§34. Дыхание организмов

Определения и обозначения

Дыхание — совокупность процессов, обеспечивающих поступление кислорода, удаление углекислого газа и получение клетками энергии при расщеплении органических веществ. Иными словами, это не только обмен газами с внешней средой, но и использование веществ внутри организма. Такое определение помогает связать работу органов дыхания с потребностями каждой клетки.

Газообмен — обмен кислородом и углекислым газом между организмом и окружающей средой, а также между кровью и тканями. При нём газы перемещаются туда, где их концентрация ниже, через подходящую поверхность или ткань. Газообмен нужен, чтобы кислород достиг клеток, а углекислый газ, образующийся в них, мог быть удалён.

Клеточное дыхание — расщепление органических веществ в клетках с высвобождением энергии; при аэробном процессе используется кислород. Высвободившаяся энергия становится доступной для процессов жизнедеятельности, например для движения и синтеза веществ. Понятие показывает, где именно организм получает полезную энергию, а не только обменивается газами.

Бескислородное дыхание — получение энергии при расщеплении веществ без участия кислорода; его энергетический выход ниже, чем при аэробном. Органические вещества при этом расщепляются не полностью, поэтому значительная часть энергии остаётся в конечных продуктах. Это понятие важно для понимания того, как клетки могут получать энергию при недостатке кислорода.

Как это устроено

Клетке постоянно нужны энергия и вещества для роста, движения, поддержания внутреннего порядка и выполнения других функций. Энергия становится доступной, когда органические вещества расщепляются в ходе клеточного дыхания. Если получение энергии прекращается, многие клеточные процессы уже не могут идти в нормальном режиме. Поэтому дыхание необходимо не только активным организмам, но и каждой живой клетке.

Внешний газообмен и клеточное дыхание связаны общей цепочкой переноса газов. Кислород поступает из среды через поверхность тела или органы дыхания, затем достигает тканей и клеток; у многих животных его переносит кровь. В клетках кислород используется при окислении органических веществ, а образовавшийся углекислый газ движется в обратном направлении и удаляется. Значит, нарушение любого звена — поступления, переноса или удаления газов — может мешать нормальной работе клеток.

Способ газообмена зависит от среды обитания и устройства организма, потому что газам нужно пройти через тонкую влажную поверхность. У небольших или просто устроенных организмов обмен может происходить через поверхность тела, а у многих животных для него есть специализированные органы. В воде и на суше условия поступления кислорода различны, поэтому строение дыхательных поверхностей и способы вентиляции тоже отличаются. Чем сложнее и крупнее организм, тем важнее доставлять кислород от места газообмена к удалённым тканям.

При аэробном дыхании кислород участвует в расщеплении органических веществ, в том числе глюкозы, до конечных продуктов — углекислого газа и воды. Основная часть этапов, связанных с использованием кислорода, проходит в митохондриях, хотя начальное расщепление глюкозы начинается в цитоплазме. При бескислородном пути кислород не используется, а расщепление оказывается неполным; образующиеся продукты зависят от типа процесса. Поэтому при одинаковом исходном количестве глюкозы бескислородный путь высвобождает меньше энергии.

Дыхание не сводится к вдоху и выдоху: эти движения обновляют воздух в лёгких, то есть обеспечивают вентиляцию дыхательных органов. Вентиляция помогает поддерживать условия для газообмена, но энергия высвобождается не в лёгких и не во время вдоха. Клеточное дыхание происходит внутри клеток, где расщепляются органические вещества. Такое различение объясняет, почему организм может совершать дыхательные движения, но всё равно страдать от недостатка кислорода в тканях.

Способы получения энергии при дыхании

Сравнивайте процессы сначала по участию кислорода и полноте расщепления, а затем по продуктам и энергетическому результату. Так видно, почему бескислородный путь не равноценен аэробному. Место протекания начальных этапов не следует путать с местом основных этапов аэробного дыхания.

Разбор задач

Дыхание растения днём и ночью

Условие. Ученик утверждает, что дыхание растения происходит только ночью. Нужно оценить это утверждение и объяснить, какие процессы идут в клетках растения днём и ночью. Для решения важно различить дыхание и фотосинтез, поскольку их можно перепутать из-за обмена газами.

1. Вспомним, что при клеточном дыхании органические вещества расщепляются, а энергия высвобождается. Этот процесс необходим клеткам независимо от освещения.
2. Фотосинтез, напротив, образует органические вещества и выделяет кислород при наличии света. Днём растение может одновременно фотосинтезировать и дышать.
3. Ночью фотосинтез прекращается из-за отсутствия света, но клеточное дыхание продолжается. Следовательно, нельзя определять наличие дыхания только по тому, выделяет ли растение кислород.

Ответ. Утверждение неверно: растения дышат и днём, и ночью. Днём в клетках могут одновременно идти фотосинтез и дыхание, а ночью фотосинтез не идёт, но дыхание продолжается. Различие связано с тем, что это два самостоятельных процесса с разными задачами.

Получение энергии при разном количестве кислорода

Условие. Сравните получение энергии клетками при наличии кислорода и при его недостатке. Укажите, насколько полно расщепляется глюкоза и как различается энергетический выход. В задаче не требуется подсчёт энергии: достаточно связать условия с полнотой процесса.

1. При наличии кислорода клетка может использовать аэробное дыхание. Глюкоза расщепляется полностью, а конечными продуктами становятся углекислый газ и вода.
2. При недостатке кислорода аэробное расщепление ограничено. Клетка может получать энергию бескислородным путём, но глюкоза расщепляется не полностью.
3. При неполном расщеплении часть энергии сохраняется в конечных продуктах, поэтому высвобождается меньше энергии, чем при аэробном процессе. Сравниваем не только наличие кислорода, но и результат расщепления.

Ответ. При наличии кислорода глюкоза расщепляется полностью и клетка получает больше энергии. При его недостатке возможно бескислородное расщепление, которое неполное и менее выгодное по энергетическому выходу. Поэтому эти пути нельзя считать равноценными.

Повреждение органов дыхания водного животного

Условие. У водного животного повреждены органы, через которые кислород поступает из воды в кровь. Предположите, как это повлияет на клеточное дыхание и работу организма. Для ответа проследим путь кислорода от внешней среды до клетки и установим, какое звено нарушено.

1. В норме кислород из воды проходит через дыхательную поверхность и попадает в кровь. Повреждённые органы хуже обеспечивают этот газообмен.
2. Из-за снижения поступления кислорода кровь доставляет его тканям в меньшем количестве. Клетки получают меньше кислорода для аэробного дыхания.
3. При недостатке кислорода уменьшается возможность полного расщепления органических веществ. Энергии высвобождается меньше, поэтому клеточные процессы и работа органов могут нарушаться.

Ответ. Повреждение органов газообмена, вероятно, снизит поступление кислорода к тканям и затруднит аэробное клеточное дыхание. В результате клетки будут получать меньше энергии, что может ухудшить работу организма. Причина последствий — разрыв цепочки от кислорода в воде до его доставки к клеткам.

Типичные ошибки

Ошибка: считать дыханием только вдох и выдох. Её допускают, потому что дыхательные движения заметны, а клеточное расщепление веществ не видно. Проверьте себя: вдох и выдох обновляют воздух и помогают газообмену, тогда как энергия высвобождается внутри клеток.

Ошибка: путать дыхание с фотосинтезом. Оба процесса связаны с газами и органическими веществами, поэтому их легко объединить в одну схему. Для проверки спросите себя, что происходит с веществами: фотосинтез их создаёт, а дыхание расщепляет и высвобождает энергию.

Ошибка: считать, что растения не дышат или дышат только ночью. Днём выделение кислорода при фотосинтезе может отвлечь от идущего одновременно дыхания. Проверьте рассуждение по условию процесса: дыхание клеткам нужно постоянно, а фотосинтез зависит от света.

Ошибка: полагать, что бескислородное дыхание даёт столько же энергии, сколько аэробное. Иногда путают само получение энергии с её количеством. Чтобы проверить ответ, сравните полноту расщепления: без кислорода органические вещества расщепляются не полностью, поэтому энергии высвобождается меньше.

Связь с другими темами

Для понимания дыхания нужны знания о строении клетки и органических веществах: именно в клетках расщепляются вещества и используется высвободившаяся энергия. Связь с фотосинтезом помогает не путать создание органических веществ с их расщеплением. Обмен веществ и транспорт веществ объясняют, как газы и питательные вещества достигают нужных клеток.

Сравнение способов дыхания помогает изучать строение органов дыхания у разных групп организмов и их приспособленность к среде. Позже эти знания пригодятся при изучении энергетического обмена и физиологии человека. Они также помогают объяснить, как организмы существуют при разных условиях доступности кислорода.

Что запомнить

• Дыхание обеспечивает клетки энергией за счёт расщепления органических веществ.
• Газообмен и клеточное дыхание связаны, но не являются одним и тем же процессом.
• При аэробном дыхании используется кислород.
• Бескислородное расщепление даёт клетке меньше энергии.
• Растения, как и другие организмы, дышат постоянно.
• Способ газообмена зависит от строения организма и среды его обитания.