Какие процессы происходят при дыхании. Дыхание у растений происходит в клетках органов
Инструкция
В человеческом организме дыханием называется процесс вентиляции легких, во время которого происходит интенсивный газообмен между атмосферным воздухом и кровью. Механизм дыхания можно условно разделить на две составляющие: физиологическую и биохимическую. Кроме того, во время дыхания в организме происходит множество самых разнообразных процессов, обеспечивающих как жизнедеятельность, так и восприятие окружающего мира.
Сама механика дыхательного процесса довольно проста. В грудной клетке человеческого организма имеется замкнутая полость, внутри которой располагаются самые крупные органы - легкие. Внутреннее давление в грудной клетке значительно ниже атмосферного, а поэтому поверхность легких плотно прилегает к внутренним стенкам свободного пространства. Таким образом, расширение и сужение объема легких происходит за счет камеры, в которой они расположены.
Можно выделить два типа дыхания, которые классифицируются по принципу расширения внутренней полости. Это грудной тип дыхания, при котором область грудной клетки расширяется поднятием ребер, и брюшной тип, в процессе которого участвует диафрагма - тонкая пластина, грудную полость от брюшной. Диафрагма имеет выпуклую форму и ее купол направлен кверху. При сокращении мышц брюшной полости она растягивается и выравнивается, за счет чего происходит расширение объема грудной клетки.
Внутренняя структура легких напоминает очень мягкую губку, которая состоит из несметного количества кровеносных сосудов с очень тонкими стенками, способными пропускать сквозь себя молекулы газов. Такие сосуды называют альвеолами, а их - обеспечивать посредственный контакт крови с атмосферным воздухом.
В крови содержатся три типа кровяных телец. Эритроциты, или красные кровяные тельца, содержат гемоглобин - сложный белок с высоким содержанием низковалентного железа. Основная функция - обратимое присоединение к себе молекул газов и их последующий перенос в ткани живого организма. Таким образом, при попадании в альвеолу кровяной клетки, в которой содержится гемоглобин, последний присоединяет к себе несколько молекул кислорода и транспортирует их в организм. В процессе обмена веществ происходит сжигание кислорода, в результате чего образуется углекислый газ. он, в свою очередь, также присоединяется к гемоглобину и переносится обратно в альвеолы легких, где и происходит его в выдыхаемый воздух.
В процессе дыхания осуществляется не только газообмен. Поток воздуха, проходящий через верхние дыхательные пути, активизирует работу рецепторов, реагирующих на его химический состав. Так человек чувствует запахи. При произнесении речи голосовые связки лишь регулируют тембр голоса и обеспечивают генерацию гласных звуков, в то время как легкие, при выдыхании, обеспечивают необходимое давление воздуха, благодаря чему становится возможным произношение согласных звуков, а также появляется сила голоса.
Дыхание - это универсальное свойство всего живого, что есть на Земле. Основным свойством дыхательного процесса является поглощение кислорода, взаимодействующего с органическими соединениями живых тканей с образованием воды и углекислоты. Дыхание растений сопровождается поглощением воды растительным организмом, а в окружающее пространство растения выделяют углекислоту.
При дыхании для выделения энергии растение расходует этот процесс является обратным фотосинтезу, когда в накапливаются питательные вещества. В дневные часы почти все растения производят кислород, однако в их клетках параллельно имеет место и дыхательный процесс, но он протекает менее интенсивно. Ночью дыхание растений происходит активнее, в отличие от фотосинтеза, который, без доступа света, прекращается.
Акт дыхания у растений
Растительная клетка и, соответственно, все растение в целом, существует при условии непрерывного притока пластических веществ и энергии. Акт дыхания, с химической точки зрения, складывается из многочисленных звеньев цепочки связанных окислительно-восстановительных реакций, которые происходят между клеточными органеллами и сопровождаются расщеплением веществ. Выделяемая при расщеплении энергия используется для питания растения.
Растений - это газообмен между непосредственно организмом растения и внешней средой через устьица листиков или чечевички в стволах деревьев. Органами дыхания более высокоорганизованных растений являются листья, стволы деревьев, стебли, каждая из клеток водорослей.
Тканевое дыхание
За у растений отвечают специальные структуры клеток - митохондрии. Эти органеллы существенно отличаются от таковых у животных, что можно объяснить особенностями процесса жизнедеятельности растений (образ жизни - прикрепленный, изменение метаболизма из-за переменчивых условий окружающей среды).
Поэтому дыхание растений сопровождается дополнительными путями окисления органических элементов, при которых продуцируются альтернативные ферменты. Алгоритм дыхания можно представить схематически как реакцию окисления до воды и углекислоты сахаров, благодаря поглощению кислорода. Это сопровождается выделением тепла, что отчетливо прослеживается при распускании цветов и прорастании семян. Дыхание растений - это не только поставка энергии для роста и дальнейшего развития растения. Роль дыхания очень важна. На промежуточных этапах дыхательного процесса образуются используемые затем при обмене веществ, например, пентоза и Дыхание и фотосинтез, несмотря на то, что противоположны по своей природе, взаимосвязаны, так как служат источниками таких энергетических носителей, как НАДФ-Н, АТФ и метаболитов в клетке. Вода, которая выделяется при дыхании, в засушливых условиях сохраняет растение от обезвоживания. При этом, если процесс слишком интенсивный, избыточное выделение дыхательной энергии в виде тепла может вызвать потерю сухого вещества живой клетки.
В дыхании участвуют системы, которые снабжают организм кислородом. У растений оно идентично животному. Этот процесс длится круглосуточно. Дыхание у растений происходит в клетках органов, расположенных на всей поверхности листьев, стеблей и корней. В нем взаимодействуют все клетки организма. Если у представителя флоры произойдет закупорка клеток, то поступление углекислого газа прекратится. В этом случае растение может погибнуть.
Историческая справка
О том, что растения при дыхании выделяют кислород, было написано в научных трудах А.Л. Лавуазье. В 1773-1783 он проводил опыты. Итогом его работ стало открытие, что при горении и дыхании поглощается большое количество кислорода. При этом выделяется углекислый газ и тепло.
На основании своих трудов ученый выявил, что дыхание является горением питательных веществ в живом организме. Позже эту деятельность продолжил Я. Ингенхауз. Он доказал, что и в темноте, и при солнечном свете происходит поглощение углекислого газа и выделение кислорода. Это означает, что растения при дыхании могут перерабатывать как СО 2 , так и О 2 , в зависимости от того, участвует ли свет в этом процессе или нет.
Подобные исследования проводили Х.Ф. Шейнбайн и А.Н. Бах. В 1897 году была открыта теория В этом же году похожие труды представил К. Энглер. В 1955 году О. Хаяиши и Г.С. Мэзон при помощи опытов подтвердили, что кислород является важным элементом органических соединений.
Специфика дыхания у растений
Дыханием называют универсальный процесс. Он считается неотъемлемой частью всех живых организмов. Принято думать, что дыхание у растений происходит в клетках органов и тканей, через которые происходит газообмен. Такую систему связывают с жизнью, а прекращение дыхания - со смертью всего живого.
Проявление жизнедеятельности неразрывно связано с расходованием энергии. При этом происходит развитие, размножение, рост, клеточное деление. Передвигаются и поглощаются питательные вещества, вода, различные синтезы и процессы. растений являются сложной многозвенной системой. Сопряженные окислительные процессы изменяют химический состав органических соединений.
Клеточное дыхание
Такое дыхание является окислительным процессом. В нем участвует кислород и распад важных питательных веществ. Происходит освобождение энергии и образование активных метаболитов. Клетками они применяются для образования необходимых процессов жизнедеятельности. В этом случае дыхание у растений происходит в клетках органов и рассчитывается с помощью суммарного уравнения:
С6Н12О6 + 602 > 6С02 + 6Н20 + 2875 кДж/моль.
Полученная энергия освобождается не целиком. Часть энергии аккумулируется в аденозинтрифосфат. После синтеза на мембране образовываются разности электрических зарядов. Такое явление предшествует разности концентраций ионов водорода, которые образовываются в двух сторонах мембраны. Дыхание и питание растений происходят при помощи протонного градиента. Он является главным материалом энергии, необходим для тонких процессов, происходящих в клетке. Такие процессы применяются при синтезе, поступлениях, передвижениях воды и питательных элементов. В химической структуре создается разность потенциалов между окружающей средой и цитоплазмой. Энергия, которая не смогла накопиться в протонном градиенте, рассеивается в качестве света.
Каталитические процессы дыхания
Окисление субстратов происходит при помощи ферментов. Их называют белковыми катализаторами. Ферменты обладают некоторыми особенностями:
- очень высокой лабильностью;
- повышенной активностью;
- большой специфичностью по отношению к субстратам.
Дыхание и питание растений зависит от пространственной ориентации, которая изменяется под воздействием внутренних и внешних факторов. Происходит регуляция обмена веществ. С понятием электронов связаны некоторые способы окисления. Типы окислительных реакций:
- отдача электронов;
- присоединение кислорода;
- отнятие водорода;
- возникновение гидратированного соединения;
- отнятие протонов и двух электронов.
Окисление вещества сопряжено с восстановлением акцептора. Такие ферменты принято считать оксидоредуктазами. При этом происходит отсоединение протонов и электронов. Их принимает акцептор. Энзим формирует реакцию переноса. К таким процессам относятся аэробное и анаэробное дыхание.
Аэробное дыхание
Такая система дыхания относится к окислительному процессу. При дыхании растение поглощает углекислый газ, выделяя при этом кислород. Субстрат распадается на энергии неорганических веществ. Главными субстратами для дыхания растений являются углеводы. Кроме них, может расходоваться запас белков и жиров.
Такое дыхание включает в себя два главных этапа:
- Бескислородный процесс. В нем происходит медленный постепенный распад субстратов, освобождение атомов водорода и связывание процесса с коферментами.
- Кислородный процесс. Здесь наблюдается последующее отщепление атомов водорода. Они отходят от дыхательного субстрата и постепенно окисляются. В итоге происходит перенос электронов на кислород.
Анаэробное дыхание
Такое дыхание растений происходит при помощи микроорганизмов, живущих на Для окисления веществ они не используют молекулярный кислород. Им необходима азотная соль, угольная и серная кислота, которая при длительных процессах превращается в восстановленные соединения. Необходимая энергия достигается при помощи расщепления сложных молекул органических веществ на наиболее простые. Конечным акцептором электронов считаются карбонаты, сульфаты и нитриты. Азотная соль, серная и угольная кислота превращаются в восстановительные соединения.
Корневая система
Неотъемлемой частью процесса является дыхание корней растений. Для активного произрастания представителям флоры необходим свежий воздух, поступающий к Такое дыхание осуществляется с помощью кислорода, который циркулирует в крупных порах.
При некапиллярной порозности во время затяжных ливней или переизбытке влаги в горшке почва перенасыщается влагой. В этот период корневая система испытывает асфиксию. Некоторые подвиды растений могут дышать благодаря кислороду, растворенному во влаге. При этом поток воды должен циркулировать или быть проточным. При застое влаги корни представителей флоры не получают необходимого кислорода.
В приемлемых условиях при дыхании растение поглощает углекислый газ. Но при застойном режиме оно не может вести полноценный газообмен. Рост значительно замедляется. По отношению к азоту уровень кислорода снижается на 21%. Прекращается использование минеральных ресурсов почвы. Растение захватывает воздух, который поступает за счет листьев, стебля и коры растения.
Значение дыхания
Дыхание у растений происходит в клетках органов и является основным процессом обмена веществ. Энергия, которая выделяется при дыхании, расходуется на рост и активность представителей флоры.
Дыхание растений сравнивают с фотосинтезом. Процесс проходит несколько этапов. На промежуточных стадиях формируются органические соединения. Они применяются в метаболических реакциях. К ним относят пентозы и органические кислоты, которые образуются при дыхательном распаде. Поэтому дыхание принято считать источником метаболитов.
Система дыхания считается поставщиком энергетических эквивалентов НАДФ-Н и АТФ. Растения при дыхании выделяют кислород. В этом процессе у представителей флоры образуется вода. При обезвоживании растения она предохраняет его от гибели.
Иногда энергия дыхания может быть выделена в качестве тепла. В этом случае дыхательный процесс приведет к ненужной затрате сухого вещества. Усиление процесса дыхания для самого растения далеко не во всех случаях является полезным.
Образующиеся в ходе фотосинтеза сахара и другие органические соединения используются клетками растительного организма в качестве питательных веществ. Клетки незеленых частей и все клетки растения в темноте питаются веществами углеводной природы гетеротрофно и в этом принципиально не отличаются от животных клеток. Важнейшим этапом питания органическими веществами на клеточном уровне является процесс дыхания.
Клеточное дыхание - это окислительный, с участием кислорода распад органических питательных веществ, сопровождающийся образованием химически активных метаболитов и освобождением энергии, которые используются клетками для процессов жизнедеятельности.
Научные основы учения о роли кислорода в дыхании были заложены трудами A. Л. Лавуазье. В 1774 г. кислород независимо открыли Пристли и Шееле, а Лавуазье дал название этому элементу. Изучая одновременно процесс дыхания животных и горение, Лавуазье в 1773 - 1783 гг. пришел к выводу. что при дыхании, как и при горении, поглощается 0 2 и образуется С0 2 , причем в том и другом случаях выделяется теплота. На основании своих опытов он заключил, что процесс горения состоит в присоединении кислорода к субстрату и что дыхание есть медленно текущее горение питательных веществ в живом организме.
Я. Ингенхауз в 1778-1780 гг. показал, что зеленые растения в темноте, а незеленые части растений и в темноте, и на свету поглощают кислород и выделяют С0 2 так же, как животные. Основателем учения о дыхании растений считают Н. Т. Соссюра. В 1797-1804 гг., впервые широко использовав количественный анализ, он установил, что в темноте растения поглощают столько же кислорода, сколько выделяется С0 2 , т.е. соотношение С0 2 /0 2 , как правило, равно 1. При этом одновременно с С0 2 образуется и вода. Мнение Соссюра о том. что описанный им газообмен у растений является процессом дыхания и что этот процесс обеспечивает растительный организм энергией, долгое время не признавалось. Утверждалось, что в ночное время растения выделяют тот С0 2 , который не был использован при фотосинтезе, и что этот С0 2 не имеет отношения к дыханию.
Однако постепенно накапливалось все больше данных о том, что дыхание животных и растений протекает однотипно, несмотря на отсутствие у растений специальных дыхательных органов, причем основным субстратом дыхания служат сахара. И. П. Бородин (1876) в серии точных опытов установил, что интенсивность дыхания листоносных побегов в темноте в первую очередь зависит от количества углеводов, накопленных ими на свету.
Во второй половине XIX в. в результате изучения дыхания у растительных и животных объектов общее уравнение этого процесса приняло следующий вид:
С6Н12О 6 + 60 2 6С0 2 + 6Н 2 0 + энергия (2875 кДж/моль)
ЗНАЧЕНИЕ ДЫХАНИЯ В ЖИЗНИ РАСТЕНИЯ
Дыхание - один из центральных процессов обмена веществ растительного организма. Выделяющаяся при дыхании энергия тратится как на процессы роста, так и нa поддержание в активном состоянии уже закончивших рост органов растения. Вместе с тем значение дыхания не ограничивается тем, что это процесс, поставляющий энергию. Дыхание, подобно фотосинтезу, сложный окислительно _ восстановительный процесc, идущий через ряд этапов. На его промежуточных стадиях образуются органические соединения, которые затем используются в различных метаболических реакциях. К промежуточным соединениям относят органические кислоты и пентозы образующиеся при разных путях дыхательного распада. Таким образом, процесс дыхания - источник многих метаболитов. Несмотря на то что процесс дыхания в суммарном виде противоположен фотосинтезу, в некоторых случаях они могут дополнять друг друга. Оба процесса являются поставщиками как энергетических эквивалентов (АТФ, НАДФ-Н), так и метаболитов. Как видно из суммарного уравнения, в процессе дыхания образуется также вода. Эта вода в крайних условиях обезвоживания может быть использована растением и предохранить его от гибели. В некоторых случаях, когда энергия дыхания выделяется в виде тепла, дыхание ведет к бесполезной потере сухого вещества. В этой связи при рассмотрении процесса дыхания надо помнить, что не всегда усиление процесса дыхания является полезным для растительного организма.
- Какой газ при дыхании поглощается, а какой выделяется?
- Какой газ поддерживает горение?
- Какой процесс называют фотосинтезом?
Всем живым организмам для жизнедеятельности необходима энергия. Растения и животные получают ее в процессе дыхания.
Вы много раз наблюдали, как горят дрова в костре или печке. При горении выделяется большое количество энергии в виде тепла и света. Откуда она берется? При горении органические вещества взаимодействуют с кислородом. Сложные органические вещества распадаются на более простые. А световая энергия, которая была использована растениями в процессе фотосинтеза для образования органических веществ, освобождается в виде тепла и света.
Горение сходно с дыханием. Но горение протекает очень бурно, с выделением большого количества энергии. При дыхании разложение органических веществ происходит постепенно, в несколько этапов. На каждом этапе выделяется небольшое количество энергии, которую организм использует на различные процессы жизнедеятельности. Таким образом, дыхание - процесс, в ходе которого живые организмы поглощают из окружающей среды кислород и выделяют углекислый газ. Этот процесс протекает с выделением энергии. У разных организмов дыхание осуществляется по-разному.
Дыхание животных . Одноклеточные организмы, примитивные многоклеточные (губки, кишечнополостные), ряд червей дышат, поглощая кислород из воздуха или воды всей поверхностью тела. За счет дыхания через кожу обеспечивается около 50% газообмена у большинства земноводных.
С усложнением строения организма у разных групп животных появляются специальные органы дыхания (рис. 52): жабры (у большинства водных беспозвоночных, рыб, личинок земноводных); трахеи (у насекомых); легкие (у наземных моллюсков, земноводных, пресмыкающихся, птиц и млекопитающих).
Рис. 52. Органы дыхания животных: а - жабры рыб; б - трахеи насекомых; в - легкие земноводных
Дыхание растений . У растений дыхание также обеспечивает потребности всех тканей и клеток в кислороде. Наиболее интенсивно дышат растущие органы растения, очень слабо - сухие семена. Специальных органов дыхания у растения нет. У высших растений ведущую роль в газообмене играют устьица в кожице листьев и зеленых стеблей и чечевички пробкового слоя коры (рис. 53). У крупных растений между рыхло расположенными клетками имеются воздушные пространства (межклетники), из которых кислород поступает в клетки.
Рис. 53. Устьица (а), чечевичка (б)
Основная часть энергии, образующейся при дыхании, используется растением на процессы жизнедеятельности, а небольшая часть выделяется в виде тепла. Надземная часть растения окружена воздухом. Труднее приходится корням, так как в почве в два раза меньше кислорода. Поэтому в растениеводстве используют различные приемы, улучшающие дыхание корней. Специальными культиваторами почву рыхлят и увеличивают приток воздуха к корням.
Ответьте на вопросы
- Какой процесс называют дыханием?
- В чем состоит значение дыхания?
- Какие органы дыхания животных вы знаете?
- Как можно доказать, что растения дышат?
Новые понятия
Дыхание. Жабры. Трахеи. Легкие. Устьица. Чечевички.
Подумайте!
Почему на свету у растений трудно обнаружить процесс дыхания?
Моя лаборатория
Зимой подо льдом в пресных водоемах часто не хватает кислорода и поэтому происходят заморы рыбы. Чтобы избежать этого, люди во льду делают проруби или закачивают воздух с помощью насосов.
Убедиться в том, что растения дышат, вам помогут несложные опыты.
Опыт 1 . В два одинаковых сосуда налили воду, в которой растворено небольшое количество минеральных веществ, необходимых растению. В каждый сосуд погрузили корнями в раствор проростки фасоли, бобов или гороха и закрепили их. Раствор в одном из сосудов ежедневно насыщали воздухом с помощью пульверизатора. Другой сосуд плотно закрыли крышкой так, чтобы в него не проникал воздух. Растения во втором сосуде через некоторое время погибли. Сделайте вывод о причине гибели растений.
Опыт 2 . На дно банки налейте воду и насыпьте до 1/3 ее высоты прорастающих семян гороха, фасоли или пшеницы. Банку плотно закройте крышкой. В другую банку насыпьте такое же количество сухих семян. Обе банки держите при температуре 20-25 °С.
Через сутки опустите в обе банки горящую лучинку. Объясните, почему в банке с сухими семенами лучинка будет некоторое время гореть, а в банке с прорастающими семенами лучинка сразу погаснет. Сделайте вывод из опыта.
Усложните опыт: поставьте одну банку с прорастающими семенами в холодильник, а другую - в теплое место. Через один-два дня внесите в банки с прорастающими семенами тлеющие лучинки. В какой банке лучинка погаснет и почему? Растения дышат более интенсивно в теплом месте. Но главным условием дыхания является наличие кислорода в воздухе.
Как человек использует знания о дыхании растений в своей деятельности? Чтобы сохранить семена в зернохранилищах (элеваторах), необходимо закладывать на хранение сухие семена. Помещение следует проветривать, чтобы к семенам постоянно поступал свежий воздух. Поэтому в зернохранилищах, помимо естественной вентиляции через окна и дверь, проводят вентилирование с помощью электроприборов, что позволяет сохранить зерно в течение ряда лет.
Дыханию листьев препятствует слой пыли, который оседает на них из воздуха. Твердые мельчайшие частицы закрывают устьица и мешают поступлению воздуха внутрь листа. Поэтому комнатные растения следует периодически очищать от пыли.
Отрицательное воздействие на растения оказывают и вредные примеси в воздухе - результат выбросов промышленных предприятий. Вот почему при озеленении городов и населенных пунктов высаживают растения, устойчивые к вредным веществам и запыленности воздуха (рис. 54). Такими свойствами обладают тополь, липа, желтая акация, дуб и некоторые другие растения.
Рис. 54. Озеленение
