W języku potocznym oddychanie oznacza jedynie wdychanie i wydychanie powietrza. Czynności te – poprawnie nazywane wymianą gazową – polegają na dostarczaniu organizmowi tlenu i usuwaniu z niego dwutlenku węgla. Czym w takim razie jest oddychanie?

R1XknSxEGNMeQ1

Ilustracja przedstawia schemat wykorzystania energii przez organizmy. W centrum znajduje się czerwone słoneczko z napisem „energia w ATP”. Od niego odchodzą cztery czerwone strzałki do kół, znajdujących się wokół słoneczka i przedstawiających różne rodzaje energii. W pierwszym z prawej znajduje się rysunek beżowej komórki nerwowej, przy której umieszczono czerwoną błyskawicę. W błękitnym owalu widnieje podpis: energia elektryczna. W drugim jest rysunek białego niedźwiedzia na lodzie. W brązowym owalu podpis: energia cieplna. W kole u dołu widnieje brązowy koń, stojący na tylnych nogach. We fioletowym owalu napis: energia mechaniczna. Od czerwonego kółeczka w lewo w ciemnooliwkowym owalu jest napis: energia chemiczna. Od niego strzałki prowadzą do trzech kół po lewej stronie. W jednym przedstawiono roślinę, a w jej łodydze małe strzałki do liści i do korzeni. To symbol transportu aktywnego. W drugim kole ukazano liczne beżowe grudki z fioletowymi kropkami, czyli komórki. To symbol wzrostu i odnowy komórek. Trzecie kółko u góry przedstawia kolorową podwójną spiralę DNA. Ten rysunek symbolizuje syntezę związków chemicznych.

1. Oddychanie komórkowe

Oddychanie jest procesem warunkującym życie, pozwala bowiem organizmom korzystać z energii zawartej w pokarmie. Wszystkie istoty potrzebują energii do wykonywania czynności życiowych – dzięki niej mogą się poruszać i odżywiać, wydalać, reagować na bodźce, prowadzić procesy biochemiczne w komórkach, rozmnażać się i rosnąć. Ptaki i ssaki potrzebują energii również po to, żeby utrzymywać stałą temperaturę ciała, niezależną od temperatury otoczenia.

Związki organiczne zawierają energię chemiczną, dlatego są pokarmem organizmów. Uwalnianie energii z pokarmu odbywa się w każdej żywej komórce i jest nazywane oddychaniem komórkowymoddychanie komórkoweoddychaniem komórkowym. W komórkach organizmów jądrowych proces ten zachodzi w mitochondriach – strukturach, których funkcję można porównać z działaniem elektrowni. Zawierają one enzymy zdolne do przeprowadzania tego procesu.

Związkiem organicznym będącym źródłem energii jest cukier – glukoza. Kiedy w organizmie zabraknie glukozy, wówczas są rozkładane substancje zapasowe, głównie inne cukry i tłuszcze, gdy zaś i te rezerwy się wyczerpią, wtedy zostają rozłożone nawet białka. Wykorzystanie białek jako „paliwa” jest skutkiem długotrwałego głodu i na przykład u zwierząt prowadzi do zaniku mięśni.

W procesie oddychania energia chemiczna jest przetwarzana. Znaczna jej część zostaje rozproszona w formie ciepła, reszta zaś jest zmagazynowana w cząsteczkach związku chemicznego nazywanego ATPaTPATP. Może on być transportowany po całej komórce i następnie wykorzystywany tam, gdzie wystąpi zapotrzebowanie na energię.

W komórce energia jest uwalniana z pokarmu w obecności tlenu lub bez jego udziału, dlatego wyróżnia się dwa sposoby oddychania komórkowego: oddychanie tlenoweoddychanie tlenoweoddychanie tlenowe i oddychanie beztlenoweoddychanie beztlenoweoddychanie beztlenowe. Tlenowo oddychają rośliny i zwierzęta (oprócz pasożytów jelitowych), a także większość mikroorganizmów i grzybów. Produktami tego procesu są dwutlenek węgla i woda – proste związki chemiczne ubogie w energię.

R9gEB8oT9814R1

Ilustracja przedstawia schemat oddychania tlenowego. W kolorowych czworokątach opisano substraty i produkty przemian chemicznych. W centrum znajduje się czerwony prostokąt z napisem oddychanie tlenowe. Od lewej trzy czworokąty symbolizują składniki pokarmowe: białka, cukry i tłuszcze. Strzałka od nich w prawo wskazuje glukozę (beżowy prostokąt). Od tego substratu strzałka prowadzi do oddychania tlenowego. Do oddychania tlenowego od góry prowadzi też strzałka od błękitnego tlenu, a od niego w dół do liliowych produktów ubocznych. Strzałka dalej w prawo wskazuje różowy prostokąt produktu oddychania z napisem energia, którą podzielono na cieplną i związaną w cząsteczkach ATP.

Oddychaniu tlenowemu towarzyszy wymiana gazowa – komórka na zasadzie dyfuzji pobiera tlen i wydala dwutlenek węgla. Niewielkie organizmy pobierają tlen i wydalają dwutlenek węgla całą powierzchnią ciała. Dużym organizmom wielokomórkowym służą do tego specjalne narządy, np. skrzela u zwierząt wodnych i płuca u kręgowców lądowych.

Intensywność oddychania zależy od aktywności życiowej organizmu. Najsłabiej oddychają nasiona czy zarodniki roślin będące w stanie „uśpienia”. Kiedy zaczynają kiełkować, wzrasta ich zapotrzebowanie na energię, musi się zatem również zwiększyć natężenie oddychania. Najintensywniej oddychają młode komórki będące w okresie wzrostu. W różnych tkankach zapotrzebowanie na energię nie jest jednakowe i zależy przede wszystkim od pełnionej przez nie funkcji. Komórki mięśni czy mózgu wykazują wyższy poziom aktywności oddechowej niż komórki skóry. Im większa jest aktywność oddechowa komórek, tym więcej mają one mitochondriów.

Podczas oddychania cukry i tłuszcze są rozkładane na dwutlenek węgla i wodę. W wyniku rozkładu białek dodatkowo powstają związki zawierające azot – amoniak i mocznik, z kolei w procesie przemian amoniaku jest także wytwarzany kwas moczowy. Produkty te są toksyczne dla zwierząt i muszą być usunięte z organizmu. Rośliny nie pozbywają się związków azotowych, ponieważ zużywają je do wytwarzania własnych aminokwasów i białek.

R1XknSxEGNMeQ1

Ilustracja przedstawia schemat wykorzystania energii przez organizmy. W centrum znajduje się czerwone słoneczko z napisem „energia w ATP”. Od niego odchodzą cztery czerwone strzałki do kół, znajdujących się wokół słoneczka i przedstawiających różne rodzaje energii. W pierwszym z prawej znajduje się rysunek beżowej komórki nerwowej, przy której umieszczono czerwoną błyskawicę. W błękitnym owalu widnieje podpis: energia elektryczna. W drugim jest rysunek białego niedźwiedzia na lodzie. W brązowym owalu podpis: energia cieplna. W kole u dołu widnieje brązowy koń, stojący na tylnych nogach. We fioletowym owalu napis: energia mechaniczna. Od czerwonego kółeczka w lewo w ciemnooliwkowym owalu jest napis: energia chemiczna. Od niego strzałki prowadzą do trzech kół po lewej stronie. W jednym przedstawiono roślinę, a w jej łodydze małe strzałki do liści i do korzeni. To symbol transportu aktywnego. W drugim kole ukazano liczne beżowe grudki z fioletowymi kropkami, czyli komórki. To symbol wzrostu i odnowy komórek. Trzecie kółko u góry przedstawia kolorową podwójną spiralę DNA. Ten rysunek symbolizuje syntezę związków chemicznych.

2. Oddychanie beztlenowe

Oddychanie beztlenowe jest głównym źródłem energii dla organizmów żyjących w środowiskach, w których brakuje tlenu lub jest go niewiele. W taki sposób oddychają niektóre bakterie, grzyby i pasożyty jelitowe, czasem również komórki mięśniowe. Oddychanie beztlenowe zachodzi w cytoplazmie i jest nazywane fermentacjąfermentacjafermentacją. Najbardziej znana jest przeprowadzana przez drożdże fermentacja alkoholowa. W jej wyniku zachodzi rozkładu cukru na alkohol etylowy i dwutlenek węgla, a także uzyskiwana jest energia. W warunkach niedostatecznego dostępu tlenu w komórkach mięśni zachodzi fermentacja mlekowa. Taką fermentację prowadzą również bakterie występujące w mleku i niektóre bakterie żyjące w układzie pokarmowym człowieka. W procesie tym energia powstaje wskutek przemiany glukozy w kwas mlekowy. Komórki, w których przebiega oddychanie beztlenowe, uzyskują znacznie mniej energii niż komórki oddychające tlenowo, ponieważ produkty fermentacji zawierają jej jeszcze całkiem sporo. Przy wystarczającym dostępie tlenu zarówno drożdże, jak i komórki mięśniowe mogą oddychać tlenowo.

RAR0pf1BQ25pY1

Ilustracja przedstawia cztery szare prostokąty w dwóch rzędach. Zapisano w nich schemat przebiegu dwóch rodzajów oddychania beztlenowego, czyli fermentacji. Napis energia ma kolor czerwony. W pierwszym rzędzie od glukozy czarna strzałka prowadzi do działania: alkohol etylowy plus dwutlenek węgla plus energia. Jest to zapis fermentacji alkoholowej.W drugim rzędzie od glukozy czarna strzałka wskazuje zapis: kwas mlekowy plus energia. Oznacza to fermentację mlekową.

Obserwacja 1

Obserwowanie wytwarzania dwutlenku węgla przez drożdże.

Co będzie potrzebne

• mała grudka drożdży (1/2 łyżeczki do herbaty),

• 1 łyżka cukru,

• letnia woda,

• mała butelka szklana lub plastikowa,

• balonik,

• kubek,

• świeczka.

Instrukcja

1. Rozprowadź drożdże w niewielkiej ilości wody z cukrem.

2. Mieszaninę wlej do butelki i naciągnij na szyjkę butelki balon pozbawiony powietrza.

3. Tak wykonany zestaw doświadczalny ustaw w ciepłym miejscu.

4. Po upływie około godziny zdejmij balon z szyjki butelki i szybko wyciśnij jego zawartość do kubka.

5. „Wylej” zawartość kubka na płomień świeczki.

RccP1thAAoXsk1

Fotografia przedstawia 4 butelki wypełnione hodowlami drożdzy. Na szylkach butelek przymocowane sa zielone balony. Balony są wróznym stopniu wypełnione gazem.

Podsumowanie

Jeśli drożdże w butelce prowadzą fermentację, to balonik napełnia się gazem. Gazem tym jest dwutlenek węgla, który powoduje tłumienie płomienia świecy.

RFgUbV7zO7jh91

Ilustracja przedstawia pięć kół z napisami. Od brązowego w centrum strzałki wskazują sposoby wykorzystania procesu fermentacji. U góry po prawej przedstawiono dzbanek z mlekiem i przekrojony żółty ser. Oznacza to, że bakterie kwasu mlekowego kwaszą mleko i są potrzebne do produkcji serów. Niżej znajduje się rysunek słoików z przetworami, przedstawiający udział bakterii kwasu mlekowego na przykład w kiszeniu ogórków. Od dołu po lewej znajduje się rysunek butelki, kieliszka i kufla. W ten sposób przedstawiono wykorzystanie fermentacji alkoholowej. Ta fermentacja zachodzi także w cieście drożdżowym, przedstawionym w kółku powyżej.

3. Oddychanie komórkowe a fotosynteza

Oddychanie i fotosynteza to procesy ściśle od siebie zależne. Rośliny podczas fotosyntezy produkują związki organiczne i tlen, które są niezbędne i dla nich, i dla organizmów cudzożywnych do uwalniania energii w procesie oddychania. Produkty oddychania – dwutlenek węgla i woda – są substratami procesu fotosyntezy. Rośliny oddychają nieprzerwanie i w dzień, i w nocy. W ciągu dnia powstający podczas oddychania dwutlenek węgla rośliny zużywają do fotosyntezy. Jednak jego ilość jest niewystarczająca, dlatego rośliny dodatkowo pobierają ten gaz z otoczenia. Organizmy te do oddychania wykorzystują tylko niewielką część tlenu wytwarzanego w procesie fotosyntezy, reszta jest wydalana do atmosfery. Warto wiedzieć, że nocą, kiedy fotosynteza ustaje, rośliny – podobnie jak inne organizmy – zużywają tlen, produkują zaś dwutlenek węgla.

RHnqoKNwje7PX1

Film przedstawia współzależność pomiędzy fotosyntezą a oddychaniem. Duża pomarańczowa strzałka u góry symbolizuje energię słoneczną, która jest potrzebna do fotosyntezy, symbol: zielony czworokąt. Poniżej znajdują się cztery szare czworokąty z napisami: pokarm, tlen, dwutlenek węgla, woda. Od niebieskiego czworokąta, symbolu oddychania, w dół odchodzi duża żółta strzałka z napisem: energia. Pomiędzy czworokątami poruszają się strzałki, ukazujące zależności między nimi.

Film przedstawia współzależność pomiędzy fotosyntezą a oddychaniem. Duża pomarańczowa strzałka u góry symbolizuje energię słoneczną, która jest potrzebna do fotosyntezy, symbol: zielony czworokąt. Poniżej znajdują się cztery szare czworokąty z napisami: pokarm, tlen, dwutlenek węgla, woda. Od niebieskiego czworokąta, symbolu oddychania, w dół odchodzi duża żółta strzałka z napisem: energia. Pomiędzy czworokątami poruszają się strzałki, ukazujące zależności między nimi.

Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D1BvWZlaa

Podsumowanie

• Oddychanie tlenowe polega na uzyskiwaniu energii w wyniku rozkładu cukrów i przebiega według uproszczonego schematu:

  R11AAjRdtdJnf1

  Ilustracja do zadania. Po lewej stronie równania znajdują się glukoza oraz tlen, po prawej woda, dwutlenek węgla oraz energia.

  

• Oddychanie tlenowe jest bardziej wydajne energetycznie niż oddychanie beztlenowe.

• Substraty oddychania są produktami fotosyntezy, produkty fotosyntezy są substratami procesu oddychania komórkowego.

• Procesem towarzyszącym oddychaniu tlenowemu jest wymiana gazowa.

Praca domowa

Polecenie 5.1

1. Porównaj w tabeli substraty i produkty oddychania tlenowego, fermentacji alkoholowej i fermentacji mlekowej.

Polecenie 5.2

2. Wyjaśnij przyczyny zmian stężenia tlenu i dwutlenku węgla obserwowane w ciągu doby w wodzie stawu.

RXUJ1u4HflO2Q1

Ilustracja przedstawia wykres zmian zawartości gazów w wodzie w ciągu doby. Oś Y podpisano: zawartość tlenu i dwutlenku węgla, na osi X zaznaczono godziny doby od 0 do 24, w podziale co sześć godzin. Tlen oznaczono kolorem różowym, a dwutlenek węgla pomarańczowym. Wykresy dla obu gazów częściowo na siebie zachodzą, co przedstawiono kolorem ciemno żółtym.stawu

Słowniczek

Zadania