dan membantu mendefinisikan kembali konsep kita tentang batas kehidupan di planet kita.

Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Dr. Beth Orcutt dari Bigelow Laboratory for Ocean Sciences menggunakan JOIDES Resolution, kapal pengeboran ilmiah setinggi 470 kaki yang dioperasikan oleh Integrated Ocean Drilling Program (IODP) internasional, untuk mengambil sampel sedimen berlumpur dan berpasir yang menyelimuti bebatuan di dasar laut, serta mengebor ke dalam batuan kerak yang keras itu sendiri -- dianggap oleh banyak orang sebagai reservoir kehidupan terbesar di Bumi -- untuk memahami bagaimana mikroba dapat "bernapas" dan mendapatkan energi yang diperlukan untuk hidup di lingkungan terpencil ini.

Tim mengukur konsentrasi oksigen dalam inti sedimen yang dikumpulkan di atas kerak samudera berbatu, hampir tiga mil di bawah permukaan laut, di tepi barat Mid-Atlantic Ridge yang terpencil. Pengukuran ini kemudian memungkinkan para peneliti untuk menentukan konsentrasi oksigen dalam air laut yang beredar di bebatuan kerak samudera itu sendiri.

"Model komputer kami menunjukkan bahwa konsentrasi oksigen kerak di wilayah itu kemungkinan besar merupakan hasil dari bentuk kehidupan mikroba yang mengais oksigen di kerak saat air laut bergerak melalui retakan dan retakan jauh di dalam bebatuan," kata Orcutt. "Di bawah kondisi dingin kerak di daerah ini, konsumsi oksigen kimia murni minimal, yang menunjukkan bahwa mikroba di kerak samudera bertanggung jawab untuk menggunakan oksigen yang ada di bawah sana."

“Kita tahu ada cadangan kehidupan yang luas di kerak laut, tetapi kecuali kita mengambil langkah-langkah untuk mengukur metabolismenya, kita tidak akan pernah tahu seberapa luasnya,” kata rekan penulis Dr. Sam Hulme, dari Moss Landing Marine Laboratories.

Rekan penulis makalah lainnya, Dr. Geoff Wheat dari University of Alaska Fairbanks, menunjukkan bahwa komposisi kimia air laut dalam ruang pori di antara butiran sedimen memberikan informasi penting tentang reaksi apa yang terjadi di sana dan seberapa cepat mereka terjadi. "Hasil ini menetapkan panggung untuk eksperimen yang lebih terarah untuk memahami bagaimana mikroba menggunakan oksigen untuk pertumbuhan di tempat dengan sedikit makanan," kata Wheat.

"Salah satu tujuan terbesar dari komunitas penelitian pengeboran laut ilmiah internasional adalah untuk memahami bagaimana kehidupan berfungsi di 'biosfer dalam' yang luas yang terkubur hidup-hidup di bawah dasar laut, tetapi sangat menantang untuk mengakses dan menjelajahi batuan keras yang membentuk dasar dasar laut," tambah Orcutt. "Hasil kami adalah yang pertama untuk mendokumentasikan penghilangan oksigen di lingkungan kerak berbatu - sesuatu yang telah diharapkan tetapi tidak ditampilkan sampai sekarang. Dengan informasi ini, kita dapat mulai mengungkap misteri kompleks kehidupan di bawah dasar laut."

"Mendeteksi kehidupan dengan mengukur oksigen di lingkungan bawah laut dengan aliran air laut yang kuat bukanlah tugas yang mudah," kata Dr. Wolfgang Bach, seorang ilmuwan di Universitas Bremen di Jerman, dan rekan penulis makalah lainnya. "Bayangkan sebuah gugus tugas pendeteksi kehidupan makhluk luar angkasa mendarat di Bumi dengan probe oksigen sebagai satu-satunya alat pendeteksi kehidupan. Jika mereka berakhir di ruang pertemuan berventilasi baik yang diisi dengan delegasi, mereka akan menyimpulkan dari pengukuran yang akan mereka lakukan. bahwa respirasi sangat minim, maka kehidupan berjalan lambat, jika bukan tidak ada. Melakukan pengukuran ini di lingkungan di mana kita berpikir kita mengetahui arah aliran air laut dan mendeteksi gradien oksigen membuat semua perbedaan dalam membuat kesimpulan tentang kehidupan di bawah dasar laut."

"Kehidupan mikroba kecil di Bumi bertanggung jawab atas tugas-tugas besar seperti siklus kimia global. Untuk memahami betapa pentingnya unsur-unsur seperti oksigen -- yang kita semua perlu hirup -- bergerak di sekitar Bumi, kita perlu memahami seberapa cepat ia dikonsumsi di Bumi. akuifer terbesar di Bumi, kerak samudera," kata Orcutt.


TONTON: Rekaman Pertama Kadal yang Bernapas di Bawah Air

Rekaman anole sungai yang baru-baru ini difilmkan di Kosta Rika mengungkapkan bahwa spesies itu — Anolis oxylophus — memiliki kemampuan yang sangat tidak biasa. Anoles menghirup oksigen yang tersimpan saat berada di bawah air, sesuatu yang belum pernah terlihat atau didokumentasikan sebelumnya pada kadal.

Ahli biologi dan pembuat film Neil Losin dan Nate Dappen menangkap perilaku luar biasa ini saat merekam film dokumenter anole-centric "Laws of the Lizard" untuk Smithsonian Channel. Anoles sungai Kosta Rika dikenal menghilang di bawah air selama beberapa menit, tetapi para ilmuwan berpikir bahwa reptil yang sulit ditangkap itu sangat pandai menahan napas. Namun, kebenarannya ternyata jauh lebih aneh, karena Losin dan dappen menemukan perilaku yang sebelumnya tidak diketahui dalam grup. [Gambar: Kadal Eksotis Keluar dari Tanah di Florida]

Selama lebih dari setahun, para pembuat film melakukan perjalanan ke lokasi di seluruh dunia untuk memfilmkan "Laws of the Lizard," yang menceritakan kisah yang sangat kompleks tentang anoles, kelompok kadal yang ditemukan di daerah tropis Amerika. Anoles kecil dan berwarna-warni, dan mereka sama-sama betah di berbagai habitat, dari hutan hujan hingga halaman belakang pinggiran kota.

Meskipun kadal ini mungkin tampak biasa dan tidak menarik, para ilmuwan terpesona oleh makhluk itu, menerbitkan ribuan penelitian tentang anoles selama 50 tahun terakhir, kata Losin kepada Live Science. Dan karena anol diteliti dengan sangat baik, mereka memberi para ilmuwan kesempatan untuk mengajukan pertanyaan yang sangat bernuansa tentang evolusi, biologi, dan perilaku anol, jelas Dappen.

Salah satu pertanyaan penyelaman dalam adalah tentang anole sungai Kosta Rika yang menyelam dan apa yang sebenarnya terjadi setelah mereka melompat ke air, bertahan di sana selama 15 menit. Ahli herpetologi Luke Mahler, asisten profesor ekologi dan biologi evolusioner di University of Toronto, mendesak para pembuat film untuk melihat lebih dekat pada rekaman bawah air mereka ketika mereka memfilmkan anoles, untuk melihat apakah mereka dapat mengidentifikasi petunjuk yang akan menjelaskan apa itu anole sungai. sedang mengerjakan.

Sementara Dappen dan Losin tidak melihat sesuatu yang luar biasa ketika mereka pertama kali meninjau video tersebut, mereka menontonnya lebih dekat setelah mereka kembali ke Amerika Serikat. Saat itulah mereka melihat sesuatu yang luar biasa.

"Kami melihat perilaku bernafas ulang yang belum pernah didokumentasikan atau dijelaskan sebelumnya," kata Losin.

Apa yang mereka amati sangat mencengangkan. Saat anole betina yang tenggelam berjongkok di dasar sungai selama hampir 10 menit, gelembung kecil berulang kali mengembang dan mengecil di bagian atas kepalanya. Kadal itu tampaknya mendaur ulang udaranya, seperti halnya seorang penyelam manusia akan mengambil oksigen dari tangki.

Agaknya, menghirup kembali udara yang tersimpan akan memungkinkan anole sungai untuk tetap berada di bawah air cukup lama sehingga mereka dapat menghindari ancaman di darat, jelas Dappen. Menggambar pada cache udara diketahui terjadi pada beberapa invertebrata, seperti laba-laba lonceng menyelam dan kumbang penyelam, tetapi ini mungkin satu-satunya contoh pernapasan ulang pada hewan darat yang memiliki tulang punggung, kata Losin.

Bagaimana anoles sungai mencapai prestasi ini masih belum pasti, tetapi Mahler dan rekan-rekannya saat ini sedang menyelidiki mekanisme perilaku tersebut, kata Losin kepada Live Science.

"Ini menunjukkan salah satu hal yang sering ditemukan oleh ahli biologi, yaitu bahwa ada begitu banyak yang tidak kita ketahui tentang alam," kata Dappen.

Dengan menampilkan spesies anole ini - dan banyak sepupunya di seluruh Amerika - "Hukum Kadal" dapat membantu pemirsa akhirnya memahami mengapa para ilmuwan berpikir kadal ini begitu istimewa.

"Saya ingin orang-orang keluar dari film melihat bahwa bahkan makhluk yang paling tampak biasa di halaman belakang mereka dapat menjadi sumber pengetahuan ilmiah - jika seseorang hanya meluangkan waktu untuk melihat," kata Losin.


4 Jawaban 4

Anda tidak membutuhkan manusia hasil rekayasa genetika, manusia normal sudah cukup.

Tekanan selain paru-paru tidak menjadi masalah bagi manusia karena tubuh kita dipenuhi dengan cairan yang hanya sangat sedikit kompresibel dan tekanan tidak mempengaruhi fungsi yang tepat. Tulang kita padat, tetapi karena tekanan datang dari semua sisi, tulang juga tidak patah atau rusak.

Jadi, isi paru-paru dengan cairan yang dapat bernapas dan manusia dapat menahan tekanan ekstrem.

Sedangkan film jurang maut menggambarkan ide, banyak orang berpikir itu adalah fiksi ilmiah. Tidak, cairan bernapas seperti perfluorocarbon yang ada dan dapat benar-benar digunakan untuk tujuan ini.

Jadi, yang Anda butuhkan adalah peralatan menyelam yang dalam.

Manusia menyiapkan peralatan. Dia bernafas atau mendapat suntikan yang membuatnya tidak sadarkan diri (Anda bisa melakukan ini secara sadar, tetapi itu akan menjadi siksaan). Kemudian roda gigi mengisi paru-paru secara perlahan dengan cairan yang dapat bernapas dan roda gigi memasukkan tabung yang dapat dilipat ke dalam trakea/paru-paru.

Tabung-tabung itu berfungsi sebagai penguat untuk bernafas. Masalahnya adalah bahwa manusia tidak dapat bernapas cukup dalam untuk mengedarkan cairan, sehingga roda gigi mencatat pernapasan Anda dan tabung memperkuat pernapasan untuk mencampur cairan yang sesuai dan mengisinya dengan oksigen. Oleh karena itu, pernapasan hanya dibatasi oleh jumlah oksigen. Dengan baterai nuklir dan oleh karena itu energi esensial tak terbatas, oksigen yang diperlukan dapat diproduksi oleh air laut dan memungkinkan akses tak terbatas.

Setelah menyelam, manusia tidak sadarkan diri lagi, ia dibaringkan dengan kepala di atas tandu untuk memompa keluar cairan, roda gigi memompa cairan ke luar, ambruk dan memendek sendiri dan dapat dikeluarkan. Tugas selesai.

Beberapa komentar atas kritik dari Arno Germond: Semua poin kecuali High Pressure Nervous Syndrome (HPNS) tidak ada hubungannya dengan pernapasan cair, hanya dengan pernapasan gas normal dan karena itu secara harfiah tidak ada gunanya. Untuk memungkinkan bernapas, gas harus memiliki tekanan yang sama dengan air luar dan karena oksigen menjadi beracun dengan terlalu banyak tekanan parsial, satu-satunya komponen oksigen yang diperlukan perlu diganti dengan nitrogen, hidrogen atau helium. Gas ini larut dalam aliran darah/cairan tubuh dan menyebabkan fenomena yang tidak menyenangkan seperti penyakit dekompresi ketika gelembung keluar di bawah tekanan rendah.

Fenomena ini tidak muncul dalam cairan pernapasan karena tidak ada gas lain selain oksigen yang dibutuhkan. HPNS dipicu oleh tekanan, tetapi dapat dilawan dengan gas narkotika (Anda dapat menggunakan hidrogen sebagai komponen kedua atau menciptakan zat penstabil baru yang menyesuaikan saraf dengan tekanan tinggi). Jika penyelam muncul, tidak ada gas beracun lain dalam aliran darah dan karena itu tidak ada efek dekompresi.

Telinga tengah dan wadah udara lainnya (sinus paranasal) juga harus diisi dengan cairan melalui Tuba Eustachius dan lubang sinus. Perfluorocarbon tidak beracun dan telinga tengah mampu mengeluarkan cairan dari telinga. Dalam hal ini tidak ada masalah dengan gendang telinga yang pecah.

Saya bukan seorang dokter, tetapi saya tidak mengetahui "akumulasi racun" atau "tekanan tinggi menghambat fungsi sel yang tepat". Sel tidak menyusut (pengurangan volume hampir dapat diabaikan untuk cairan dan padatan) dan tekanan tinggi tidak mengubah laju reaksi untuk padatan dan cairan (!).

Memang, akan ada kemungkinan efek negatif yang tidak diketahui yang akan terjadi di kedalaman lebih dari 1 km pada kenyataannya, tetapi selama tidak diketahui, Anda dapat mengabaikannya demi cerita yang Anda tulis.


Kadal ini menggunakan 'peralatan selam' bawaan untuk bernapas di bawah air

Anoles semi-akuatik dapat bertahan di bawah air selama hampir 20 menit untuk menghindari pemangsa.

/>Anoles memiliki bentuk 'peralatan selam' mereka sendiri, gelembung di hidung yang memungkinkan mereka untuk tetap bernapas di bawah air. Lindsey Swierk

Dihadapkan dengan ancaman pemangsa, anoles semi-akuatik—sejenis kadal asli Amerika—akan melompat dengan percaya diri, melontarkan diri dari batu dan menyelam ke dalam air. Di sana, di dasar sungai yang berarus cepat, mereka dapat tetap terendam hingga 18 menit, menunggu sampai aman untuk merangkak kembali ke darat.

Tapi bagaimana kadal, yang paru-parunya dikembangkan untuk mendapatkan udara yang baik, bisa menahan napas begitu lama? Yah tampaknya mereka tidak harus melakukannya. Menurut sebuah studi baru-baru ini yang dilakukan oleh ahli biologi evolusioner di University of Toronto, reptil yang menyukai air ini menggunakan bentuk peneliti scuba diving mereka sendiri yang dengan tepat disebut "rebreathing." Sebelumnya, ahli ekologi hanya mengamati teknik ini pada artropoda seperti laba-laba dan serangga.

Studi yang diterbitkan bulan ini di Biologi Saat Ini, anoles yang ditemukan memiliki kemampuan unik untuk bernapas di bawah air berkat gelembung udara yang berada di atas moncongnya. Dengan setiap menghirup dan menghembuskan napas, gelembung udara mengembang dan berkontraksi, seperti balon yang berdenyut. Hal ini memungkinkan kadal untuk menyedot oksigen yang sangat dibutuhkan.

Melalui pengamatan, para ilmuwan menemukan segera setelah kulit kadal menyentuh air, lapisan submilimeter udara melapisi tubuhnya, memungkinkan mereka untuk menjebak oksigen. Mereka menyebut ini sebagai "lapisan quicksilver."

Luke Mahler, asisten profesor di departemen ekologi dan biologi evolusioner di Universitas Toronto yang labnya memimpin proyek tersebut, mengatakan bahwa dia pertama kali melihat fenomena ini secara kebetulan saat melakukan perjalanan tahun 2009 ke Haiti.

Di sana, di pegunungan utara pulau yang terpencil, ada spesies anole yang terancam punah yang disebut Anolis eugenegrahami. Mahler, yang sedang mempelajari subkelompok langka, terjadi saat bernapas ulang ketika dia dengan lembut melemparkan spesimen kembali ke bagian sungai yang jernih dan dangkal.

Maju cepat ke 2016, dan seorang muridnya saat itu, Chris Boccia—peneliti utama proyek tersebut—melakukan perjalanan ke Kosta Rika untuk mengamati kerabat jauh kadal Haiti. Mahler memintanya untuk mewaspadai tanda-tanda pernapasan ulang. Benar saja, ketika dicelupkan ke dalam air, Boccia melihat rekannya yang berkaki empat menggunakan reservoir udara untuk tetap terendam.

Untuk membuktikan setetes udara yang bertengger berbahaya membantu kadal bernafas, para peneliti harus menunjukkan saturasi oksigen gelembung yang berkurang seiring waktu. Untuk melakukan ini, mereka dengan hati-hati menggendong anol yang ditangkap dengan tangan dan dengan lembut merendamnya dalam tangki air. Kemudian, mereka mengarahkan probe khusus ke pusat gelembung udara untuk mengukur saturasi oksigen.

"Ini adalah saat memiliki pengalaman dengan sekelompok organisme sangat berguna," kata Mahler. Dia telah mempelajari anoles selama lebih dari 10 tahun. “Anda tidak akan berpikir Anda hanya bisa mengambil satu dan membuangnya ke dalam ember, tetapi jika Anda menanganinya dengan santai, mereka akan merasa nyaman.”

Salah satu penemuan yang paling mengejutkan dari proyek ini adalah bahwa rebreathing tidak khas pada reptilian yang menyelam—itu bersifat universal di semua anoles yang diamati oleh penelitian, termasuk spesies yang tidak ditemukan di dekat sungai, dan mereka yang endemik di Kolombia, Meksiko, Republik Dominika, Jamaika, Ekuador, dan Kosta Rika.

Namun, kadal yang terikat di darat tidak begitu terampil dalam hal bernapas ulang. Ini menunjukkan sifat itu muncul dalam populasi leluhur untuk beberapa kegunaan lain, kata Mahler, tetapi kemudian disesuaikan dan dispesialisasikan untuk mereka yang tinggal di tepi sungai kecil.

“Lapisan udara [quicksilver] yang kami pikir mungkin muncul untuk beberapa tujuan lain yang tidak terkait dengan menyelam, tetapi sekarang telah memberi [spesies semi-akuatik] kemampuan untuk membesar-besarkan mekanisme rebreathing ini menjadi sesuatu yang sangat berguna,” kata Mahler, yang percaya studi berbasis lapangan seperti ini sangat penting dalam mengungkap petunjuk tentang bagaimana evolusi adaptif bekerja.

Penemuan ini tidak hanya memberikan wawasan ahli biologi tentang bagaimana evolusi beroperasi, tetapi mungkin menawarkan beberapa potensi untuk aplikasi masa depan, kata Mahler. Mempelajari lebih banyak tentang sifat permukaan kulit vertebrata yang bernapas di bawah air ini, misalnya, dapat menghasilkan bahan atau film hidrofobik baru.

Tapi itu bertahun-tahun lagi. Langkah selanjutnya bagi Mahler adalah memahami apa yang menyebabkan sisik slinky anoles menolak air. Dia pikir itu mungkin ada hubungannya dengan struktur mereka, tetapi mungkin ada penjelasan kimia.

“Bawa pulang terbesar adalah ini adalah inovasi yang cukup keren yang telah dibuat oleh vertebrata yang tidak terlalu dihargai sebelumnya,” kata Mahler.

Grace Wade adalah editor rekanan di orang dalamtim referensi kesehatan dan kontributor untuk Ilmu pengetahuan populer. Karyanya mencakup berbagai topik sains dan kesehatan termasuk nutrisi, kesenjangan kesehatan masyarakat, kesehatan mental, dan biologi. Grace menyandang gelar ganda dalam bidang jurnalisme dan sains dalam budaya manusia dari Northwestern University dengan konsentrasi di bidang lingkungan, sains, dan masyarakat. Hubungi penulis di sini.


2 pemikiran tentang &ldquo Bernapas di Bawah Air &rdquo

Saya punya pertanyaan tentang tekanan atmosfer. Sebagai seorang veteran 30 tahun penyelaman komersial, saya hanya tahu bagaimana gas berperilaku ketika tertutup dalam kapal yang cukup kecil, kapal kecil ini selalu memiliki tekanan yang sama di setiap titik di dalamnya. Bisakah pengamatan ini diterapkan pada skala planet?
Anda lihat, saya mencoba untuk membuktikan kepada beberapa kepala adonan bumi datar bahwa tidak ada kubah di atas kita karena atmosfer harus tetap pada tekanan konstan jika kubah (disegel) terlepas dari ketinggian….Apakah pemikiran saya masuk akal?


Bernapas di bawah air - Biologi

Pernafasan

Pernapasan adalah pertukaran gas, mengambil oksigen dari lingkungan dan mengeluarkan karbon dioksida.

Semua katak memulai kehidupan sebagai berudu air, bernapas di bawah air melalui insang internal dan kulitnya. Kemudian kemudian sebagian besar berkembang menjadi hewan darat dengan paru-paru untuk menghirup udara. Namun dalam semua tahap pernapasan dikendalikan dengan mengendurkan tenggorokan. Kebanyakan katak kehilangan insangnya ketika mereka bermetaorphise.

Katak bernafas dengan mulut tertutup. Gerakan tenggorokan mereka menarik udara melalui lubang hidung ke paru-paru. Kemudian hembuskan napas dengan kontraksi tubuh.

Aktivitas dan suhu hewan menentukan betapa pentingnya pernapasan. Anuran memiliki paru-paru yang jauh lebih kompleks daripada amfibi lainnya, seperti salamander, karena mereka lebih aktif dan memiliki suhu tubuh yang lebih tinggi.

Paru-paru juga dapat membantu dalam air. Mengisi paru-paru dengan udara memberi katak daya apung yang lebih baik, membuatnya lebih mudah mengapung.

Katak juga dapat bernapas melalui kulitnya, dengan pembuluh darah kecil, kapiler, di bawah lapisan kulit luar. Katak 'Berbulu' Afrika, Trichobatrachus robustus, memiliki paru-paru kecil dan selama musim kawin, jantan mendapatkan rambut seperti tonjolan di kaki belakang mereka. Hal ini dikarenakan kebutuhan oksigen yang tinggi saat ini.


Isi

Saat seseorang bernafas, tubuh mengkonsumsi oksigen dan menghasilkan karbon dioksida. Metabolisme dasar membutuhkan sekitar 0,25 L/menit oksigen dari laju pernapasan sekitar 6 L/menit, dan orang yang bugar yang bekerja keras dapat melakukan ventilasi dengan kecepatan 95 L/menit tetapi hanya akan memetabolisme sekitar 4 L/menit oksigen [1 ] Oksigen yang dimetabolisme umumnya sekitar 4% sampai 5% dari volume inspirasi pada tekanan atmosfer normal, atau sekitar 20% dari oksigen yang tersedia di udara pada permukaan laut. Udara yang dihembuskan di permukaan laut mengandung sekitar 13,5% hingga 16% oksigen. [2]

Situasinya bahkan lebih boros oksigen ketika fraksi oksigen dari gas pernapasan lebih tinggi, dan dalam penyelaman bawah air, kompresi gas pernapasan karena kedalaman membuat resirkulasi gas yang dihembuskan bahkan lebih diinginkan, sebagai proporsi sirkuit terbuka yang lebih besar. gas terbuang sia-sia. Pernapasan ulang terus menerus dari gas yang sama akan menguras oksigen ke tingkat yang tidak lagi mendukung kesadaran, dan akhirnya kehidupan, sehingga gas yang mengandung oksigen harus ditambahkan ke gas pernapasan untuk mempertahankan konsentrasi oksigen yang dibutuhkan. [3]

Namun, jika ini dilakukan tanpa menghilangkan karbon dioksida, itu akan dengan cepat menumpuk di gas daur ulang, mengakibatkan gangguan pernapasan ringan, dan dengan cepat berkembang menjadi tahap lebih lanjut dari hiperkapnia, atau toksisitas karbon dioksida. Tingkat ventilasi yang tinggi biasanya diperlukan untuk menghilangkan produk metabolisme karbon dioksida (CO .).2). Refleks pernapasan dipicu oleh CO2 konsentrasi dalam darah, bukan oleh konsentrasi oksigen, bahkan penumpukan kecil CO2 dalam gas yang dihirup dengan cepat menjadi tidak dapat ditoleransi jika seseorang mencoba untuk langsung menghirup kembali gas pernapasan yang mereka hembuskan, mereka akan segera merasakan rasa mati lemas yang akut, sehingga rebreathers harus menghilangkan CO secara kimiawi2 dalam komponen yang dikenal sebagai scrubber karbon dioksida. [3]

Dengan menambahkan oksigen yang cukup untuk mengkompensasi penggunaan metabolisme, menghilangkan karbon dioksida, dan menghirup kembali gas, sebagian besar volume dipertahankan. [3]

Efek dari berbagai tingkat tekanan parsial oksigen [1]
PO2
(batang)
Aplikasi dan efek
<0.08 Koma akhirnya menyebabkan kematian
0.08-0.10 Ketidaksadaran pada kebanyakan orang
0.09-0.10 Tanda/gejala serius hipoksia
0.14-0.16 Tanda/gejala awal hipoksia (oksigen lingkungan normal di beberapa daerah ketinggian yang sangat tinggi)
0.21 Oksigen lingkungan normal (udara permukaan laut)
0.35–0.40 Penyelaman saturasi normal PO2 tingkat
0.50 Ambang batas untuk efek seluruh tubuh eksposur menyelam saturasi maksimum
1.0–1.20 Rentang umum untuk titik setel sirkuit tertutup rekreasi
1.40 Batas yang disarankan untuk sektor bawah sirkuit terbuka rekreasi
1.60 Batas NOAA untuk paparan maksimum untuk penyelam yang bekerja
Batas rekreasi/teknis untuk dekompresi
2.20 Komersial/militer dekompresi permukaan ruang "Sur-D" pada 100% O2 pada 12 msw
2.40 40% O2 gas perawatan rekompresi nitrox untuk digunakan di ruang pada 50 msw (meter air laut)
2.80 100% O2 gas perawatan rekompresi untuk digunakan di ruang pada 18 msw
3.00 50% O2 gas perawatan rekompresi nitrox untuk digunakan di ruang pada 50 msw

Sejarah awal Sunting

Sekitar tahun 1620, di Inggris, Cornelius Drebbel membuat kapal selam bertenaga dayung awal. Untuk kembali mengoksigenasi udara di dalamnya, ia kemungkinan menghasilkan oksigen dengan memanaskan sendawa (kalium nitrat) dalam panci logam untuk memancarkan oksigen. Pemanasan mengubah sendawa menjadi kalium oksida atau hidroksida, yang menyerap karbon dioksida dari udara. Itu mungkin menjelaskan mengapa anak buah Drebbel tidak terpengaruh oleh penumpukan karbon dioksida sebanyak yang diharapkan. Jika demikian, dia secara tidak sengaja membuat rebreather mentah lebih dari dua abad sebelum paten Saint Simon Sicard. [5] [ kutipan diperlukan ]

Rebreather dasar pertama berdasarkan penyerapan karbon dioksida dipatenkan di Prancis pada tahun 1808 oleh Pierre-Marie Touboulic [fr] dari Brest, seorang mekanik di Angkatan Laut Kekaisaran Napoleon. Desain rebreather awal ini bekerja dengan reservoir oksigen, oksigen dikirim secara bertahap oleh penyelam dan bersirkulasi dalam sirkuit tertutup melalui spons yang direndam dalam air kapur. [6] Touboulic menyebut penemuannya Ichtioandre (Yunani untuk 'manusia ikan'). [7] [ kutipan diperlukan ] Tidak ada bukti prototipe telah diproduksi.

Sebuah prototipe rebreather dibangun pada tahun 1849 oleh Pierre Aimable De Saint Simon Sicard, [8] dan pada tahun 1853 oleh Profesor T. Schwann di Belgia. [9] Itu memiliki tangki oksigen besar yang dipasang di belakang dengan tekanan kerja sekitar 13,3 bar, dan dua scrubber berisi spons yang direndam dalam larutan soda kaustik.

Rebreathers modern Sunting

Scuba sirkuit tertutup praktis komersial pertama dirancang dan dibangun oleh insinyur selam Henry Fleuss pada tahun 1878, saat bekerja untuk Siebe Gorman di London. [10] [11] Alat bantu pernapasannya terdiri dari masker karet yang dihubungkan ke kantong pernapasan, dengan (diperkirakan) 50–60% O2 dipasok dari tangki tembaga dan CO2 digosok dengan benang tali yang direndam dalam larutan caustic potash sistem memberikan durasi sekitar tiga jam. [11] [12] Fleuss menguji perangkatnya pada tahun 1879 dengan menghabiskan satu jam terendam dalam tangki air, kemudian satu minggu kemudian dengan menyelam hingga kedalaman 5,5 m di perairan terbuka, pada saat itu ia terluka ringan ketika asistennya tiba-tiba menarik dia ke permukaan.

Peralatannya pertama kali digunakan dalam kondisi operasional pada tahun 1880 oleh Alexander Lambert, penyelam utama pada proyek konstruksi Terowongan Severn, yang mampu melakukan perjalanan 1000 kaki dalam kegelapan untuk menutup beberapa pintu air di terowongan yang telah mengalahkan upaya terbaiknya dengan pakaian selam standar karena bahaya selang pasokan udara menjadi kotor pada puing-puing yang terendam, dan arus air yang kuat di tempat kerja. [11]

Fleuss terus meningkatkan peralatannya, menambahkan pengatur permintaan dan tangki yang mampu menampung lebih banyak oksigen pada tekanan yang lebih tinggi. Sir Robert Davis, kepala Siebe Gorman, meningkatkan rebreather oksigen pada tahun 1910 [11] [12] dengan penemuannya Davis Submerged Escape Apparatus, rebreather praktis pertama yang dibuat dalam jumlah banyak. Sementara dimaksudkan terutama sebagai alat pelarian darurat untuk awak kapal selam, itu segera juga digunakan untuk menyelam, menjadi alat menyelam air dangkal yang berguna dengan daya tahan tiga puluh menit, [12] dan sebagai perangkat pernapasan industri.

Rig terdiri dari kantong pernapasan / daya apung karet yang berisi tabung barium hidroksida untuk menggosok CO . yang dihembuskan2 dan, di dalam saku di ujung bawah tas, sebuah silinder tekanan baja menampung sekitar 56 liter oksigen pada tekanan 120 bar. Silinder dilengkapi dengan katup kontrol dan terhubung ke kantong pernapasan. Membuka katup silinder memasukkan oksigen ke dalam kantong dan mengisinya dengan tekanan air di sekitarnya. Rig juga menyertakan tas apung darurat di bagian depan untuk membantu pemakainya tetap mengapung. DSEA diadopsi oleh Royal Navy setelah pengembangan lebih lanjut oleh Davis pada tahun 1927. [13] Berbagai rebreathers oksigen industri seperti Siebe Gorman Salvus dan Siebe Gorman Proto, keduanya ditemukan pada awal 1900-an, berasal darinya.

Profesor Georges Jaubert menemukan senyawa kimia Oxylithe pada tahun 1907. Itu adalah bentuk natrium peroksida (Na2HAI2) atau natrium superoksida (NaO2). Saat menyerap karbon dioksida dalam scrubber rebreather, ia memancarkan oksigen. Senyawa ini pertama kali dimasukkan ke dalam desain rebreather oleh Kapten SS Hall dan Dr. O. Rees dari Angkatan Laut Kerajaan pada tahun 1909. Meskipun dimaksudkan untuk digunakan sebagai peralatan pelarian kapal selam, itu tidak pernah diterima oleh Angkatan Laut Kerajaan dan malah digunakan untuk kapal dangkal. menyelam air. [12]

Pada tahun 1912, perusahaan Jerman Dräger memulai produksi massal pakaian selam standar versi mereka sendiri dengan pasokan udara dari rebreather. Peralatan tersebut telah ditemukan beberapa tahun sebelumnya oleh Hermann Stelzner, seorang insinyur di perusahaan Dräger, [14] untuk penyelamatan ranjau. [15]

Rebreathers selama Perang Dunia II Sunting

Pada 1930-an, spearfisher olahraga Italia mulai menggunakan rebreather Davis, produsen Italia menerima lisensi dari pemegang paten Inggris untuk memproduksinya. Praktik ini segera menjadi perhatian Angkatan Laut Italia, yang mengembangkan model yang ditingkatkan secara ekstensif yang dirancang oleh Teseo Tesei dan Angelo Belloni yang digunakan oleh unit manusia kataknya Decima Flottiglia MAS dengan hasil yang baik selama Perang Dunia II. [12]

Selama Perang Dunia Kedua, rebreathers katak Italia yang ditangkap memengaruhi desain yang lebih baik untuk rebreathers Inggris. [12] Banyak perangkat pernapasan manusia katak Inggris menggunakan tabung oksigen pernapasan awak pesawat yang diselamatkan dari pesawat Luftwaffe Jerman yang ditembak jatuh. Yang paling awal dari perangkat pernapasan ini mungkin telah dimodifikasi Davis Submerged Escape Apparatus masker wajah penuh mereka adalah jenis yang ditujukan untuk Siebe Gorman Salvus, tetapi dalam operasi selanjutnya desain yang berbeda digunakan, yang mengarah ke masker wajah penuh dengan satu jendela wajah besar, pada awalnya berbentuk lingkaran. atau oval dan kemudian persegi panjang (kebanyakan datar, tetapi sisi-sisinya melengkung ke belakang untuk memungkinkan penglihatan yang lebih baik ke samping). Rebreathers katak Inggris awal memiliki counterlung persegi panjang di dada seperti rebreathers katak Italia, tetapi desain kemudian memiliki reses persegi di bagian atas counterlung sehingga bisa memanjang lebih jauh ke arah bahu. Di depan mereka memiliki kerah karet yang dijepit di sekitar tabung penyerap. [12] Beberapa penyelam angkatan bersenjata Inggris menggunakan pakaian selam tebal besar yang disebut pakaian Sladen. Salah satu versinya memiliki pelat muka tunggal flip-up untuk kedua mata agar pengguna dapat mengarahkan teropong ke matanya saat berada di permukaan.

Rebreather Dräger, terutama seri model DM20 dan DM40, digunakan oleh penyelam helm Jerman dan manusia katak Jerman selama Perang Dunia II. Rebreathers untuk Angkatan Laut AS dikembangkan oleh Dr. Christian J. Lambertsen untuk peperangan bawah air. [16] [17] Lambertsen mengadakan kursus rebreather oksigen sirkuit tertutup pertama di Amerika Serikat untuk unit maritim Kantor Layanan Strategis di Akademi Angkatan Laut pada 17 Mei 1943. [17] [18]

Sunting Pasca-Perang Dunia II

Perintis penyelaman Hans Hass menggunakan rebreathers oksigen Dräger pada awal 1940-an untuk sinematografi bawah air.

Karena pentingnya rebreather militer, banyak ditunjukkan selama kampanye angkatan laut Perang Dunia Kedua, sebagian besar pemerintah enggan untuk mengeluarkan teknologi ke domain publik. Di Inggris penggunaan rebreather untuk warga sipil dapat diabaikan – BSAC bahkan secara resmi melarang penggunaan rebreather oleh anggotanya. Perusahaan Italia Pirelli dan Cressi-Sub pada awalnya masing-masing menjual model rebreather olahraga menyelam, tetapi setelah beberapa saat menghentikan model tersebut. Beberapa rebreathers buatan sendiri digunakan oleh penyelam gua untuk menembus bah gua.

Sebagian besar pendaki gunung menggunakan peralatan oksigen sirkuit terbuka. Ekspedisi Everest tahun 1953 menggunakan peralatan oksigen sirkuit tertutup dan sirkuit terbuka: lihat oksigen dalam kemasan.

With the end of the Cold War and the subsequent collapse of the Communist Bloc, the perceived risk of attack by combat divers dwindled. Western armed forces had less reason to requisition civilian rebreather patents, and automatic and semi-automatic recreational diving rebreathers started to appear.

Rebreathers can be primarily categorised as diving rebreathers, intended for hyperbaric use, and other rebreathers used at pressures from slightly more than normal atmospheric pressure at sea level to significantly lower ambient pressure at high altitudes and in space. Diving rebreathers must often deal with the complications of avoiding hyperbaric oxygen toxicity, while normobaric and hypobaric applications can use the relatively trivially simple oxygen rebreather technology, where there is no requirement to monitor oxygen partial pressure during use providing the ambient pressure is sufficient.

Oxygen rebreathers Edit

  • 1 Dive/surface valve
  • 2 Two way breathing hose
  • 3 Scrubber (radial flow)
  • 4 Counterlung
  • 5 Automatic make-up valve
  • 6 Manual bypass valve
  • 7 Breathing gas storage cylinder
  • 8 Cylinder valve
  • 9 Regulator first stage
  • 10 Submersible pressure gauge
  • 11 Overpressure valve
  • 1 Dive/surface valve with loop non return valves
  • 2 Exhaust hose
  • 3 Scrubber (axial flow)
  • 4 Counterlung
  • 5 Overpressure valve
  • 6 Inhalation hose
  • 7 Breathing gas storage cylinder
  • 8 Cylinder valve
  • 9 Regulator first stage
  • 10 Submersible pressure gauge
  • 11 Automatic make-up valve
  • 12 Manual bypass valve

This is the earliest type of rebreather and was commonly used by navies and for mining rescue from the early twentieth century. Oxygen rebreathers can be remarkably simple designs, and they were invented before open-circuit scuba. They only supply oxygen, so there is no requirement to control the gas mixture other than removing the carbon dioxide. [19]

Oxygen feed options Edit

In some rebreathers, e.g. the Siebe Gorman Salvus, the oxygen cylinder has oxygen supply mechanisms in parallel. One is constant flow the other is a manual on-off valve called a bypass valve both feed into the same hose which feeds the counterlung. [11] In the Salvus there is no second stage and the gas is turned on and off at the cylinder.

Others such as the USN Mk25 UBA are supplied via a demand valve on the counterlung. This will add gas at any time that the counterlung is emptied and the diver continues to inhale. Oxygen can also be added manually by a button which activates the demand valve. [20]

Some simple oxygen rebreathers had no automatic supply system, but only the manual feed valve, and the diver had to operate the valve at intervals to refill the breathing bag as the volume of oxygen decreased below a comfortable level.

Mixed gas rebreathers Edit

All rebreathers other than oxygen rebreathers may be considered mixed gas rebreathers, as the breathing gas is a mixture of oxygen and metabolically inactive diluent gas. These can be divided into semi-closed circuit, where the supply gas is a breathable mixture containing oxygen and inert diluents, usually nitrogen and helium, and which is replenished by adding more of the mixture as the oxygen is used up, sufficient to maintain a breathable partial pressure of oxygen in the loop, and closed circuit rebreathers, where two parallel gas supplies are used: the diluent, to provide the bulk of the gas, and which is recycled, and oxygen, which is metabolically expended. Carbon dioxide is considered a waste product, and in a correctly functioning rebreather, is effectively removed when the gas passes through the scrubber.

Semi-closed circuit rebreathers Edit

SCRs are almost exclusively used for underwater diving, as they are bulkier, heavier, and more complex than closed circuit oxygen rebreathers, and applications at bear and sub-atmospheric pressures do not require the oxygen to be dilated to avoid acute toxicity. Military and recreational divers use these because they provide better underwater duration than open circuit, have a deeper maximum operating depth than oxygen rebreathers and can be fairly simple and cheap. They do not rely on electronics for control of gas composition, but may use electronic monitoring for improved safety and more efficient decompression. An alternative term for this technology is "gas extender".

Semi-closed circuit equipment generally supplies one breathing gas such as nitrox or trimix at a time. The gas is injected into the loop at a rate to replenish oxygen consumed from the loop by the diver. Excess gas must be vented from the loop as necessary to make space for fresh, oxygen-rich gas. As some oxygen remains in the vented gas, semi-closed circuit is wasteful of both oxygen and inert components. [21]

A gas mix which has a maximum operating depth that is safe for the depth of the dive being planned, and which will provide a breathable mixture at the surface must be used, or it will be necessary to change mixtures during the dive. As the amount of oxygen required by the diver increases with work rate, the gas injection rate must be carefully chosen and controlled to prevent unconsciousness in the diver due to hypoxia. [22] A higher gas addition rate reduces the likelihood of hypoxia and provides a more stable loop gas composition, but wastes more gas.

Passive addition semi-closed circuit Edit

This type of rebreather works on the principle of adding fresh gas to compensate for reduced volume in the breathing circuit. A portion of the respired gas is discharged that is in some way proportional to usage. Generally it is a fixed volumetric fraction of the respiratory flow, but more complex systems have been developed which exhaust a close approximation of a ratio to the surface respiratory flow rate. These are described as depth compensated or partially depth compensated systems. Gas addition is triggered by low counterlung volume.

Active addition semi-closed circuit Edit

An active addition system adds feed gas to the breathing circuit and excess gas is dumped to the environment via an over-pressure valve. These rebreathers tend to operate near maximum volume.

The most common system of active addition of make-up gas in semi-closed rebreathers is by use of a constant mass flow injector, also known as choked flow. This is easily achieved by using a sonic orifice, as provided the pressure drop over the orifice is sufficient to ensure sonic flow, the mass flow for a specific gas will be independent of the downstream pressure. [23] The mass flow through a sonic orifice is a function of the upstream pressure and the gas mixture, so the upstream pressure must remain constant for the working depth range of the rebreather to provide a reliably predictable mixture in the breathing circuit, and a modified regulator is used which is not affected by changes in ambient pressure. Gas addition is independent of oxygen use, and the gas fraction in the loop is strongly dependent on exertion of the diver – it is possible to dangerously deplete the oxygen by excessive physical exertion.

Demand controlled gas addition Edit

The principle of operation is to add a mass of oxygen that is proportional to the volume of each breath. This approach is based on the assumption that the volumetric breathing rate of a diver is directly proportional to metabolic oxygen consumption as a proxy for carbon dioxide production, which experimental evidence indicates is close enough to work within reasonable tolerances. [24]

Closed circuit mixed gas rebreathers Edit

Closed circuit rebreathers (CCR) allow long dives and produce no bubbles most of the time. [25] Closed circuit rebreathers supply two breathing gases to the loop: one is pure oxygen and the other is a diluent gas such as air, nitrox, heliox or trimix.

A major function of the closed circuit rebreather is to control the oxygen partial pressure in the loop and to warn the diver if it becomes dangerously low or high. Too low a concentration of oxygen results in hypoxia leading to unconsciousness and ultimately death. Too high a concentration of oxygen results in hyperoxia, leading to oxygen toxicity, a condition causing convulsions which can make the diver lose the mouthpiece when they occur underwater, and can lead to drowning. The gas mixture is controlled by the diver in manually controlled closed circuit rebreathers by adding diluent gas or oxygen. Adding diluent can prevent the loop gas mixture becoming too oxygen rich, and adding oxygen increases oxygen concentration.

In fully automatic closed-circuit systems, an electronically controlled solenoid valve injects oxygen into the loop when the control system detects that the partial pressure of oxygen in the loop has fallen below the required level. Electronically controlled CCRs can be switched to manual control in the event of some control system failures. Addition of gas to compensate for compression during descent is usually done by an automatic diluent valve.

Rebreathers using an absorbent that releases oxygen Edit

There have been a few rebreather designs (e.g. the Oxylite) which use potassium superoxide, which gives off oxygen as it absorbs carbon dioxide, as the carbon dioxide absorbent: 4KO2 + 2CO2 = 2K2BERSAMA3 + 3O2. A small volume oxygen cylinder is needed to fill and purge the loop at the start of the dive. [26] This technology may be applied to both oxygen and mixed gas rebreathers, and can be used for diving and other applications.

Rebreathers which use liquid oxygen Edit

A liquid oxygen supply can be used for oxygen or mixed gas rebreathers. If used underwater, the liquid-oxygen container must be well insulated against heat transfer from the water. Industrial sets of this type may not be suitable for diving, and diving sets of this type may not be suitable for use out of water due to conflicting heat transfer requirements. The set's liquid oxygen tank must be filled immediately before use. Examples of the type include:

Cryogenic rebreather Edit

A cryogenic rebreather removes the carbon dioxide by freezing it out in a "snow box" by the low temperature produced as liquid oxygen evaporates to replace the oxygen used.

    – as a self-contained breathing apparatus, where it is sometimes known as "closed circuit scuba" as opposed to "open circuit scuba" where the diver exhales breathing gas into the surrounding water. [28]Surface-supplied diving equipment may incorporate rebreather technology either as a gas reclaim system, where the surface-supplied breathing gas is returned and scrubbed at the surface, or as a gas extender carried by the diver. [29][30] Rebreathers may also be used as self-contained diver bailout systems for either scuba or surface-supplied diving. [31] and other industrial applications – where poisonous gases may be present or oxygen may be absent.
  • Crewed spacecraft and space suits – outer space is, effectively, a vacuum without oxygen to support life.
  • Hospital anaesthesia breathing systems – to supply controlled concentrations of anaesthetic gases to patients without contaminating the air that the staff breathe. . High altitude reduces the partial pressure of oxygen in the ambient air, which reduces the ability of the climber to function effectively. Mountaineering rebreathers are closed-circuit oxygen sets that provide a higher partial pressure of oxygen to the climber than the ambient air. of submarines, underwater habitats, and saturation diving systems use a scrubber system working on the same principles as a rebreather. , where personnel may be required to operate in an atmosphere immediately dangerous to life and health for longer periods than open-circuit Self-contained breathing apparatus (SCBA) can provide air.

This may be compared with some applications of open-circuit breathing apparatus:

  • The oxygen enrichment systems primarily used by medical patients, high altitude mountaineers and commercial aircraft emergency systems, in which the user breathes ambient air which is enriched by the addition of pure oxygen,
  • Open circuit breathing apparatus used by firefighters, underwater divers and some mountaineers, which supplies fresh gas for each breath, which is then discharged into the environment.
  • Gas masks and respirators which filter contaminants from ambient air which is then breathed.

Diving rebreathers Edit

The widest variety of rebreather types is used in diving, as the consequences of breathing under pressure complicate the requirements, and a large range of options are available depending on the specific application and available budget. A diving rebreather is safety-critical life-support equipment – some modes of failure can kill the diver without warning, others can require immediate appropriate response for survival.

Surface supplied diving gas reclaim systems Edit

A helium reclaim system (or push-pull system) is used to recover helium based breathing gas after use by the diver when this is more economical than losing it to the environment in open circuit systems. The recovered gas is passed through a scrubber system to remove carbon dioxide, filtered to remove odours, and pressurised into storage containers, where it may be mixed with oxygen to the required composition for re-use, either immediately, or at a later date.

Saturation diving life-support systems Edit

The life support system provides breathing gas and other services to support life for the personnel under pressure in the accommodation chambers and closed diving bell. It includes the following components: [32]

  • Breathing gas supply, distribution and recycling equipment: scrubbers, filters, boosters, compressors, mixing, monitoring, and storage facilities
  • Chamber climate control system - control of temperature and humidity, and filtration of gas
  • Instrumentation, control, monitoring and communications equipment
  • Fire suppression systems
  • Sanitation systems

The life support system for the bell provides and monitors the main supply of breathing gas, and the control station monitors the deployment and communications with the divers. Primary gas supply, power and communications to the bell are through a bell umbilical, made up from a number of hoses and electrical cables twisted together and deployed as a unit. [33] This is extended to the divers through the diver umbilicals. [32]

The accommodation life support system maintains the chamber environment within the acceptable range for health and comfort of the occupants. Temperature, humidity, breathing gas quality, sanitation systems, and equipment function are monitored and controlled. [33]

Industrial and rescue self-contained rebreathers Edit

Different design criteria apply to SCBA rebreathers for use only out of the water:

  • There is no variation in ambient pressure on the components. The counterlung may be placed for comfort and convenience.
  • Cooling of the gas in the breathing loop may be desirable, as the absorbent produces heat as it reacts with carbon dioxide, and the warming of the gas is not welcome in hot industrial situations such as deep mines.
  • Absorbent containers may in some cases rely on gravity for preventing channeling.
  • If a full-face mask is used, it may have viewports designed for convenience or improved field of vision, and they do not need to be flat and parallel to prevent visual distortion as when underwater.
  • In firefighting rebreathers, consideration must be given to making the set reasonably flame-proof and protecting it from heat and debris impacts.
  • The need to ditch the set quickly may not arise, and harness straps may not need a quick-release.
  • Buoyancy is not a consideration, but weight may be critical.
  • There are no constraints due to the physiological effects of breathing under pressure. Complex gas mixtures are unnecessary. Oxygen rebreathers can usually be used, which makes the design considerably simpler.

Mountaineering rebreathers Edit

Mountaineering rebreathers provide oxygen at a higher concentration than available from atmospheric air in a naturally hypoxic environment. They need to be lightweight and to be reliable in severe cold including not getting choked with deposited frost. [34] A high rate of system failures due to extreme cold has not been solved. [ kutipan diperlukan ] Breathing pure oxygen results in an elevated partial pressure of oxygen in the blood: a climber breathing pure oxygen at the summit of Mt. Everest has a greater oxygen partial pressure than breathing air at sea level. This results in being able to exert greater physical effort at altitude. The exothermic reaction helps keep the scrubber contents from freezing, and helps reduce heat loss from the user.

Both chemical and compressed gas oxygen have been used in experimental closed-circuit oxygen systems – the first on Mount Everest in 1938. The 1953 expedition used closed-circuit oxygen equipment developed by Tom Bourdillon and his father for the first assault team of Bourdillon and Evans with one "dural" 800l compressed oxygen cylinder and soda lime canister (the second (successful) assault team of Hillary and Tenzing used open-circuit equipment). [35]

Atmospheric diving suits Edit

An atmospheric diving suit is a small one-man articulated submersible of roughly anthropomorphic form, with limb joints which allow articulation under external pressure while maintaining an internal pressure of one atmosphere. Breathing gas supply may be surface supplied by umbilical, or from a rebreather carried on the suit. An emergency gas supply rebreather may also be fitted to a suit with either surface supply or rebreather for primary breathing gas. As the internal pressure is maintained at one atmosphere, there is no risk of acute oxygen toxicity. This is an underwater diving application, but has more in common with industrial applications than with ambient pressure scuba rebreathers.

Rebreathers for unpressurised aircraft and high altitude parachuting Edit

Similar requirement and working environment to mountaineering, but weight is less of a problem. The Soviet IDA71 rebreather was also manufactured in a high altitude version, which was operated as an oxygen rebreather.

Anaesthesia systems Edit

Anaesthetic machines can be configured as rebreathers to provide oxygen and anaesthetic gases to a patient during surgery or other procedures that require sedation. An absorbent is present in the machine to remove the carbon dioxide from the loop. [36]

Both semi-closed and fully closed circuit systems may be used for anaesthetic machines, and both push-pull (pendulum) two directional flow and one directional loop systems are used. [37] The breathing circuit of a loop configured machine has two unidirectional valves so that only scrubbed gas flows to the patient while expired gas goes back to the machine. [36]

The anaesthetic machine can also provide gas to ventilated patients who cannot breathe on their own. [38] A waste gas scavenging system removes any gasses from the operating room to avoid environmental contamination. [39]

Space suits Edit

One of the functions of a space suit is to provide the wearer with breathing gas. This can be done via an umbilical from the life-support systems of the spacecraft or habitat, or from a primary life support system carried on the suit. Both of these systems involve rebreather technology as they both remove carbon dioxide from the breathing gas and add oxygen to compensate for oxygen used by the wearer. Space suits usually use oxygen rebreathers as this allows a lower pressure in the suit which gives the wearer better freedom of movement.

Habitat life-support systems Edit

Submarines, underwater habitats, bomb shelters, space stations, and other living spaces occupied by several people over medium to long periods on a limited gas supply, are equivalent to closed circuit rebreathers in principle, but generally rely on mechanical circulation of breathing gas through the scrubbers.

There are several safety issues with rebreather equipment, and these tend to be more severe in diving rebreathers.

Hazards Edit

Some of the hazards are due to the way the equipment works, while others are related to the environment in which the equipment is used.

Hypoxia Edit

Hypoxia can occur in any rebreather which contains enough inert gas to allow breathing without triggering automatic gas addition.

In an oxygen rebreather this can occur if the loop is not sufficiently purged at the start of use. Purging should be done while breathing off the unit so that the inert gas in the user's lungs is also removed from the system.

Carbon dioxide buildup Edit

Carbon dioxide buildup will occur if the scrubber medium is absent, badly packed, inadequate or exhausted. The normal human body is fairly sensitive to carbon dioxide partial pressure, and a buildup will be noticed by the user. However, there is not often much that can be done to rectify the problem except changing to another breathing gas supply until the scrubber can be repacked. Continued use of a rebreather with an ineffective scrubber is not possible for very long, as the levels will become toxic and the user will experience extreme respiratory distress, followed by loss of consciousness and death. The rate at which these problems develop depends on the volume of the circuit and the metabolic rate of the user at the time.

Carbon dioxide buildup can also occur when a combination of exertion and work of breathing exceeds the capacity of the user. If this occurs where the user cannot reduce exertion sufficiently, it may be impossible to correct. This problem is more likely to occur with diving rebreathers at depths where the density of the breathing gas is severely elevated.

Leakage of toxic gases into the breathing loop Edit

Industrial rebreathers are often used where the ambient air is contaminated, and may be toxic. Parts of the loop will be at a slightly lower than external ambient pressure during inhalation, and if the circuit is not airtight external gases may leak in. This is a particular issue around the edge of a full-face mask, where the rubber mask skirt must seal against the user's face.

Fire hazards of high concentration of oxygen Edit

High partial pressures of oxygen greatly increase fire hazard, and many materials which are self-extinguishing in atmospheric air will burn continuously in a high oxygen concentration. This is more of a hazard for terrestrial applications such as rescue and firefighting than for diving, where the ignition risk is relatively low.

Caustic cocktail Edit

Caused by a loop flood reaching the absorbent canister, so only applicable in immersed applications.

Failure modes Edit

Scrubber failure Edit

The term "break-through" means the failure of the scrubber to continue removing suffient carbon dioxide from the gas circulating in the loop. This will inevitably happen if the scrubber is used too long, but can happen prematurely in some circumstances. There are several ways that the scrubber may fail or become less efficient:


Air Bubbles

Some aquatic insects (diving beetles, for example) carry a bubble of air with them whenever they dive beneath the water surface. This bubble may be held under the elytra (wing covers) or it may be trapped against the body by specialized hairs. The bubble usually covers one or more spiracles so the insect can “breathe” air from the bubble while submerged.

An air bubble provides an insect with only a short-term supply of oxygen, but thanks to its unique physical properties, a bubble will also “collect” some of the oxygen molecules dissolved in the surrounding water. In effect, the bubble acts as a “physical gill” — replenishing its supply of oxygen through the physics of passive diffusion. The larger the surface area of the bubble, the more efficiently this system works. An insect can remain under water as long as the volume of oxygen diffusing into the bubble is greater than or equal to the volume of oxygen consumed by the insect. Unfortunately, the size of the bubble shrinks over time as nitrogen slowly diffuses out into the water. When the bubble’s surface area decreases, its rate of gas exchange also decreases. Eventually, the bubble becomes too small to keep up with metabolic demands and the insect must renew the entire bubble by returning to the water’s surface.


Breathe In, Breathe Out

There are two morals to the SeaCycler story. First, obtaining long-term measurements is imperative to understanding the complex ocean—scientists were only able to capture the trap-door effect through vigilant monitoring of the Labrador Sea over a year. Second, we need innovative ocean sensors to act as our eyes and ears in the ocean, particularly in harsh regions like the northern seas. No ship-based mission could have come close to the amount of data collected by the SeaCycler.

Based on the success of the first mission, the team is already hard at work refurbishing the SeaCycler and building a second platform. Armed with even more sensors, these platforms will be redeployed in the Labrador Sea this September. The scientists’ ultimate goal is to establish a permanent underwater observatory there so we can monitor the ocean’s health, one breath at a time. ■