Dodaj do ulubionych Udostępnij materiał Wydrukuj

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
Źródło: Andrzej Bogusz, licencja: CC BY 3.0.
Już wiesz
  • w procesie odżywiania organizmy pozyskują związki organiczne, które są dla nich źródłem energii.

Nauczysz się
  • wyjaśniać, na czym polega proces oddychania komórkowego;

  • wymieniać warunki przebiegu oddychania tlenowego i beztlenowego oraz substraty i produkty tego procesu;

  • wykazywać współzależność procesów fotosyntezy i oddychania.

iHEv0QDkfL_d5e193

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 tlenoweoddychanie 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
Źródło: Andrzej Bogusz, licencja: CC BY 3.0.
Ważne!

Istotą procesu oddychania jest uwalnianie energii z pokarmu. Energia chemiczna zawarta w związkach organicznych jest magazynowana w cząsteczkach ATP i stopniowo przetwarzana na inne rodzaje energii potrzebne komórce.

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 – amoniakmocznik, 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
Źródło: Andrzej Bogusz, licencja: CC BY 3.0.
Doświadczenie 1
Problem badawczy

Co jest dowodem na to, że w kiełkujących nasionach przebiega proces oddychania?

Hipoteza

Kiełkujące nasiona, oddychając, wytwarzają energię cieplną.

Co będzie potrzebne
  • 2 termosy zaopatrzone w termometry,

  • szklanka suchych nasion grochu,

  • szklanka kiełkujących nasion grochu.

Instrukcja
  1. Przygotuj dwa termosy zaopatrzone w termometry.

  2. Do jednego termosu wsyp porcję suchych nasion grochu – to będzie próba kontrolna.

  3. Do drugiego termosu wsyp porcję kiełkujących nasion – to będzie próba badawcza.

  4. Oba termosy szczelnie zamknij.

  5. Co godzinę odczytuj temperaturę w obu termosach. Wyniki notuj w tabeli.

    R8tN3qkyzASdF1
    Oddychające nasiona uwalniają energię cieplną

Podsumowanie

Jeśli temperatura w termosie się nie zmieniła, oznacza to, że w nasionach proces oddychania nie zachodzi lub zachodzi na poziomie, który jest nie do wykrycia za pomocą użytego sprzętu. Jeśli temperatura w termosie się podniosła, oznacza to, że kiełkujące nasiona przetwarzają energię, czyli prowadzą proces oddychania.

Polecenie 1

Zimą, kiedy na zewnątrz panuje mróz, chuchamy na zmarznięte dłonie, aby je rozgrzać. Co sprawia, że powietrze wydychane z płuc ma wyższą temperaturę od temperatury otoczenia?

Wskazówka

Dlaczego po długim spacerze w mroźny dzień odczuwa się głód?

Substraty i produkty oddychania tlenowego

Substraty oddychania tlenowego

Produkty oddychania tlenowego

cukier

ATP

tlen

dwutlenek węgla

woda

Polecenie 2

Oddychanie komórkowe można porównać ze spalaniem drewna w ognisku. Przeanalizuj przebieg obu procesów, uwzględniając:

  • substraty obu procesów,

  • udział enzymów,

  • produkty,

  • możliwość magazynowania i przekształcania energii.

Ciekawostka

Przechowywanie niedostatecznie wysuszonych nasion prowadzi do utraty przez nie zdolności kiełkowania. Komórki nasion cały czas prowadzą proces oddychania, zużywając zgromadzone zapasy i podnosząc swoją temperaturę. Wysoka temperatura może zaś zniszczyć enzymy niezbędne do kiełkowania.

iHEv0QDkfL_d5e346

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 etylowydwutlenek 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
Źródło: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 3.0.
Porównanie oddychania tlenowego i beztlenowego

Oddychanie tlenowe

Oddychanie beztlenowe

rozkład związków organicznych na związki nieorganiczne

rozkład związków organicznych na prostsze związki organiczne

powstaje dużo energii

powstaje mało energii

przebiega w cytoplazmie i mitochondriach

przebiega w cytoplazmie

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
Źródło: Szlomo Lejb (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 3.0.
Podsumowanie

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

RFgUbV7zO7jh91
Źródło: Andrzej Bogusz, licencja: CC BY 3.0.
Polecenie 3

Wyjaśnij, dlaczego ciasto drożdżowe wyrasta.

Wskazówka

Skąd się biorą i czym są wypełnione pęcherze spulchniające ciasto?

Ciekawostka

W przyrodzie istnieją organizmy żyjące wyłącznie w środowisku beztlenowym – tlen jest dla nich zabójczy. Są to bezwzględne beztlenowce. Należą do nich m.in. bakterie jadu kiełbasianego i tężca, które zagrażają zdrowiu człowieka.

iHEv0QDkfL_d5e480

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.
Źródło: Andrzej Bogusz, Michał Szymczak, licencja: CC BY 3.0.
Polecenie 4

Określ prawdopodobne skutki trzymania dużej liczby roślin doniczkowych w sypialni.

Wskazówka

Na czym polega wymiana gazowa u roślin w nocy?

Ciekawostka

Pewien Anglik posadził w dużej butli roślinę doniczkową – trzykrotkę. W 1972 roku po raz ostatni ją podlał, po czym zamknął butlę i ustawił blisko okna. Od tej pory od czasu do czasu obraca butlę, aby światło padało na wszystkie liście. W butli wykształcił się samowystarczalny system. Roślina produkuje tlen, zużywa zaś dwutlenek węgla, który powstał w jej komórkach i w komórkach mikroorganizmów glebowych.

iHEv0QDkfL_d5e537

Podsumowanie

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

    R11AAjRdtdJnf1
    Źródło: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY 3.0.

  • 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
Źródło: Andrzej Bogusz, licencja: CC BY 3.0.
iHEv0QDkfL_d5e607

Słowniczek

ATP
ATP

organiczny związek chemiczny; nośnik energii chemicznej biologicznie użytecznej, który pełni funkcję magazynu energii w procesach fotosyntezy i oddychania komórkowego; zawarta w nim energia jest bezpośrednio wykorzystywana do przeprowadzania procesów życiowych

fermentacja
fermentacja

beztlenowy rozkład cukrów związany z uwalnianiem energii, w którym produktami końcowymi są alkohol (fermentacja alkoholowa) lub kwas mlekowy (fermentacja mlekowa)

oddychanie beztlenowe
oddychanie beztlenowe

rodzaj oddychania komórkowego zachodzący bez udziału tlenu

oddychanie komórkowe
oddychanie komórkowe

ciąg reakcji biochemicznych zachodzących w każdej żywej komórce, polegających na rozkładzie substancji pokarmowych i uwolnieniu zgromadzonej w nich energii

oddychanie tlenowe
oddychanie tlenowe

rodzaj oddychania komórkowego wymagający obecności tlenu; w jego wyniku powstają dwutlenek węgla i woda

iHEv0QDkfL_d5e711

Zadania

Ćwiczenie 1
R1F7eV52cHceM1
zadanie interaktywne
Źródło: Alicja Kasińska, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 2
R3bOWWdA5JFXS1
zadanie interaktywne
Źródło: Alicja Kasińska, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 3
R18DkEIIV4O9r1
zadanie interaktywne
Źródło: Alicja Kasińska, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 4
R1VB3evBDCBnw1
zadanie interaktywne
Źródło: Alicja Kasińska, licencja: CC BY 3.0.