Proces oddychania jest dowodem jedności świata organicznego

Na wstępie mojej pracy chciałabym zaznaczyć ogromną wagę procesu oddychania. Oddychają wszystkie organizmy żywe. Może być to oddychanie przy udziale tlenu lub oddychanie beztlenowe. Przede wszystkim jest to proces, którego celem jest otrzymanie cennej energii, potrzebnej w różnych ilościach wszystkim organizmom do aktywności życiowej. Im większa powierzchnia oddechowa, tym więcej energii organizm jest w stanie wytworzyć. Na przestrzeni wieków układ oddechowy ulegał pewnym modyfikacjom, które były przede wszystkim spowodowane zmianą środowiska życia. Organizmy ze środowiska wodnego stopniowo przechodziły do środowiska lądowego, co zwiększyło zapotrzebowanie na energię. Zwiększała się powierzchnia oddechowa, a płuca stawały się coraz bardziej wyspecjalizowane. W tej pracy przedstawię różnorodność procesu oddychania, który jednoczy wszystkie organizmy przez wspólny cel – pozyskiwanie energii.

Rośliny i zwierzęta pobierają tlen. I jedne, i drugie wykorzystują tlen do uwolnienia energii zawartej w pożywieniu. Żywe organizmy przez cały czas zużywają tlen, ale rośliny uszczuplają jego zapasy jedynie w nocy, ponieważ rośliny produkują tlen szybciej niż zużywają go w procesie oddychania. Produkty fotosyntezy, utrzymujące życie i rozwój samożywnych organizmów, są podstawą istnienia organizmów cudzożywnych, w tym przede wszystkim ludzi, ponieważ dostarczają im pokarmu, tlenu i energii. To przemieszczanie się tlenu umożliwia utrzymywanie stałego poziomu jego zawartości w atmosferze. Zauważamy więc ścisłe zależności procesu oddychania między światem roślin a zwierząt. Aby zaobserwować to zjawisko w przyrodzie, przyjrzyjmy się obiegowi tlenu. Podczas dnia rośliny wydalają tlen do atmosfery jako uboczny, zbędny produkt fotosyntezy. Zwierzęta wdychają tlen i używają go do uzyskiwania energii z pokarmu w procesie oddychania, a rośliny również oddychają i pobierają tlen przez liście. Podczas nocy rośliny nie fotosyntezują, więc nie wytwarzają tlenu, przeciwnie – pobierają tlen z atmosfery, potrzebując go do oddychania.

Na oddychanie składają się dwa procesy. Pierwszym z nich jest wymiana gazowa, polegająca na pobraniu tlenu ze środowiska i przekazaniu go przez krew do komórek ciała, z jednoczesnym odbieraniem dwutlenku węgla z komórek i usunięciem go na zewnątrz. Drugi proces to oddychanie wewnątrzkomórkowe, które charakteryzuje się reakcjami utleniania związków organicznych i dzięki czemu otrzymywanie dużej ilości energii oraz substancji prostych – wody i dwutlenku węgla. Częściowe utlenianie zachodzi podczas oddychania beztlenowego, natomiast całkowite podczas oddychania tlenowego.

Wiele bakterii, jako jedne z pierwszych organizmów, zdobywa energię w warunkach beztlenowych, podobnie jak grzyby, przez fermentacje (rozkład cukrów) lub przez gnicie (rozkład białek). Fermentacja jest to proces beztlenowego, enzymatycznego rozkładu węglowodanów, który zaczyna się od glikolizy. Przebiega w cytoplazmie komórki aż do momentu wytworzenia kwasu pirogronowego. Później następuje dekarboksylacja (odłączenie dwutlenku węgla). Produktem końcowym jest, co najważniejsze, energia – zysk energetyczny z jednej cząsteczki glukozy wynosi 2 ATP, a także, w zależności od rodzaju fermentacji, możemy otrzymać: alkohol etylowy, kwasy organiczne, takie jak masłowy, octowy i mlekowy.

Większą wydajność energetyczną, konieczną podczas prowadzenia aktywnego życia, gwarantuje oddychanie przy udziale tlenu. Tlenowo oddycha większość żywych organizmów, w tym człowiek. Narządy wymiany gazowej organizmów tlenowych ulegały przekształceniom. Drogi oddechowe stopniowo wydłużały się, a poszczególne elementy stawały się coraz bardziej idealne. Przyjrzyjmy się poszczególnym organizmom pod względem długości dróg oddechowych i narządów wymiany gazowej. U ryb zauważamy brak dróg oddechowych. Właściwym narządem oddechowym u większości ryb są blaszkowate skrzela zbudowane z czterech par łuków skrzelowych, na których osadzone są bogato ukrwione listki skrzelowe. U płazów drogi oddechowe przebiegają przez nozdrza zewnętrzne, nozdrza wewnętrzne, przez jamę gębową do tchawico-krtani. U form larwalnych zauważamy skrzela zewnętrzne lub wewnętrzne, a u osobników dorosłych workowate płuca. Pierwszym płucom towarzyszyła również możliwość wymiany gazowej przez skórę. Drogi oddechowe gadów przebiegają, zaczynając od nozdrzy zewnętrznych, przez nozdrza wewnętrzne, krtań, tchawicę do dwóch oskrzeli głównych. Płuca gąbczaste są podzielone na liczne komory. Poza tym oddychanie ułatwia klatka piersiowa i mięśnie międzyżebrowe. Natomiast drogi oddechowe ptaków zbudowane są następująco: nozdrza zewnętrzne, jama nosowa, nozdrza wewnętrzne, krtań, tchawica i dwa oskrzela główne. Płuca są małe i rurkowate, zawierają dodatkowe worki powietrzne, co umożliwia stały przepływ powietrza przez płuca – zjawisko podwójnego oddychania. Ptaki w czasie lotu potrzebują dużych nakładów energetycznych, dzięki którym mogą łatwo to osiągnąć. Oddychanie ułatwiają klatka piersiowa i mięśnie międzyżebrowe.

Zatrzymajmy się przy ssakach, a konkretnie przy człowieku. Należy w tym momencie nadmienić, że oddychanie tlenowe, czyli dostarczenie tlenu do narządów wymiany gazowej, dalej do komórek i tam oddychanie wewnątrzkomórkowe, przebiega w podobny sposób u ryb, płazów, gadów i ssaków. Dlatego postanowiłam w tej pracy skupić się przede wszystkim na procesie oddychania ssaków, które mają najdłuższe drogi oddechowe, najbardziej wyspecjalizowane płuca i największe zapotrzebowanie na energię.

Drogi oddechowe obejmują jamę nosową, gardło, krtanię, tchawicę oraz oskrzela główne, które wchodzą do parzystych płuc.

Płuca zamknięte są w jamie opłucnej, której wilgotna powierzchnia zmniejsza tarcie między płucami a klatką piersiową podczas oddychania. Prześledźmy drogę powietrza. Wdychane powietrze dostaje się do nosa.

Tam ulega ogrzaniu, nawilżeniu i oczyszczeniu z zanieczyszczeń. Jama nosowa łączy się z gardłem, gdzie krzyżują się droga oddechowa z pokarmową. Z gardła częściowo oczyszczone powietrze dostaje się do krtani, zbudowanej z chrząstek, więzadeł i mięśni, które umożliwiają wydawanie dźwięków.

Wejście do krtani ograniczone jest przez nagłośnię. Z krtani powietrze wędruje do tchawicy, przypominającej kształtem spłaszczoną, sprężystą rurę wzmocnioną licznymi chrząstkami. W klatce piersiowej tchawica rozgałęzia się na dwa oskrzela główne o budowie podobnej do tchawicy. Powietrze dostaje się do pęcherzykowatych płuc.

Wdychane powietrze nie zawiera wyłącznie tlenu – jest go tam około 21%, pozostałą część stanowi azot (78%) i inne gazy, w tym dwutlenek węgla (około 1%). Po osiągnięciu pęcherzyków płucnych – właściwej, czynnej powierzchni wymiany gazowej – powietrze trafia do krwi dzięki rozbudowanej sieci naczyń włosowatych.

Erytrocyty transportują gazy oddechowe – tlen i dwutlenek węgla – do lewego przedsionka serca. Krew przepływa do komory lewej i przez tętnice trafia do komórek ciała, co stanowi początek tlenowego oddychania wewnątrzkomórkowego, który przeprowadzają rośliny i zwierzęta w taki sam sposób. Proces ten odbywa się w trzech etapach. Pierwszym z nich jest glikoliza, która przebiega w cytoplazmie komórki aż do momentu wytworzenia kwasu pirogronowego. Cykl Krebsa – etap drugi – przebiega w matrix mitochondrialnym. Kwas poprzez dekarboksylację przemienia się w czynny octan, który ulega wielu przemianom od kwasu cytrynowego do kwasu szczawiooctowego. Ostatnim etapem jest łańcuch oddechowy, przebiegający na wewnętrznych błonach mitochondrium. Powstaje woda, dwutlenek węgla i energia – 36 ATP. Krew bogatsza w dwutlenek węgla, a uboższa w tlen trafia żyłami do prawej części serca, potem do pęcherzyków płucnych. Do pęcherzyków oddawany jest dwutlenek węgla (dochodzi do wyrównania stężeń), który zwiększył się (wdech 0,003% – wydech 4%), azot pozostaje bez zmian ilościowych (78%) i tlen około 16% z 21%. Następuje wydech.

Podsumowując moją pracę, mogę z całą pewnością stwierdzić, iż proces oddychania jednoczy świat organiczny. Zarówno rośliny, jak i zwierzęta potrzebują tlenu do życia – mam nadzieję, że dokładnie i zrozumiale przedstawiłam to w pracy.