معلومة

التنفس تحت الماء

التنفس تحت الماء



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.

لماذا يمكن للأسماك أن تتنفس تحت الماء بينما لا تستطيع الثدييات البرية؟ كيف يمكن للأسماك أن تستخرج الأكسجين مباشرة من الماء ولكن البشر لا يستطيعون ذلك؟


أنا آخذ هذا السؤال في ظاهره. نعم ، للأسماك خياشيم ، ولكن لدينا أيضًا سطحًا تنفسيًا في رئتينا ، فلماذا لا يمكننا "تنفس" الماء واستخراج الأكسجين (نظرًا لأن الاستخراج هو مجرد مسألة انتشار من محتوى الرئتين إلى الدم).

يبدو أننا نستخدم 550 لترًا من O النقي2 في اليوم. هذا يعادل 400 جرام تقريبًا.

ذوبان O2 في الماء العذب حوالي 10 ملليجرام لتر-1. بافتراض حالة افتراضية حيث يمكننا تنفس الماء واستخراج كل O2 من كل رئة ، هذا يعني أننا سنحتاج إلى تنفس 28 لترًا من الماء في الدقيقة ، مقارنة بـ 8 لتر من الهواء الذي نتنفسه.

الآن ، بالطبع ، تتمتع المياه بكثافة أعلى بكثير من الهواء بحيث يتم إنفاق الكثير من الطاقة في نقل هذا القدر من الماء داخل وخارج الرئتين (والذي بدوره يتطلب منا استهلاك المزيد من الأكسجين). أضف إلى ذلك حقيقة أننا في الواقع سنكون قادرين فقط على استخدام جزء صغير من O2 يذوب في كل رئة ويمكنك أن تبدأ في معرفة سبب كون هذا غير بداية.

تسمح الخياشيم بالتغلب على هذه المشكلة إلى حد كبير من خلال تدفق المياه في اتجاه واحد على سطح الجهاز التنفسي ، والذي غالبًا ما يتحقق في حالة الأسماك جزئيًا على الأقل عن طريق التنقل عبر الماء.


أزرق في الوجه: التنفس تحت الماء

هل حلمت يومًا بالعيش في قاع المحيط؟ هناك مشكلة واحدة صغيرة ، لا يمكنك التنفس تحت الماء. من السهل على الأسماك ، ولكن كيف تعمل الخياشيم؟ لا يتوفر الكثير من الأكسجين في الماء. في الواقع ، إنها تشغل حوالي 1٪ فقط من الحجم!

العلم وراء الخياشيم مليء بالكيمياء والبيولوجيا وحتى القليل من الفيزياء. انغمس في التكيف المذهل الذي تستخدمه هذه الحيوانات للعيش في عالم ليس بعيدًا عن عالمنا. سيكون كل شيء منطقيًا في هز ذيل السمكة مرتين.


التنفس تحت الماء: دليل على الحياة المجهرية في القشرة المحيطية

على الرغم من أنه كان يُعتقد منذ فترة طويلة أنه خالي من الحياة ، إلا أن قاع المحيط العميق معروف الآن بأنه يؤوي أنظمة بيئية كاملة تعج بالميكروبات. لقد وثق العلماء مؤخرًا أن الأكسجين يختفي من مياه البحر المتداولة عبر قشرة المحيطات العميقة ، وهي خطوة أولى مهمة في فهم الطريقة التي يمكن للحياة في "المحيط الحيوي العميق" تحت قاع البحر بها البقاء على قيد الحياة والازدهار. تم نشر نتائج البحث الجديدة في المجلة اتصالات الطبيعة في 27 سبتمبر 2013 ، وتساعد في إعادة تعريف مفاهيمنا لحدود الحياة على كوكبنا.

استخدم فريق من الباحثين بقيادة الدكتور بيث أوركوت من مختبر بيجلو لعلوم المحيطات سفينة JOIDES Resolution ، وهي سفينة حفر علمية متطورة يبلغ ارتفاعها 470 قدمًا يديرها البرنامج الدولي المتكامل لحفر المحيطات (IODP) ، لأخذ عينات من الرواسب الموحلة والرملية التي تغطية الصخور الموجودة في قاع البحر ، وكذلك الحفر في صخور القشرة الصلبة نفسها - التي يعتبرها الكثيرون أكبر خزان للحياة على الأرض - لفهم كيف يمكن للميكروبات "التنفس" والحصول على الطاقة اللازمة للعيش في هذه البيئة البعيدة.

قام الفريق بقياس تركيزات الأكسجين في لُب الرواسب التي تم جمعها فوق القشرة الصخرية للمحيطات ، على بعد ثلاثة أميال تقريبًا تحت سطح البحر ، على الحافة الغربية من سلسلة جبال وسط المحيط الأطلسي النائية. ثم سمحت هذه القياسات للباحثين بتحديد تركيز الأكسجين في مياه البحر المنتشرة في صخور القشرة المحيطية نفسها.

قال أوركوت: "أظهرت نماذج الكمبيوتر الخاصة بنا أن تركيزات الأكسجين في القشرة في المنطقة كانت على الأرجح نتيجة لأشكال الحياة الميكروبية التي تزيل الأكسجين في القشرة بينما تتحرك مياه البحر من خلال الكسور والشقوق العميقة في الصخور". "في ظل الظروف الباردة للقشرة في هذه المنطقة ، يكون استهلاك الأكسجين الكيميائي البحت ضئيلًا ، مما يشير إلى أن الميكروبات في القشرة المحيطية مسؤولة عن استخدام الأكسجين الموجود هناك."

قال المؤلف المشارك الدكتور سام هولم ، من مختبرات موس لاندينج البحرية: "نعلم أن هناك مخزونًا هائلاً من الحياة في قشرة المحيط ، لكن ما لم نتخذ خطوات لتحديد التمثيل الغذائي لها ، فلن نعرف أبدًا مدى اتساعها".

أشار مؤلف مشارك آخر في الورقة ، الدكتور جيف ويت من جامعة ألاسكا فيربانكس ، إلى أن التركيب الكيميائي لمياه البحر داخل المسام بين حبيبات الرواسب يوفر معلومات مهمة حول التفاعلات التي تحدث هناك ومدى سرعة حدوثها. وقال ويت: "هذه النتيجة تمهد الطريق لمزيد من التجارب الموجهة لفهم كيفية استخدام الميكروبات للأكسجين للنمو في مكان به القليل من الطعام".

"يتمثل أحد أكبر أهداف مجتمع الأبحاث العلمية الدولية لحفر المحيطات في فهم كيفية عمل الحياة في" المحيط الحيوي العميق "الهائل المدفون على قيد الحياة تحت قاع البحر ، ولكن من الصعب جدًا الوصول إلى الصخور الصلبة التي تشكل قاعدة في قاع البحر ". "نتائجنا هي الأولى لتوثيق إزالة الأكسجين في بيئة القشرة الصخرية - وهو أمر كان متوقعًا ولكن لم يظهر حتى الآن. باستخدام هذه المعلومات ، يمكننا البدء في كشف اللغز المعقد للحياة تحت قاع البحر."

يتفق الدكتور وولفجانج باخ ، العالم بجامعة بريمن في ألمانيا ، وأحد مؤلفي الورقة البحثية ، على أن "اكتشاف الحياة عن طريق قياس الأكسجين في البيئات الموجودة تحت سطح البحر مع تدفق قوي لمياه البحر ليس بالمهمة السهلة". "تخيل فرقة عمل لاكتشاف الحياة خارج كوكب الأرض تهبط على الأرض مع مجسات الأكسجين كأداة الكشف عن الحياة الوحيدة. إذا انتهى بهم الأمر في غرفة اجتماعات جيدة التهوية ومليئة بالمندوبين ، فسيستنتجون من القياسات التي سيجرونها كان هذا التنفس ضئيلًا ، وبالتالي فإن الحياة بطيئة ، إن لم تكن غائبة. إن إجراء هذه القياسات في بيئة نعتقد أننا نعرف فيها اتجاه تدفق مياه البحر واكتشاف الانحدار في الأكسجين يحدث فرقًا كبيرًا في التوصل إلى استنتاجات حول الحياة تحت الأرض. "

"الحياة الميكروبية الصغيرة على الأرض هي المسؤولة عن المهام الكبيرة مثل التدوير الكيميائي العالمي. لفهم مدى أهمية تحرك عناصر مثل الأكسجين - الذي نحتاج جميعًا للتنفس - حول الأرض ، نحتاج إلى فهم مدى سرعة استهلاكه في قال أوركوت: "أكبر طبقة مياه جوفية على وجه الأرض ، قشرة محيطية".


WATCH: لقطات أول من أي وقت مضى لسحلية تتنفس تحت الماء

كشفت لقطات من أنول نهر تم تصويره مؤخرًا في كوستاريكا أن الأنواع - أنوليس أوكسيلوفوس - يمتلك قدرة غير عادية للغاية. تتنفس الأنولات الأكسجين المخزن تحت الماء ، وهو شيء لم يسبق رؤيته أو توثيقه من قبل في السحالي.

اكتشف علماء الأحياء والمخرجون نيل لوسين ونيت دابن هذا السلوك الرائع أثناء تصوير الفيلم الوثائقي "قوانين السحلية" لقناة سميثسونيان. عُرف أنول نهر كوستاريكا بالاختفاء تحت الماء لدقائق في كل مرة ، لكن العلماء اعتقدوا أن الزواحف المراوغة كانت جيدة جدًا في حبس أنفاسها. ومع ذلك ، تبين أن الحقيقة غريبة للغاية ، حيث وجد Losin و Dappen سلوكًا غير معروف سابقًا في المجموعة. [صور: سحالي غريبة تنبثق من الأرض في فلوريدا]

لأكثر من عام ، سافر صانعو الأفلام إلى مواقع في جميع أنحاء العالم لتصوير فيلم "قوانين السحلية" ، الذي يحكي القصة المعقدة بشكل مدهش عن أنول ، وهي مجموعة سحلية موجودة في المناطق الاستوائية الأمريكية. Anoles صغير وملون ، وهم متساوون في المنزل عبر مجموعة متنوعة من الموائل ، من الغابات المطيرة إلى الساحات الخلفية في الضواحي.

على الرغم من أن هذه السحالي قد تبدو شائعة وغير مثيرة للاهتمام ، إلا أن العلماء مفتونون بالمخلوقات ، حيث نشروا آلاف الدراسات حول Anoles على مدار الخمسين عامًا الماضية ، كما أخبر لوسين Live Science. وأوضح دابن أنه نظرًا لكون الأنولات مدروسة جيدًا ، فإنها تقدم للعلماء فرصة لطرح أسئلة شديدة الدقة حول تطور أنول وبيولوجيا وسلوكها.

كان أحد أسئلة الغوص العميق حول أنول نهر كوستاريكا الغطس وما الذي كان يحدث بالضبط بعد أن قفزوا في الماء ، وظلوا هناك لمدة تصل إلى 15 دقيقة. حث عالم الزواحف Luke Mahler ، الأستاذ المساعد في علم البيئة وعلم الأحياء التطوري في جامعة تورنتو ، صانعي الأفلام على النظر عن كثب في لقطاتهم تحت الماء عندما قاموا بتصوير Anoles ، لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم تحديد أي أدلة من شأنها أن تشرح ماهية Anoles النهر عمل.

في حين أن Dappen و Losin لم يروا أي شيء خارج عن المألوف عندما قاموا بمراجعة الفيديو لأول مرة ، فقد شاهدوه عن كثب بعد عودتهم إلى الولايات المتحدة. كان ذلك عندما لاحظوا شيئًا رائعًا.

قال لوسين: "لقد رأينا سلوك إعادة التنفس هذا الذي لم يتم توثيقه أو وصفه من قبل".

ما لاحظوه كان مذهلاً. عندما جثمت أنثى أنول مغمورة في قاع النهر لمدة 10 دقائق تقريبًا ، تمدد فقاعة صغيرة بشكل متكرر وتقلصت في الجزء العلوي من رأسها. يبدو أن السحلية تعيد تدوير هواءها ، تمامًا كما يفعل الغواص البشري على الأكسجين من الخزان.

من المفترض أن إعادة تنفس الهواء المخزن سيمكن أنولات النهر من البقاء تحت الماء لفترة كافية لتتفوق على التهديدات على الأرض ، أوضح دابن. من المعروف أن الرسم على مخابئ الهواء يحدث في بعض اللافقاريات ، مثل عناكب الجرس وخنافس الغوص ، ولكن قد يكون هذا هو المثال الوحيد لإعادة التنفس في الحيوانات البرية التي لها عمود فقري.

قال لوسين لـ Live Science إن الطريقة التي تحقق بها أنولات النهر هذا العمل الفذ لا تزال غير مؤكدة ، لكن ماهلر وزملاؤه يبحثون حاليًا في آليات السلوك.

قال دابين: "إنه يوضح أحد الأشياء التي غالبًا ما يجدها علماء الأحياء ، وهو أن هناك الكثير مما لا نعرفه عن الطبيعة".

من خلال عرض هذا النوع من أنواع anole - وأبناء عمومته العديدة عبر الأمريكتين - قد تساعد "قوانين السحالي" المشاهدين أخيرًا على فهم سبب اعتقاد العلماء أن هذه السحالي خاصة جدًا.

قال لوسين: "أحب أن يبتعد الناس عن الفيلم ليروا أنه حتى أكثر المخلوقات التي تبدو دنيوية في ساحات منازلهم الخلفية يمكن أن تكون خطوط المعرفة العلمية - إذا كان شخص ما يأخذ الوقت الكافي للبحث".


4 إجابات 4

أنت لا تحتاج إلى بشر معدلين وراثيًا ، فالإنسان العادي يكفي.

الضغط بعيدًا عن الرئتين لا يمثل مشكلة للبشر لأن أجسامنا مليئة بالسوائل التي تكون قابلة للانضغاط بشكل طفيف جدًا ولا يؤثر الضغط على الوظائف المناسبة. عظامنا صلبة ، ولكن بما أن الضغط يأتي من جميع الجوانب ، فإنها أيضًا لا تنكسر أو تتضرر.

لذا املأ الرئتين بسائل قابل للتنفس ويمكن للبشر تحمل الضغوط الشديدة.

بينما الفيلم الهاوية صورت الفكرة ، يعتقد الكثير من الناس أنها خيال علمي. إنه ليس كذلك ، السوائل القابلة للتنفس مثل الكربون المشبع موجودة ويمكن استخدامها بالفعل لهذا الغرض.

لذا ، ما تحتاجه هو جهاز للغطس العميق.

يقوم الإنسان بإعداد الترس. يتنفس أو يحصل على حقنة تجعله فاقدًا للوعي (يمكنك فعل ذلك بوعي ، لكنه سيكون تعذيباً). ثم يملأ الترس الرئتين ببطء بسائل قابل للتنفس ويقوم الترس بإدخال أنابيب قابلة للطي في القصبة الهوائية / الرئتين.

تعمل هذه الأنابيب كمكبر للصوت للتنفس. تكمن المشكلة في أن الإنسان لا يستطيع التنفس بعمق كافٍ لتدوير السائل ، لذلك يسجل الترس تنفسك وتقوم الأنابيب بتضخيم التنفس لخلط السائل وفقًا لذلك وتزويده بالأكسجين. لذلك فإن التنفس يقتصر فقط على كمية الأكسجين. باستخدام بطارية نووية وبالتالي طاقة أساسية غير محدودة ، يمكن إنتاج الأكسجين الضروري عن طريق مياه البحر ويسمح بالوصول غير المحدود.

بعد الغوص ، يفقد الإنسان وعيه مرة أخرى ، ويوضع رأسه لأسفل على نقالة لضخ السائل إلى الخارج ، ويضخ الترس السائل إلى الخارج ، وينهار ويتراجع عن نفسه ويمكن إخراجه. انتهت المهمة.

بعض الملاحظات على انتقادات أرنو جيرموند: كل هذه النقاط باستثناء متلازمة الضغط العصبي المرتفع (HPNS) لا علاقة لها بالتنفس السائل ، فقط بالتنفس الغازي الطبيعي ، وبالتالي فهي بلا معنى حرفيًا. للسماح بالتنفس ، يجب أن يكون للغازات نفس ضغط الماء الخارجي ولأن الأكسجين يصبح سامًا مع الكثير من الضغط الجزئي ، فإن المكون الوحيد الضروري من الأكسجين يحتاج إلى استبداله بالنيتروجين أو الهيدروجين أو الهيليوم. تذوب هذه الغازات في مجرى الدم / سوائل الجسم وتسبب ظواهر غير سارة مثل داء تخفيف الضغط عندما تنفجر تحت ضغط منخفض.

هذه الظاهرة لا تظهر في تنفس السوائل لأنه لا توجد غازات أخرى غير الأكسجين المطلوب. يتم تشغيل HPNS عن طريق الضغط ، ولكن يمكن مواجهته بالغازات المخدرة (يمكنك إما استخدام الهيدروجين كمكون ثانٍ أو ابتكار مادة استقرار جديدة تكيف الأعصاب مع الضغط المرتفع). إذا ظهر الغواص ، فلا توجد غازات سامة أخرى في مجرى الدم وبالتالي لا توجد آثار لتخفيف الضغط.

يجب أيضًا ملء الأذن الوسطى وحاويات الهواء الأخرى (الجيوب الأنفية) بالسائل عبر أنبوب استاكيوس وفتحات الجيوب الأنفية. الكربون المشبع مادة غير سامة والأذن الوسطى قادرة على إزالة السوائل من الأذن. في هذه الحالة لا توجد مشاكل في كسر طبلة الأذن.

أنا لست طبيباً ، لكنني لست على علم "بتراكم السموم" أو "الضغط المرتفع يعيق عمل الخلايا بشكل سليم". الخلايا لا تتقلص (تقليل الحجم يكاد لا يكاد يذكر بالنسبة للسوائل والمواد الصلبة) والضغط العالي لا يغير معدل التفاعل للمواد الصلبة والسوائل (!).

من المؤكد أنه من المحتمل أن تكون هناك تأثيرات سلبية غير معروفة ستحدث في أعماق تزيد عن كيلومتر واحد في الواقع ، ولكن طالما أنها غير معروفة ، يمكنك تجاهلها من أجل القصة التي تكتبها.


تستخدم هذه السحالي "معدات الغوص" المدمجة للتنفس تحت الماء

يمكن أن تبقى أنولات شبه مائية تحت الماء لمدة 20 دقيقة تقريبًا لتجنب الحيوانات المفترسة.

/> تمتلك Anoles شكلها الخاص من "معدات الغوص" ، فقاعة على الأنف تسمح لها بالتنفس تحت الماء. ليندسي سويرك

في مواجهة تهديد حيوان مفترس ، فإن الأنولات شبه المائية - وهي نوع من السحالي موطنها الأمريكيتان - ستقفز قفزة من الإيمان ، حيث تقذف نفسها من الصخور وتغطس في الماء. هناك ، في الجزء السفلي من التيارات سريعة التدفق ، يمكنهم البقاء مغمورًا لمدة تصل إلى 18 دقيقة ، في انتظار حتى يصبح من الآمن الزحف مرة أخرى على الأرض.

ولكن كيف يمكن للسحالي ، التي تم تطوير رئتيها للحصول على هواء أولي جيد ، أن تتمكن من حبس أنفاسها لفترة طويلة؟ حسنًا ، يبدو أنه ليس عليهم ذلك. وفقًا لدراسة حديثة أجراها علماء الأحياء التطورية في جامعة تورنتو ، توظف هذه الزواحف المحبة للماء شكلها الخاص من الباحثين في الغوص تحت الماء ، وقد صاغوا "إعادة التنفس". في السابق ، لاحظ علماء البيئة هذه التقنية فقط في المفصليات مثل العناكب والبق.

الدراسة التي نشرت هذا الشهر في علم الأحياء الحالي, وجدت أنول لها قدرة فريدة على التنفس تحت الماء بفضل فقاعة هواء تجلس فوق أنفها. مع كل شهيق وزفير ، تتوسع فقاعة الهواء وتتقلص ، مثل البالون النابض. هذا يسمح للسحالي بامتصاص الأكسجين الذي تشتد الحاجة إليه.

من خلال الملاحظات ، اكتشف العلماء بمجرد أن لامس جلد السحلية الماء ، غطت طبقة من الهواء تحت المليمتر جسمها ، مما سمح لها بحبس الأكسجين. إنهم يشيرون إلى هذا على أنه "بطانة فضية اللون".

قال لوك ماهلر ، الأستاذ المساعد في قسم البيئة وعلم الأحياء التطوري بجامعة تورنتو الذي قاد مختبره المشروع ، إنه لاحظ هذه الظاهرة لأول مرة بالصدفة أثناء رحلة عام 2009 إلى هايتي.

يوجد في الجبال الشمالية النائية للجزيرة نوع من أنواع الأنول المهددة بالانقراض Anolis eugenegrahami. ماهلر ، الذي كان يدرس المجموعة الفرعية النادرة ، حدث عند إعادة التنفس عندما ألقى عينة مرة أخرى برفق في جزء ضحل واضح من الجدول.

تقدم سريعًا إلى عام 2016 ، وذهب أحد طلابه في ذلك الوقت ، كريس بوكيا - الباحث الرئيسي في المشروع - في رحلة إلى كوستاريكا لمراقبة أحد أقارب السحلية الهايتية. طلب ماهلر منه أن يراقب أي علامة على إعادة التنفس. من المؤكد أنه عند غمرها في الماء ، رأى Boccia أن النظير المجاور رباعي الأرجل يستخدم خزانًا من الهواء ليظل مغمورًا.

لإثبات أن قطرة الهواء غير المستقرة كانت تساعد السحالي على التنفس ، كان على الباحثين إظهار استنفاد تشبع الفقاعة بالأكسجين بمرور الوقت. للقيام بذلك ، قاموا بعناية بحمل أنول التي تم التقاطها يدويًا وغمرها برفق في خزانات من الماء. بعد ذلك ، قاموا بتوجيه مسبار متخصص إلى مركز فقاعة الهواء لقياس تشبع الأكسجين.

يقول ماهلر: "يحدث هذا عندما تكون الخبرة مع مجموعة من الكائنات مفيدة". لقد كان يدرس anoles لأكثر من 10 سنوات. "لن تعتقد أنك ستكون قادرًا على التقاط واحدة وإلقاءها في دلو ، ولكن إذا تعاملت معها بطريقة مريحة ، فسوف تشعر بالراحة."

كان أحد أكثر الاكتشافات إثارة للدهشة في المشروع هو أن إعادة التنفس لم تكن مميزة للزواحف الغواصة - فقد كانت عالمية في جميع الأنولات التي لاحظتها الدراسة ، بما في ذلك الأنواع غير الموجودة بالقرب من الجداول ، وتلك المتوطنة في كولومبيا والمكسيك وجمهورية الدومينيكان ، جامايكا والإكوادور وكوستاريكا.

ومع ذلك ، فإن السحالي الأرضية لم تكن ماهرة عندما يتعلق الأمر بإعادة التنفس. قال ماهلر إن هذا يشير إلى أن السمة نشأت في مجموعة سلالة أسلاف لبعض الاستخدامات الأخرى ، ولكن تم تفصيلها وتخصيصها بعد ذلك لأولئك الذين يقيمون بواسطة تيارات صغيرة.

يقول ماهلر ، الذي يعتقد: "إن طلاء الهواء [الزئبق] الذي نعتقد أنه نشأ على الأرجح لغرض آخر لا علاقة له بالغوص ، لكنه أعطى الآن [الأنواع شبه المائية من أنولات] القدرة على المبالغة في آلية إعادة التنفس هذه إلى شيء مفيد جدًا". تعتبر الدراسات الميدانية مثل هذه ضرورية في الكشف عن أدلة على كيفية عمل التطور التكيفي.

يقول ماهلر إن هذا الاكتشاف لا يوفر فقط لعلماء الأحياء نظرة ثاقبة حول كيفية عمل التطور ، ولكنه قد يوفر بعض الإمكانات للتطبيقات المستقبلية. تعلم المزيد عن الخصائص السطحية لجلد هذه الفقاريات التي تتنفس تحت الماء ، على سبيل المثال ، يمكن أن يؤدي إلى مواد أو أغشية كارهة للماء.

لكن ما زال أمامنا سنوات عديدة. الخطوة التالية بالنسبة لماهلر هي فهم الأسباب التي تجعل قشور أنولات النابضة تتصدى للماء. يعتقد أنه من المحتمل أن يكون له علاقة بهيكلهم ، ولكن يمكن أن يكون هناك تفسير كيميائي.

يقول ماهلر: "إن أكبر ما يتم استخلاصه إلى المنزل هو أنه مجرد ابتكار رائع جدًا ابتكرته الفقاريات ولم يكن موضع تقدير حقًا من قبل".

جريس وادي هي محرر مشارك في من الداخلفريق مرجعي صحي ومساهم في العلوم الشعبية. يغطي عملها مجموعة واسعة من الموضوعات العلمية والصحية بما في ذلك التغذية والتفاوتات في الصحة العامة والصحة العقلية والبيولوجيا. تحمل غريس شهادة مزدوجة في الصحافة والعلوم في الثقافات البشرية من جامعة نورث وسترن مع تركيز في البيئة والعلوم والمجتمع. اتصل بالمؤلف هنا.


2 الأفكار على ldquo و التنفس تحت الماء rdquo و

لدي سؤال حول الضغط الجوي. بصفتي مخضرمًا لمدة 30 عامًا في الغوص التجاري ، فقد عرفت فقط كيف تتصرف الغازات عندما تكون محاطة بسفن صغيرة إلى حد ما ، فهذه السفن الصغيرة تتمتع دائمًا بضغط متساوٍ في كل نقطة بالداخل. هل يمكن تطبيق هذه الملاحظة على مقياس كوكبي؟
كما ترى ، أحاول أن أثبت لبعض رؤوس عجينة الأرض المسطحة أنه لا توجد قبة فوقنا لأن الغلاف الجوي يجب أن يظل تحت ضغط مستمر إذا كان مقببًا (مغلقًا) بغض النظر عن الارتفاع & # 8230 ، فهل يبدو تفكيري؟


التنفس تحت الماء - علم الأحياء

عمليه التنفس

التنفس هو تبادل للغازات ، حيث يتم امتصاص الأكسجين من المناطق المحيطة وإخراج ثاني أكسيد الكربون.

تبدأ جميع الضفادع حياتها كشرغوف مائية تتنفس تحت الماء من خلال الخياشيم الداخلية وجلدها. ثم تطور معظمهم فيما بعد إلى حيوانات برية برئتين لاستنشاق الهواء. ولكن في جميع المراحل يتم التحكم في التنفس عن طريق نبض الحلق. تفقد معظم الضفادع خياشيمها عندما تتحول.

تتنفس الضفادع وأفواهها مغلقة. حركات حلقهم تسحب الهواء من خلال فتحتي الأنف إلى الرئتين. ثم الزفير مع تقلصات الجسم.

يحدد نشاط الحيوان ودرجة حرارته مدى أهمية التنفس. أنوران لديها رئات أكثر تعقيدًا من البرمائيات الأخرى ، مثل السمندل ، لأنها أكثر نشاطًا ولديها درجة حرارة أعلى في الجسم.

يمكن أن تساعد الرئتين أيضًا في الماء. إن ملء الرئتين بالهواء يمنح الضفدع طفوًا أفضل ، مما يجعله يطفو بسهولة أكبر.

يمكن للضفادع أيضًا أن تتنفس من خلال جلدها ، بأوعية دموية صغيرة وشعيرات دموية تحت طبقات الجلد الخارجية. يمتلك الضفدع الأفريقي المشعر Trichobatrachus robustus رئتين صغيرتين وخلال مواسم التكاثر يحصل الذكور على شعر مثل نتوءات على أرجلهم الخلفية. هذا بسبب الحاجة العالية للأكسجين في هذا الوقت.


محتويات

عندما يتنفس الشخص ، يستهلك الجسم الأكسجين وينتج ثاني أكسيد الكربون. يتطلب التمثيل الغذائي الأساسي حوالي 0.25 لتر / دقيقة من الأكسجين من معدل تنفس يبلغ حوالي 6 لتر / دقيقة ، ويمكن للشخص المناسب الذي يعمل بجد أن يقوم بالتهوية بمعدل 95 لترًا / دقيقة ولكنه سيستقلب فقط حوالي 4 لتر / دقيقة من الأكسجين [1 ] يتأيض الأكسجين بشكل عام حوالي 4٪ إلى 5٪ من الحجم الملهم عند الضغط الجوي العادي ، أو حوالي 20٪ من الأكسجين المتاح في الهواء عند مستوى سطح البحر. يحتوي هواء الزفير عند مستوى سطح البحر على ما يقرب من 13.5٪ إلى 16٪ أكسجين. [2]

يكون الموقف أكثر إهدارًا للأكسجين عندما يكون جزء الأكسجين من غاز التنفس أعلى ، وفي الغوص تحت الماء ، فإن ضغط غاز التنفس بسبب العمق يجعل إعادة تدوير غاز الزفير مرغوبًا فيه أكثر ، كنسبة أكبر من الدائرة المفتوحة يضيع الغاز. سيؤدي استمرار إعادة التنفس لنفس الغاز إلى استنفاد الأكسجين إلى المستوى الذي لن يدعم الوعي ، وفي النهاية الحياة ، لذلك يجب إضافة الغاز المحتوي على الأكسجين إلى غاز التنفس للحفاظ على التركيز المطلوب للأكسجين. [3]

ومع ذلك ، إذا تم ذلك دون إزالة ثاني أكسيد الكربون ، فسوف يتراكم بسرعة في الغاز المعاد تدويره ، مما يؤدي على الفور تقريبًا إلى ضائقة تنفسية خفيفة ، ويتطور بسرعة إلى مراحل أخرى من فرط ثنائي أكسيد الكربون ، أو سمية ثاني أكسيد الكربون. عادة ما يكون معدل التهوية العالي ضروريًا للتخلص من ثاني أكسيد الكربون المنتج الأيضي (CO2). يتم تشغيل منعكس التنفس بواسطة ثاني أكسيد الكربون2 التركيز في الدم ، وليس من خلال تركيز الأكسجين ، لذلك حتى تراكم ضئيل لثاني أكسيد الكربون2 في الغاز المستنشق سرعان ما يصبح غير محتمل إذا حاول الشخص إعادة تنفس غاز الزفير مباشرة ، فسيشعر قريبًا بإحساس حاد بالاختناق ، لذلك يجب على أجهزة إعادة التنفس إزالة ثاني أكسيد الكربون كيميائيًا2 في مكون يعرف باسم جهاز تنقية غاز ثاني أكسيد الكربون. [3]

عن طريق إضافة كمية كافية من الأكسجين لتعويض الاستخدام الأيضي ، وإزالة ثاني أكسيد الكربون ، وإعادة استنشاق الغاز ، يتم الحفاظ على معظم الحجم. [3]

تأثيرات مستويات مختلفة من الضغط الجزئي للأكسجين [1]
ص2
(شريط)
التطبيق والتأثير
& lt0.08 غيبوبة تؤدي في النهاية إلى الموت
0.08-0.10 فقدان الوعي لدى معظم الناس
0.09-0.10 علامات / أعراض خطيرة لنقص الأكسجة
0.14-0.16 العلامات / الأعراض الأولية لنقص الأكسجة (أكسجين البيئة الطبيعية في بعض المناطق المرتفعة جدًا)
0.21 أكسجين البيئة الطبيعية (هواء مستوى سطح البحر)
0.35–0.40 عادي الغوص ص2 مستوى
0.50 عتبة لتأثيرات الجسم كله أقصى قدر من التشبع التعرض للغوص
1.0–1.20 النطاق المشترك لنقطة ضبط الدائرة المغلقة الترفيهية
1.40 الحد الموصى به للقطاع السفلي للدائرة المفتوحة الترفيهية
1.60 حد NOAA للتعرض الأقصى للغواص العامل
حد ترفيهي / تقني لإزالة الضغط
2.20 تجاري / عسكري "Sur-D" إزالة الضغط عن سطح غرفة "Sur-D" بنسبة 100٪ O2 في 12 مللي ثانية
2.40 40٪ O2 غاز معالجة إعادة ضغط النيتروكس للاستخدام في الغرفة عند 50 مللي ثانية (متر من ماء البحر)
2.80 100٪ O2 غاز معالجة إعادة الضغط للاستخدام في الغرفة عند 18 مللي ثانية
3.00 50٪ O2 غاز معالجة إعادة ضغط النيتروكس للاستخدام في الغرفة عند 50 مللي وات

تعديل التاريخ المبكر

حوالي عام 1620 ، في إنجلترا ، صنع كورنيليوس دريبل غواصة مبكرة تعمل بالمجذاف. لإعادة أكسجة الهواء بداخله ، من المحتمل أنه قام بتوليد الأكسجين عن طريق تسخين الملح الصخري (نترات البوتاسيوم) في وعاء معدني لإصدار الأكسجين. يحول التسخين الملح الصخري إلى أكسيد البوتاسيوم أو هيدروكسيد ، الذي يمتص ثاني أكسيد الكربون من الهواء. قد يفسر هذا سبب عدم تأثر رجال دريبل بتراكم ثاني أكسيد الكربون بقدر ما هو متوقع. إذا كان الأمر كذلك ، فقد قام بطريق الخطأ بإعادة دفق الهواء الخام قبل أكثر من قرنين من براءة اختراع القديس سيمون سيكارد. [5] [ بحاجة لمصدر ]

تم تسجيل براءة اختراع أول جهاز إعادة دفق أساسي يعتمد على امتصاص ثاني أكسيد الكربون في فرنسا عام 1808 من قبل بيير ماري توبوليك [بالفرنسية] من بريست ، ميكانيكي في البحرية الإمبراطورية لنابليون. عمل تصميم جهاز إعادة التنفس المبكر هذا مع خزان أكسجين ، حيث يتم توصيل الأكسجين تدريجيًا بواسطة الغواص ويتم تدويره في دائرة مغلقة من خلال إسفنجة مبللة بمياه الجير. [6] أطلق توبوليك على اختراعه Ichtioandre (باليونانية تعني "رجل السمك"). [7] [ بحاجة لمصدر ] لا يوجد دليل على تصنيع نموذج أولي.

تم بناء نموذج أولي لإعادة التنفس في عام 1849 من قبل بيير إيمابل دي سانت سيمون سيكارد ، [8] وفي عام 1853 من قبل الأستاذ ت. شوان في بلجيكا. [9] كان يحتوي على خزان أكسجين كبير مثبت في الخلف بضغط تشغيل يبلغ حوالي 13.3 بار ، واثنين من أجهزة التنظيف تحتوي على إسفنج منقوع في محلول صودا كاوية.

أجهزة إعادة دفق الأكسجين الحديثة تحرير

تم تصميم وبناء أول جهاز سكوبا ذو دائرة مغلقة عملية تجاريًا بواسطة مهندس الغوص هنري فلوس في عام 1878 ، أثناء عمله في شركة Siebe Gorman في لندن. [10] [11] يتكون جهاز التنفس المستقل الخاص به من قناع مطاطي متصل بكيس التنفس ، بنسبة (تقديرية) 50-60٪ O2 يتم توفيره من خزان نحاسي وثاني أكسيد الكربون2 يغسل بواسطة خيوط حبل مبللة بمحلول البوتاس الكاوي يعطي النظام مدة حوالي ثلاث ساعات. [11] [12] اختبر فلوس أجهزته في عام 1879 بقضاء ساعة مغمورة في خزان مياه ، ثم بعد ذلك بأسبوع واحد عن طريق الغوص إلى عمق 5.5 متر في المياه المفتوحة ، وفي هذه المناسبة أصيب بجروح طفيفة عندما سحب مساعدوه فجأة له على السطح.

تم استخدام أجهزته لأول مرة في ظل ظروف التشغيل في عام 1880 من قبل ألكسندر لامبرت ، الغواص الرئيسي في مشروع بناء نفق سيفيرن ، والذي كان قادرًا على السفر لمسافة 1000 قدم في الظلام لإغلاق العديد من أبواب السدود المغمورة في النفق ، وقد هزم هذا أفضل جهوده مع لباس غوص قياسي بسبب خطر تلوث خرطوم إمداد الهواء بالحطام المغمور ، وتيارات المياه القوية في العمل. [11]

قام Fleuss بتحسين أجهزته باستمرار ، مضيفًا منظم الطلب وخزانات قادرة على الاحتفاظ بكميات أكبر من الأكسجين عند ضغط أعلى. قام السير روبرت ديفيس ، رئيس Siebe Gorman ، بتحسين جهاز إعادة تنفس الأكسجين في عام 1910 [11] [12] من خلال اختراعه لجهاز Davis Submerged Escape ، وهو أول جهاز عملي لإعادة التنفس يتم تصنيعه بكميات كبيرة. في حين أن الغرض الأساسي منه هو أن يكون جهاز هروب طارئ لأطقم الغواصات ، سرعان ما تم استخدامه أيضًا للغوص ، كونه جهاز غوص في المياه الضحلة مفيد مع قدرة تحمل لمدة ثلاثين دقيقة ، [12] وكمجموعة تنفس صناعي.

تتألف الحفارة من كيس مطاطي للتنفس / الطفو يحتوي على علبة من هيدروكسيد الباريوم لتنظيف ثاني أكسيد الكربون الزفير2 وفي الجيب في الطرف السفلي من الكيس ، توجد أسطوانة ضغط فولاذية تحتوي على ما يقرب من 56 لترًا من الأكسجين عند ضغط 120 بار. تم تجهيز الاسطوانة بصمام تحكم وتم توصيلها بكيس التنفس. يؤدي فتح صمام الأسطوانة إلى إدخال الأكسجين إلى الكيس وشحنه إلى ضغط المياه المحيطة. تضمنت الحفارة أيضًا حقيبة طفو للطوارئ في الجزء الأمامي للمساعدة في الحفاظ على مرتديها واقفاً على قدميه. تم اعتماد DSEA من قبل البحرية الملكية بعد مزيد من التطوير من قبل ديفيس في عام 1927. [13] تم اشتقاق العديد من أجهزة إعادة دفق الأكسجين الصناعية مثل Siebe Gorman Salvus و Siebe Gorman Proto ، وكلاهما اخترع في أوائل القرن العشرين.

اخترع البروفيسور جورج جوبير المركب الكيميائي Oxylithe في عام 1907. كان شكلاً من أشكال بيروكسيد الصوديوم (Na2ا2) أو فوق أكسيد الصوديوم (NaO2). أثناء امتصاصه لثاني أكسيد الكربون في جهاز تنقية الهواء ، فإنه ينبعث منه الأكسجين. تم دمج هذا المركب لأول مرة في تصميم جهاز إعادة التنفس بواسطة الكابتن SS Hall والدكتور O. Rees من البحرية الملكية في عام 1909. على الرغم من أنه كان مخصصًا للاستخدام كجهاز هروب من الغواصات ، إلا أنه لم يتم قبوله أبدًا من قبل البحرية الملكية ، وتم استخدامه بدلاً من ذلك في الضحلة الغوص على الماء. [12]

في عام 1912 ، بدأت شركة Dräger الألمانية في الإنتاج الضخم لنسختها الخاصة من ملابس الغوص القياسية مع تزويد الهواء من جهاز إعادة التنفس. كان الجهاز قد اخترع قبل بضع سنوات من قبل هيرمان ستيلزنر ، مهندس في شركة Dräger ، [14] لإنقاذ الألغام. [15]

أجهزة إعادة التنفس أثناء الحرب العالمية الثانية

في الثلاثينيات من القرن الماضي ، بدأ رواد صيد الأسماك الإيطاليين في استخدام جهاز إعادة التنفس في ديفيس ، وحصل المصنعون الإيطاليون على ترخيص من حاملي براءات الاختراع الإنجليزية لإنتاجه. سرعان ما لفت انتباه البحرية الإيطالية هذه الممارسة ، التي طورت نموذجًا مطورًا على نطاق واسع صممه Teseo Tesei و Angelo Belloni والذي استخدمته وحدة الضفادع Decima Flottiglia MAS مع نتائج جيدة خلال الحرب العالمية الثانية. [12]

خلال الحرب العالمية الثانية ، أثرت أجهزة إعادة دفق الضفادع الإيطالية التي تم أسرها على التصميمات المحسنة لأجهزة إعادة التنفس البريطانية. [12] العديد من مجموعات التنفس الخاصة برجال الضفادع البريطانيين تستخدم أسطوانات أكسجين تنفس أطقم الطائرات تم إنقاذها من طائرة Luftwaffe الألمانية التي تم إسقاطها. ربما تم تعديل أقدم مجموعات التنفس هذه من جهاز Davis Submerged Escape ، وكانت أقنعة الوجه بالكامل من النوع المخصص لـ Siebe Gorman Salvus ، ولكن في العمليات اللاحقة تم استخدام تصميمات مختلفة ، مما أدى إلى قناع كامل الوجه مع نافذة وجه واحدة كبيرة ، في أول دائري أو مستطيل الشكل بيضاويًا ولاحقًا (مسطحًا في الغالب ، ولكن الجوانب منحنية للخلف للسماح برؤية جانبية أفضل). كانت أجهزة إعادة التنفس لرجل الضفدع البريطاني الأوائل تحتوي على رؤوس مستطيلة على الصدر مثل أجهزة إعادة دفق الضفدع الإيطالي ، لكن التصميمات اللاحقة كانت تحتوي على فجوة مربعة في الجزء العلوي من الغطاء المضاد حتى يمكن أن تمتد أكثر نحو الكتفين. في المقدمة كان لديهم طوق مطاطي مثبت حول العلبة الماصة. [12] استخدم بعض الغواصين في القوات المسلحة البريطانية بدلات غوص سميكة ضخمة تسمى بدلات سلادين (Sladen Suit) ، كان هناك نسخة واحدة منها تحتوي على واجهة واحدة قابلة للقلب لكلتا العينين للسماح للمستخدم بالحصول على مناظير لعينيه عندما يكون على السطح.

تم استخدام أجهزة إعادة دفق الهواء Dräger ، وخاصة طراز DM20 و DM40 ، من قبل غواصين الخوذات الألمان ورجال الضفادع الألمان خلال الحرب العالمية الثانية. تم تطوير أجهزة إعادة التنفس للبحرية الأمريكية من قبل الدكتور كريستيان جيه لامبيرتسين للحرب تحت الماء. [16] [17] عقد لامبرتسن أول دورة لإعادة دفق الأكسجين بالدائرة المغلقة في الولايات المتحدة للوحدة البحرية لمكتب الخدمات الإستراتيجية في الأكاديمية البحرية في 17 مايو 1943. [17] [18]

تحرير ما بعد الحرب العالمية الثانية

استخدم رائد الغوص هانز هاس أجهزة إعادة دفق الأكسجين من Dräger في أوائل الأربعينيات من القرن الماضي للتصوير السينمائي تحت الماء.

نظرًا للأهمية العسكرية لجهاز إعادة التنفس ، والتي تم إثباتها بوضوح خلال الحملات البحرية في الحرب العالمية الثانية ، كانت معظم الحكومات مترددة في إصدار التكنولوجيا في المجال العام. في بريطانيا كان استخدام أجهزة إعادة التنفس للمدنيين ضئيلًا - حتى أن BSAC حظرت رسميًا استخدام أجهزة إعادة التنفس من قبل أعضائها. باعت كل من الشركتين الإيطاليتين Pirelli و Cressi-Sub في البداية نموذجًا لجهاز التنفس الرياضي ، ولكن بعد فترة توقفت عن إنتاج تلك الطرازات. استخدم غواصو الكهوف بعض أجهزة إعادة التنفس المصنوعة منزليًا لاختراق أحواض الكهوف.

يستخدم معظم متسلقي الجبال في المرتفعات معدات الأكسجين ذات الدائرة المفتوحة ، واستخدمت بعثة إيفرست عام 1953 معدات الأكسجين ذات الدائرة المغلقة والدائرة المفتوحة: انظر الأكسجين المعبأ في زجاجات.

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 = 2K2كو3 + 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. [ بحاجة لمصدر ] 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. ■