Дыхание организмов. Газообмен

Что такое дыхание? Чем отличается процесс дыхания от газообмена?

Поддержание обмена веществ. Подавляющее большинство живых организмов для дыхания нуждаются в постоянном поступлении кислорода. Кислород усваивается организмом либо из атмосферного воздуха, либо из воды, в которой он растворен.

Дыхание – это процесс, посредством которого живые организмы высвобождают энергию из питательных веществ. Когда дыхание протекает в клетках, его называют клеточным (тканевым) или внутренним дыханием. (Процесс клеточного дыхания был рассмотрен в § 13.) Если для этого процесса требуется кислород, то дыхание называют аэробным. Если же реакции происходят в отсутствие кислорода, то дыхание анаэробное. Анаэробными организмами являются некоторые бактерии, получающие энергию в процессе бескислородного расщепления углеводов или аминокислот. Анаэробами являются, например, такие бактерии, как палочки ботулизма и гангрены.

Клеточное (внутреннее) дыхание не следует путать с двумя процессами: поглощением кислорода из окружающей среды и выделением углекислого газа в среду. В совокупности эти два процесса составляют газообмен, или внешнее дыхание.

Газообмен. Внешнее дыхание, или газообмен, представляет собой совокупность процессов, обеспечивающих поступление в организм кислорода для использования его в биологическом окислении органических веществ и удаление из организма углекислого газа, образовавшегося в процессе окисления.

Каким бы ни был процесс дыхания – аэробным или анаэробным, между организмом и средой непрерывно должен происходить обмен газами. Аэробным организмам для окисления питательных веществ и получения энергии нужен поступающий из окружающей среды кислород, а в окружающую среду аэробы и большинство анаэробов выделяют конечный продукт дыхания – углекислый газ.

Газообмен происходит на поверхности дыхательных органов или клеточных мембран, называемых дыхательной поверхностью. Дыхательная поверхность удовлетворяет нескольким условиям: она проницаема для газов; тонкая, в связи с чем диффузия газов эффективна; влажная, так как газы диффундируют только в растворенном виде; имеет относительно большую площадь, через нее обмениваются достаточные количества газов в соответствии с потребностями организма.

Газообмен у животных. У одноклеточных животных, например у обыкновенной амебы, живущей в водной среде, газообмен происходит путем диффузии через всю наружную цитоплазматическую мембрану, что вполне обеспечивает потребности амебы в кислороде (рис. 21).

Газообмен у животных, осуществляемый через поверхность тела
Рис. 21. Газообмен у животных, осуществляемый через поверхность тела

У кишечнополостных, например у гидры пресноводной, все клетки находятся в контакте с водной средой, и у каждой из этих клеток газообмен происходит через мембрану, соприкасающуюся с водой.

У плоских червей газообмен зависит от образа жизни животного. Например, у свободноживущего червя – молочной планарии (см. рис. 21) – кислород поступает в организм путем диффузии через всю поверхность тела. Молочная планария живет в хорошо аэрируемых водоемах.

А вот такие плоские черви, как свиной и бычий цепни, паразитируют в кишечнике человека, где кислорода очень мало. В таких условиях они проявляют себя как анаэробные организмы.

У кольчатых червей специальной дыхательной системы нет, и газообмен осуществляется путем диффузии через всю поверхность тела. Такой обмен полностью удовлетворяет потребности в кислороде кольчатых червей.

С увеличением размеров тела отношение поверхности тела к его объему уменьшается, поскольку уменьшается число клеток, непосредственно контактирующих с внешней средой. Простая диффузия газов уже не может обеспечить достаточный приток кислорода к тем клеткам, которые не находятся в прямом контакте с внешней средой. К тому же нередко у крупных животных ввиду активности процессов обмена веществ возрастает потребность в кислороде.

Повышенная потребность организмов в кислороде привела в процессе эволюции к тому, что некоторые участки тела животных превратились в специализированные дыхательные поверхности. У разных животных типы дыхательных поверхностей различны (рис. 22).

Газообмен у животных через дыхательные поверхности
Рис. 22. Газообмен у животных через дыхательные поверхности

Обычно площадь дыхательных поверхностей (например, площадь дыхательных путей и легких) значительная, и часто эти поверхности связаны с кровеносной системой. Кровеносная система обеспечивает связь дыхательной поверхности со всеми тканями и способствует непрерывному обмену кислородом и углекислым газом между органами дыхания и тканями всех прочих органов. Присутствие в крови особого дыхательного пигмента, например гемоглобина, позволяет крови осуществлять более интенсивный перенос кислорода и углекислого газа.

У членистоногих, например у насекомых, газообмен происходит через систему разветвленных трубочек – трахей, благодаря чему кислород из воздуха поступает непосредственно к тканям, и необходимость в транспортировке его кровью отпадает.

Органы дыхания у рыб представлены жабрами, лепестки которых пронизаны многочисленными капиллярами. Жабры постоянно омываются током воды, в которой растворен кислород.

В процессе эволюции у земноводных появились специальные органы – легкие, хотя газообмен частично осуществляется и через кожу, н через слизистую оболочку ротовой полости.

У птиц в процессе эволюции выработался высокоэффективный механизм газообмена. Кроме легких у них имеются воздушные мешки, располагающиеся между внутренними органами и мышцами. Эти мешки служат дополнительными резервуарами воздуха.

В легких млекопитающих насчитываются сотни миллионов альвеол– легочных пузырьков. Все альвеолы и создают ту дыхательную поверхность, через которую у млекопитающего происходит газообмен.

Газообмен у растений. Интенсивность обмена веществ у растений меньше, чем у животных. Процесс газообмена у растений, с одной стороны, обеспечивает дыхание (т. е. поступление кислорода и выделение углекислого газа), а с другой – снабжает углекислым газом и выводит кислород при фотосинтезе.

У некоторых низших растений (у водорослей) газообмен осуществляется путем диффузии газов через всю поверхность, а у крупных цветковых растений кислород в основном поступает через устьица листьев (и зеленых стеблей у травянистых растений). Внутри растения кислород поступает в воздухоносные межклетники, а затем достигает клеток и растворяется во влаге, покрывающей клеточные стенки. Отсюда кислород диффундирует уже внутрь клеток. Углекислый газ движется по растению тем же путем, но в обратном направлении.

Таким образом, все растения, животные и бактерии (за исключением организмов-анаэробов) поглощают кислород из внешней среды и в нее же выделяют углекислый газ, хотя пути газообмена у разных организмов различны.

Вопросы и задания

  1. Что такое дыхание? В чем состоит биологический смысл дыхания?
  2. Что такое газообмен?
  3. Какое дыхание называется клеточным или внутренним?
  4. В чем заключается внешнее дыхание, или газообмен?
  5. Какие организмы называются анаэробными?
  6. Каким образом осуществляется газообмен у водорослей?
Биология: