§34. Дыхание организмов

Определения и обозначения

Дыхание — совокупность процессов, обеспечивающих поступление кислорода, его использование клетками и удаление углекислого газа. Оно связано с получением энергии, потому что кислород помогает расщеплять органические вещества. Благодаря этому организм поддерживает движение, рост и другие жизненные функции.

Внешнее дыхание — газообмен организма с окружающей средой. У животных он может идти через лёгкие, жабры или поверхность тела, а у растений — через устьица, чечевички и корни. Такое определение нужно, чтобы отличать поступление газов от реакций, происходящих внутри клеток.

Клеточное дыхание — ферментативное расщепление органических веществ в клетках с высвобождением энергии и её запасанием в молекулах АТФ. Ферменты направляют и ускоряют последовательность реакций. АТФ служит удобной формой энергетического запаса, который клетка может быстро использовать.

Аэробное дыхание идёт при участии кислорода, а анаэробное дыхание — без него. При аэробном пути вещества окисляются полнее и образуется больше АТФ, тогда как анаэробный путь даёт меньше энергии. Различие помогает понять, почему клетки по-разному работают при достатке и недостатке кислорода.

Как это устроено

Организму нужен непрерывный обмен газами, потому что клетки постоянно расходуют кислород и образуют углекислый газ. Кислород должен пройти из внешней среды к тканям, а углекислый газ — выйти наружу. Поэтому у организмов появились разные дыхательные поверхности и органы: их строение соответствует среде обитания и размерам тела.

Поступивший кислород используется при окислении органических веществ, поскольку он позволяет извлечь из них больше энергии. Энергия не исчезает и не появляется сразу в готовом виде: часть её рассеивается в виде тепла, а часть запасается в АТФ. Затем АТФ расходуется на синтез веществ, сокращение мышц, активный транспорт и другие процессы.

Аэробное расщепление глюкозы начинается в цитоплазме с гликолиза — последовательности реакций, в которой молекула глюкозы делится на более простые соединения. Далее продукты гликолиза поступают в митохондрии, где при участии кислорода проходят последующие этапы окисления. Полное окисление приводит к образованию углекислого газа и воды и обеспечивает большой выход АТФ.

Если кислорода недостаточно, некоторые клетки переключаются на анаэробный путь, чтобы хотя бы частично сохранить получение энергии. В этом случае гликолиз продолжается, но последующие реакции полного окисления не идут. Поэтому образуются продукты неполного расщепления, а энергии хватает только на небольшой запас АТФ.

Внешнее и клеточное дыхание связаны последовательностью: газообмен доставляет кислород к тканям, а клеточные реакции используют его для получения энергии. Однако это не одно и то же, поскольку внешнее дыхание происходит на границе организма со средой, а клеточное — внутри клеток. Нарушение любого звена уменьшает энергетическое обеспечение организма.

Сравнение аэробного и анаэробного клеточного дыхания

Сначала определите, нужен ли кислород, затем сравните место протекания и конечные продукты. Главное следствие различия — неодинаковый выход АТФ: полный путь энергетически выгоднее. Таблица помогает не смешивать условия и продукты двух способов получения энергии.

Разбор задач

Учащение дыхания при физической нагрузке

Условие. Объясните, почему учащение дыхания во время физической нагрузки помогает работающим мышцам.

1. При нагрузке мышцы сокращаются чаще и расходуют больше АТФ.
2. Для восстановления запаса АТФ клеткам требуется усилить окисление органических веществ, а значит, увеличить потребление кислорода.
3. Учащённые вдохи и выдохи усиливают поступление кислорода и удаление углекислого газа, который образуется при клеточном дыхании.

Ответ. Учащение дыхания повышает газообмен и снабжение мышц кислородом. Это поддерживает аэробное образование АТФ и помогает быстрее удалять углекислый газ.

Сравнение расщепления глюкозы

Условие. Сравните аэробное и анаэробное расщепление одной и той же порции глюкозы по условиям, продуктам и выходу АТФ.

1. Аэробный путь требует кислорода, а анаэробный протекает без его участия.
2. При аэробном дыхании глюкоза окисляется полностью до углекислого газа и воды; при анаэробном образуются продукты неполного расщепления.
3. Аэробный путь даёт около 36–38 молекул АТФ, а анаэробный — только 2, поэтому его энергетическая эффективность намного ниже.

Ответ. Одна и та же порция глюкозы при наличии кислорода обеспечивает значительно больше энергии. При его отсутствии клетка получает небольшой запас АТФ, но сохраняет возможность быстро продолжать гликолиз.

Образование молочной кислоты в мышце

Условие. В мышечных клетках при недостатке кислорода усилилось образование молочной кислоты. Определите путь получения энергии и объясните низкий выход АТФ.

1. Молочная кислота указывает на анаэробное расщепление глюкозы, называемое молочнокислым брожением.
2. Кислорода недостаточно для работы полного аэробного пути, поэтому клетка поддерживает только реакции гликолиза в цитоплазме.
3. Глюкоза не окисляется полностью, и большая часть её энергии остаётся в молочной кислоте, поэтому образуются лишь 2 молекулы АТФ.

Ответ. Активизировался анаэробный путь получения энергии. АТФ образуется меньше, потому что без кислорода невозможно полное окисление глюкозы.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Дыхание считают только вдохом и выдохом. Так происходит из-за привычного бытового значения слова, но газообмен — лишь часть общего процесса получения энергии. Проверьте себя: спросите, что происходит с кислородом после его поступления в организм.

Ошибка 2. Внешнее дыхание отождествляют с клеточным. Первое описывает обмен газами со средой, а второе — реакции внутри клеток, поэтому их места и функции различны. Полезная проверка: если речь идёт о лёгких или жабрах, это внешнее дыхание, если об АТФ и ферментах — клеточное.

Ошибка 3. Клеточное дыхание смешивают с фотосинтезом. При дыхании органические вещества расщепляются и энергия высвобождается, а при фотосинтезе энергия света используется для их образования. Сверяйте направление процесса: расход органических веществ указывает на дыхание.

Ошибка 4. Считают, что анаэробное дыхание полностью окисляет глюкозу и даёт столько же энергии. Недостаток кислорода ограничивает расщепление, поэтому выход составляет только 2 АТФ. Проверьте ответ по двум признакам: неполные продукты и меньшая энергетическая эффективность.

Связь с другими темами

Для понимания дыхания нужны знания о строении клетки, органических веществах и роли АТФ как переносчика энергии. Без этого трудно объяснить, почему расщепление глюкозы связано с работой ферментов и запасанием энергии.

Тема продолжает изучение газообмена и органов дыхания животных и растений. Она также связывает эти процессы с обменом веществ и показывает, откуда клетка получает энергию для жизнедеятельности.

Что запомнить

• Дыхание связывает газообмен организма с получением энергии клетками.
• Внешнее дыхание и клеточное дыхание — разные, но взаимосвязанные процессы.
• Клеточное дыхание обеспечивает запасание части высвобождаемой энергии в АТФ.
• При аэробном дыхании кислород участвует в полном окислении органических веществ.
• Анаэробное расщепление происходит без кислорода и даёт меньше АТФ.
• У разных организмов способы внешнего газообмена различаются.