§ 21. Дыхание организмов. Газообмен

Определения и обозначения

Дыхание организмов — совокупность процессов, обеспечивающих поступление кислорода, его использование клетками и удаление углекислого газа. Это понятие охватывает не только движение воздуха, но и процессы, которые происходят после поступления кислорода в организм. Оно помогает увидеть дыхание как связь между средой и работой клеток.

Газообмен — обмен кислородом и углекислым газом между организмом и окружающей средой или между организмом и его клетками. Иначе говоря, речь идёт о перемещении газов через границу между двумя областями. Это понятие нужно, чтобы описывать, куда и почему движутся газы.

Внешнее дыхание — поступление кислорода из среды в организм и выделение углекислого газа во внешнюю среду. Оно позволяет организму обмениваться газами с окружающей средой. Его не следует путать с использованием кислорода внутри клеток: это следующий этап обеспечения организма.

Клеточное дыхание — окисление органических веществ в клетках с высвобождением энергии; при аэробном процессе используются кислород и образуются углекислый газ и вода. Кислород при этом нужен для получения энергии из органических веществ. Понятие объясняет, почему клеткам необходимы газы, поступающие при внешнем дыхании.

Как это устроено

В живых клетках кислород расходуется, а углекислый газ образуется в ходе обмена веществ. Поэтому около клеток обычно меньше кислорода и больше углекислого газа, чем во внешней среде. Эта разница создаёт условия для диффузии: кислород движется туда, где его меньше, а углекислый газ — в обратном направлении.

Диффузия происходит через поверхность, которая разделяет организм и среду или ткани и внутреннюю среду организма. Молекулы газов перемещаются в обе стороны, но общий поток каждого газа направлен туда, где его концентрация ниже. Если концентрации по обе стороны поверхности сравняются, направленный обмен ослабеет, поэтому для его продолжения нужна разность концентраций.

Большая площадь поверхности позволяет одновременно пропускать больше молекул газа, а малая толщина сокращает расстояние, которое им нужно преодолеть. По этой причине тонкая и обширная поверхность эффективнее для обмена, чем толстый небольшой участок. Поддержание разности концентраций тоже необходимо: вентиляция приносит свежую среду к поверхности, а перенос газов от неё не даёт быстро установиться равновесию.

У небольших организмов газы могут проходить через поверхность тела: короткого пути до клеток бывает достаточно. У многих водных животных обмен идёт через жабры, у насекомых — через разветвлённые трахеи, а у наземных позвоночных — через лёгкие. Разные структуры связаны с условиями среды: например, органы должны обеспечивать контакт с водой или воздухом и доставлять кислород к тканям.

Вентиляция обновляет воду или воздух у дыхательной поверхности и тем самым поддерживает разность концентраций. После прохождения кислорода через поверхность его нужно доставить к тканям; у многих животных это делает внутренняя среда организма, в том числе кровь. Затем кислород поступает к клеткам, а углекислый газ переносится от них к органам газообмена и удаляется. У насекомых значительная часть пути проходит по трахеям непосредственно к тканям.

Способы газообмена у организмов

В таблице сопоставлены группы организмов, их поверхности газообмена и путь кислорода к клеткам. Пользуйся ею, чтобы сравнивать не только органы, но и роль внутренней среды в переносе газов. Конкретное строение может различаться внутри каждой группы.

Разбор задач

Задача: объясните, почему кислород поступает из окружающей среды в организм, а углекислый газ выводится наружу.

1. Сравним концентрации газов: в активно работающих тканях кислород расходуется, а углекислый газ образуется.
2. Внешняя среда обычно содержит больше доступного кислорода, чем ткани, и меньше углекислого газа, чем области его образования.
3. Применим правило диффузии: вещество перемещается из области большей концентрации в область меньшей. Поэтому кислород направляется к организму, а углекислый газ — из него.

Ответ: газы движутся по градиенту концентрации; направление определяется разницей их концентраций между средой и организмом. Если эта разница исчезнет, направленный газообмен станет слабее.

Задача: у животного тонкая и влажная поверхность тела, но она имеет небольшую площадь. Объясните, почему такого строения может быть недостаточно для эффективного газообмена.

1. Тонкий покров уменьшает расстояние, которое газы проходят при диффузии, а влажность помогает газам растворяться у поверхности.
2. Но небольшая площадь означает, что одновременно контактирует со средой ограниченное количество поверхности. Значит, через неё может проходить недостаточно кислорода для потребностей всего организма.
3. Проверим остальные условия: малая толщина помогает обмену, но необходимо также поддерживать разность концентраций. Даже при благоприятных покровах недостаток площади ограничивает общий поток газов.

Ответ: тонкость и влажность сами по себе не гарантируют эффективный обмен; малая площадь может стать ограничением. Нужно учитывать сразу площадь, толщину поверхности и сохранение разности концентраций.

Задача: сравните газообмен у насекомого и наземного позвоночного: укажите, какими структурами поступает кислород и как он достигает тканей.

1. У насекомого воздух входит через дыхательные отверстия и проходит по разветвлённой системе трахей и трахеол.
2. Эти трубочки доставляют кислород близко к тканям, поэтому путь газа не зависит в основном от переноса кислорода кровью.
3. У наземного позвоночного кислород поступает через лёгкие, проходит в кровь и переносится внутренней средой организма к тканям. Значит, в этом случае транспорт газов включает участие крови.

Ответ: у насекомых кислород идёт к тканям по трахейной системе, а у наземных позвоночных проходит через лёгкие и доставляется кровью. Главное различие — в способе переноса от дыхательной поверхности к тканям.

Типичные ошибки

Считать дыхание только вдохом и выдохом — значит смешивать вентиляцию органов с газообменом и клеточными процессами. Такую ошибку допускают, потому что в быту словом «дыхание» часто называют движения грудной клетки. Проверь себя: вдох обновляет воздух, но сам по себе не описывает ни переход газов в ткани, ни получение энергии клетками.

Отождествлять газообмен с клеточным дыханием неправильно: первое описывает перемещение газов, второе — окисление веществ с высвобождением энергии. Путаница возникает из-за того, что оба процесса связаны с кислородом и углекислым газом. Проверь себя вопросом: речь идёт о движении газов через поверхность или о реакции внутри клетки?

Полагать, что кислород всегда переносится кровью, — ошибка, потому что у насекомых он поступает к тканям по трахеям. Обычно запоминают знакомую схему кровообращения позвоночных и необоснованно распространяют её на всех животных. Проверяй, о какой группе идёт речь и каким путём кислород достигает её тканей.

Считать, что растения не дышат, неверно: клетки растений тоже используют кислород при клеточном дыхании. Путаница может возникнуть потому, что на свету заметен газообмен, связанный с фотосинтезом. Проверь себя: дыхание и фотосинтез — разные процессы, а дыхание у растений происходит постоянно.

Связь с другими темами

Чтобы разбираться в теме, нужно знать диффузию, строение клетки и роль кислорода в окислении органических веществ. Эти знания связывают движение газов через поверхность с процессами, происходящими внутри клеток. Далее тема помогает понять устройство органов дыхания человека и животных, а также обмен веществ и энергетический обмен в клетке. Сравнение способов газообмена объясняет, как организмы приспосабливаются к водной и наземной среде.

Что запомнить

• Газообмен обеспечивает поступление кислорода и удаление углекислого газа.
• Направление диффузии определяется различием концентраций газов.
• Эффективному газообмену способствуют большая площадь и малая толщина поверхности.
• Органы газообмена связаны со средой обитания и образом жизни организма.
• У насекомых газы поступают к тканям по трахеям.
• Клеточное дыхание высвобождает энергию при окислении органических веществ.