Вся правда о деревьях. Оказывается, они дышат! — Исследователь мира — LiveJournal

Что такое круговорот кислорода в природе

Кислород (O2) вот уже сотни миллионов лет является веществом, обеспечивающим жизнь на Земле. Приблизительно пятая часть (около двадцати процентов) атмосферы Земли заполнена кислородом, а ещё кислород составляет около тридцати процентов химического состава планеты.

Кислород может присутствовать как в свободной форме (в составе воздуха, которым дышит абсолютное большинство всех живых организмов), так и в связанной (входить в состав воды, минералов, разных химических соединений). И кислород осуществляет непрерывный биогеохимический цикл, иначе называемый круговоротом кислорода в природе.

В ходе этого цикла кислород совершает переход из атмосферы в биосферу и земную кору, после чего возвращается обратно в атмосферу. При этом кислородом обмениваются все водоёмы (и Мировой океан) и воздух, растения и животные, но также кислород выделяется во время химических реакций. И ключевую роль в этом процессе играет фотосинтез.

Первый многоклеточный организм, которому не нужен кислород, чтобы выжить!

Мы также знаем, что существуют модификации, которые позволяют некоторым организмам нормально существовать в условиях низкого содержания кислорода или гипоксии. Некоторые одноклеточные организмы развили митохондриальные органеллы для анаэробного метаболизма (то есть без участия кислорода).

Дискуссия о существовании таких организмов продолжалась до тех пор, пока группа исследователей из Тель-Авивского университета не решила еще раз изучить одного из распространенных паразитов, присутствующих в лососе, под названием Henneguya salminicola.

Этот организм принадлежит к группе книдарий, или стрекающих. К ней помимо прочего относятся кораллы, медузы и анемоны. Эти паразиты создают в рыбе неприглядные кисты, но не представляют вреда. Они существуют в лососе на протяжении всего своего жизненного цикла без каких-либо проблем.

В теле своего хозяина этот крошечный паразит может выжить в совершенно гипоксических условиях. Однако трудно точно узнать, как это происходит, не изучив ДНК организма, чем и занялись израильские исследователи. Они использовали методы глубокого секвенирования и флуоресцентной микроскопии для более тщательного изучения этого паразита и обнаружили, что он утратил митохондриальный геном.

Другими словами, его ДНК лишен гена, который отвечает за синтез митохондрий. Кроме того, исследователи обнаружили, что он также утратил способность дышать воздухом и почти все гены, необходимые для участия в процессах транскрибирования и репликации митохондрий.

Подобно одноклеточным организмам, у этого паразита развились митохондриальные органеллы, но они также необычны: на их внутренней мембране есть складки, которые обычно не видны. Таким образом, как свидетельствуют результаты исследования, наконец, найден многоклеточный организм, не нуждающийся в кислороде для выживания.

Почему он не может дышать?

Как этот организм существует? Ответ на этот вопрос окутан тайной. Возможно, паразит в состоянии извлекать ATP из своего инфицированного хозяина, но это еще окончательно не определено. Тем не менее утрата данным паразитом митохондрий полностью соответствует общей тенденции у этих организмов к генетическому упрощению.

Henneguya salminicola утратил большую часть исходного генома своего родственника медузы, но странным образом сохранил сложную структуру, похожую на структуру клеток медузы. Это открытие могло бы помочь рыбным хозяйствам адаптировать свои стратегии для борьбы с паразитом.

Аэробное дыхание

Аэробное дыхание — это способ извлечения энергии из питательных веществ посредством сложного процесса, в котором кислород извне используется для окисления молекул пищи, таких как глюкоза..

В целом, этот тип дыхания типичен для сложных организмов, таких как все эукариотические организмы и некоторые бактерии. Аэробное дыхание происходит в митохондриях.

В этом процессе, помимо энергии, также выделяются CO2 и вода..

Влияние человека на круговорот кислорода в природе

Считается, что антропогенная деятельность позволила возникнуть парниковому эффекту. То есть, углекислого газа на Земле стало больше, чем это предусмотрено нормой. На это повлияло несколько факторов, среди которых: всё большие масштабы вырубки лесов для разных целей (для добычи древесины как строительного сырья или топлива, для постройки на их месте различных сооружений и объектов инфраструктуры, от транспортных до промышленных, для строительства городов и дорог, для создания сельскохозяйственных угодий), лесные пожары (которые теперь чаще происходят из-за непотушенного костра или брошенного в сухую жаркую погоду окурка сигареты или спички, то есть, из-за человеческого фактора), выбросы в атмосферу вследствие сжигания различных видов топлива (прежде всего, промышленные и транспортные выбросы).

Человек является частью биосферы, и его деятельность является частью круговорота кислорода, но его влияние на эти процессы можно считать скорее деструктивным и дестабилизирующим, нежели позитивным.

Что же касается озоновых дыр, то они не обязательно должны быть вызваны именно антропогенной деятельностью. Так, озоновая дыра над Антарктидой возникает каждый год вследствие особенностей местного климата, и дело не только в отсутствии растений вследствие постоянных минусовых температур.

Дело в особом полярном вихре, осуществляющем циркуляцию воздушных потоков только в полярном районе и не допускающем смешивания этих потоков с другими воздушными массами, этот вихрь также препятствует попаданию солнечных лучей, и результатом этого становится разрушение ранее существовавших там запасов озона и отсутствие новых запасов.

Однако очевидно, что влияние человека на истончение озонового слоя стало более заметным. Активное использование хлора и брома (и содержащих эти элементы веществ) стало главной причиной сокращения содержания озона в земной атмосфере.

Вся правда о деревьях. оказывается, они дышат!

Для каждого космонавта делают свое кресло

Если вы решили стать космонавтом, то готовьтесь перед полетом поучаствовать в очень необычной процедуре. Для вас изготовят индивидуальное кресло в космический корабль. Называется такое кресло ложемент. Сначала вы облачитесь в скафандр, а затем вас погрузят в позе эмбриона в специальную ванночку с жидким гипсом внутри.

Делают это, чтобы все изгибы, ямочки и бугорки на спине хорошо отпечатались в гипсе. Потом из этой гипсовой заготовки сделают ложемент, который будет в точности повторять тело космонавта. Он нужен, чтобы снизить нагрузку на позвоночник при приземлении спускаемого аппарата.

Несмотря на то, что такое приземление называют «мягким», капсулу изрядно трясет и бьет, особенно при контакте с земной поверхностью. Чтобы избежать травм и нужен такой ложемент, который возьмет весь удар на себя и равномерно распределит всю нагрузку по спине.

Дыхание в растениях

Растения также дышат. Хотя они производят кислород в процессе фотосинтеза, им также необходимо обменять CO2, который они производят, на кислород извне.

Все части растения дышат: стебель, корни, листья и даже цветы. Части, которые находятся в контакте с воздухом, поглощают кислород через небольшие отверстия в листьях (устьицах) и стволе или стволе (чечевица).

Однако, несмотря на то, что растения могут поглощать кислород через все его части, его основным дыхательным органом являются листья, которые также ответственны за фотосинтез. Оба процесса происходят одновременно в присутствии солнечного света.

В целом, листья отвечают за два дыхательных процесса: обмен углекислого газа на кислород и выброс водяного пара, который происходит при аэробном дыхании, в окружающую среду..

Корни растения также должны дышать, чтобы они поглощали кислород из воздушных карманов, оставленных в земле..

Дыхание животных

У животных дыхание также обеспечивает потребности всех тканей и клеток в кислороде. Одноклеточные организмы, примитивные многоклеточные (губки, кишечнополостные), ряд червей дышат, поглощая кислород из воздуха или воды всей поверхностью тела. За счёт дыхания через кожу обеспечивается около 50% газообмена у большинства земноводных.

С усложнением строения организма у разных групп животных появляются специальные органы дыхания (рис. 70): жабры (у большинства водных беспозвоночных, рыб, личинок земноводных); трахеи (у насекомых); лёгкие (у наземных моллюсков, земноводных, пресмыкающихся, птиц и млекопитающих).

Новые понятия

Дыхание. Жабры. Трахеи. Лёгкие. Устьица. Чечевички

Ответьте на вопросы

1. Какой процесс называют дыханием? 2. В чём состоит значение дыхания? 3. Как можно доказать, что растения дышат? 4. Какие органы дыхания животных вы знаете?

ПОДУМАЙТЕ!

Почему на свету у растений трудно обнаружить процесс дыхания?

Моя лаборатория >>>

Дыхание растений

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 зелёных стеблей и чечевички пробкового слоя коры (рис. 69).

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 2 раза меньше кислорода.

Дыхание у животных

У животных мы можем найти большие различия в типах дыхания, которые они практикуют. На протяжении истории эволюции у животных развивались различные специализированные органы, которые позволяли им адаптироваться к окружающей среде и дышать максимально эффективно..

В зависимости от основного органа, который животное использует для поглощения кислорода, мы можем в основном найти четыре типа дыхания: кожное дыхание, дыхание трахеи, ветвистое дыхание и легочное дыхание..

Значение круговорота кислорода в природе

Был в истории Земли такой период, когда кислорода в атмосфере не было. Около 2,45 миллиардов лет тому назад атмосфера состояла из углекислого газа, метана, аммиака и сероводорода. И сравнительно молодая биосфера Земли в тот период была анаэробной, а аэробные живые существа, и прежде всего, цианобактерии, ещё не были широко распространены.

Однако впоследствии произошло то, что учёные назвали «кислородной катастрофой»: атмосфера оказалась заполненной кислородом (в том числе в свободной форме), и в биосфере стали доминировать аэробные существа, способные дышать кислородом, а анаэробная биосфера оказалась оттеснена в среду, куда кислород не мог проникнуть.

С тех пор биосфера стала преимущественно аэробного характера. Если бы «кислородная катастрофа» 2,45 миллиарда лет тому назад не произошла, жизнь была бы совсем другой, и если бы развилась цивилизация, она так же была бы совершенно не похожей на нынешнюю.

А между тем, биосфера на Земле привыкла к кислородному дыханию, важному и для жизнедеятельности отдельных клеток, и для жизни всех живых организмов, от бактерий до людей, от планктона до животных. Фотосинтез позволяет возобновлять расходуемый при дыхании, при гниении, при горении кислород, и отсутствие способных к фотосинтезу живых существ неизбежно изменит атмосферу и полностью перестроит биосферу. На это тоже могут уйти миллионы, а то и миллиарды лет.

Не стоит также забывать об озоновом слое. Он выполняет невероятно важную для Земли функцию. А именно: озон поглощает опасную для биосферы солнечную радиацию. Именно благодаря озоновому слою на Земле установлены комфортные солнечные условия, пригодные в том числе и для фотосинтеза растений.

Чрезмерное количество ультрафиолетовых лучей на Землю просто не попадает. Учёные считают, что отсутствие озонового слоя не позволило бы живым существам выйти из океана на сушу, они бы просто сгорели бы под сильным потоком солнечной радиации. Озон позволяет осуществляться круговороту кислорода как таковому, позволяет жизни на Земле существовать и дальше. И именно поэтому появление так называемых озоновых дыр в XX веке сильно перепугало человечество.

Кожное дыхание

Кожное дыхание является наименее сложным типом дыхания животных, поскольку организмы, которые его практикуют, не нуждаются в каком-либо специализированном органе, чтобы практиковать его. Обмен кислорода и углекислого газа происходит непосредственно через кожу.

Обычно этот тип дыхания встречается у мелких животных с очень тонкой кожей и поэтому позволяет без проблем проходить через дыхательные пути. Некоторые из животных, которые практикуют это — улитки, жабы и черви.

Космонавты дышат «водой»

Чтобы космонавты смогли дышать кислородом, надо этот кислород доставить на станцию. Но даже газ что-то весит, не говоря уже о весе баллонов, в которых этот газ будет доставляться на орбиту. А воздуха экипажу нужно много.Как быть? Получать кислород из того, что есть на станции!

Помните формулу воды? Н2О. Две молекулы водорода и молекула кислорода, того самого газа, который нам нужен для дыхания. Берем воду, добавляем в нее один секретный ингредиент и пропускаем сквозь смесь электрический ток. Под действием электрического тока вода распадается на водород и кислород.

Космонавты могут спать на потолке

На станции космонавты спят в спальных мешках. Такие мешки крепятся в каюте экипажа так, что с нашей, земной, точки зрения, экипаж спит стоя. Но в невесомости нет пола, потолка, право и лево. На станции космонавты летают как будто они птицы, а значит, и спать могут хоть вверх ногами или лежа на потолке.

Круговорот кислорода и фотосинтез

Как уже неоднократно было подчёркнуто выше, ключевая роль в процессах кислородного круговорота принадлежит фотосинтезу. Растения и цианобактерии поглощают углекислый газ и выделяют кислород под воздействием солнечного света. Диоксид углерода и вода подвергаются воздействию квантов света и в итоге расщепляются на углевод и кислород.

За счёт фотосинтеза углекислого газа на Земле не так много, чтобы возникала реальная опасность для всей биосферы. Речь о парниковом эффекте, когда из-за избытка углекислого газа Земля перегревается и становится опасной для жизни. Конечно, парниковый эффект уже давно не является исключительно теорией, а вполне воплощается в реальности. Но без фотосинтеза, без растений всё было бы куда серьёзнее и куда хуже для биосферы.

Крупнейший резервуар кислорода на земле

Любопытно, что атмосфера Земли не может считаться крупнейшим резервуаром с кислородом. Свободный кислород, присутствующий в атмосфере, тот кислород, которым дышат живые существа, составляет всего лишь 0,36 процентов всего кислорода, хотя почти что весь такой кислород является результатом фотосинтеза.

Поражает то, что крупнейшим кислородным резервуаром является сама Земля. А вернее, её кора и мантия, то есть, литосфера. А если точнее, то содержащиеся там оксиды и силикаты; всего они составляют 99,5 процентов всего кислорода Земли. Разумеется, кислород там связанный.

Легочное дыхание

Легкое дыхание является наиболее сложной формой дыхания животных и характерно для млекопитающих, рептилий и птиц. Самая замечательная особенность этого типа дыхания — появление специализированных органов, называемых легкими, которые отвечают за обмен газов с внешней средой..

У человека дыхательная система делится на две части: верхнюю и нижнюю.

• Верхняя дыхательная система состоит из ноздрей, носовой полости, глотки и гортани.
• Нижняя дыхательная система состоит из трахеи, бронхов, бронхиол и альвеол.

У людей воздух проходит через ноздри и проходит через всю дыхательную систему в бронхи, где ток разделяется между двумя легкими. Попав в каждое легкое, воздух достигает альвеол, которые отвечают за обмен диоксида углерода на кислород.

Понять жизнь и найти живые организмы в космосе

Возможно, настоящее значение этого открытия заключается в том, чтобы помочь нам понять, как устроена жизнь. Это открытие подтверждает, что адаптация к анаэробной среде не является уникальной способностью одноклеточных организмов, но развивается также и среди многоклеточных паразитов.

Таким образом, ученые могут изменить свои представления о тех формах жизни, которые они ищут за пределами нашей планеты. Теперь нет необходимости искать кислород на поверхности той или иной планеты, чтобы прогнозировать наличие жизни на ней или под землей. Возможно, существуют сложные формы жизни, которые не полагаются на кислород для получения энергии.

Последствия гипоксии

Кислородную недостаточность различают также по степени и характеру протекания. Последствия её в каждом случае будут разными. Все их также можно разделить на:

Как уже упоминалось, мгновенная гипоксия приводит к необратимым изменениям и в итоге – к летальному исходу. Такая картина наблюдается при отравлении некоторыми веществами (например, после приёма цианидов). Острая и хроническая кислородная недостаточность может иметь множество самых разнообразных последствий практически для всех органов и систем:

Даже незначительная хроническая кислородная недостаточность крайне негативно влияет на здоровье человека в целом и с течением времени может привести к серьёзным проблемам. Так, здоровый изначально человек, помещённый в условия хронической нехватки кислорода (например, обитатель современного мегаполиса с сильно загрязненной выхлопными газами и промышленными выбросами атмосферой) сталкивается с её последствиями в виде:

Именно поэтому в больших городах сегодня почти обязательным стало кондиционирование воздуха в жилых и общественных помещениях, всё большую популярность приобретают процедуры оксигенотерапии, применение кислородных коктейлей. У современного городского жителя даже со средним достатком есть возможность купить кислородный концентратор для индивидуального использования.

Роль живых организмов в круговороте кислорода

Если говорить коротко, то за счёт живых организмов круговорот кислорода и осуществляется. В первую очередь, речь идёт о не раз уже упомянутых ранее растениях и цианобактериях (они также составляют около половины фитопланктона, обитающего в Мировом океане, равно как и в разных водоёмах), способных к фотосинтезу.

Растения помогают в создании кислорода, поглощая углекислый газ. Ранее так же было упомянуто про кислородное дыхание, ибо все, кто на это способен, могут в принципе жить на Земле: рождаться, развиваться, питаться.

А ещё кислород активно влияет на жизнедеятельность не только целых живых организмов, но и клеток в отдельности: окислительно-восстановительные реакции в рамках обмена энергии и метаболизма задействует кислород, и результатом может стать выделение воды с углекислым газом. Получается замкнутый круг: земная биосфера потребляет кислород, который сама же и выделяет.

Скорость круговорота кислорода

Если какие-то отдельные процессы, входящие в данный биогеохимический цикл, могут осуществляться достаточно быстро (например, вдох и выдох в течение нескольких секунд), то целиком круговорот кислород, с учётом всех входящих в него процессов, может осуществляться около двух тысяч лет. За этот промежуток времени весь атмосферный кислород проходит через всю биосферу целиком.

Трахеальное дыхание

Дыхание трахеи практикуется под искусством: насекомые, паукообразные, ракообразные … Оно характеризуется появлением трубок, называемых трахеями, которые связаны друг с другом и снаружи. Эти трахеи отвечают за транспортировку кислорода к клеткам животного..

Трахеи связаны с наружными отверстиями, называемыми дыхальцами, через которые происходит обмен кислорода и углекислого газа. Одной из самых любопытных особенностей этого типа дыхания является то, что он не требует вмешательства какого-либо типа системы кровообращения..

Факторы, влияющие на круговорот кислорода в природе

На процессы, входящие в круговорот кислорода, прежде всего влияет сама жизнь на Земле. В основном, кислород потребляется и производится в результате жизнедеятельности живых организмов. И в первую очередь всё связано с растениями. Чем больше растений, тем активнее в результате фотосинтеза выделяется пригодного для дыхания кислорода.

Уменьшается количество кислорода не только в результате дыхания животных и людей, но также вследствие лесных пожаров, вырубки лесов, потребления топлива (с его сжиганием), а ещё при окислении пород; тем самым он заменяется, к примеру, тем же углекислым газом. Лишь благодаря растениям это удаётся компенсировать, ведь при потреблении углекислого газа растения выделяют кислород.

Этапы круговорота кислорода в природе

Можно выделить некоторые этапы биогеохимического кислородного цикла, при этом эти этапы выделяются как в процессе прихода кислорода, так и в процессе его расхода. К приходу кислорода относятся следующие этапы. Вначале кислород формируется в результате процесса, называемого фотосинтезом, затем в результате ультрафиолетового излучения он может накапливаться в определённой части атмосферы, называемой озоновым слоем.

Ультрафиолетовое излучение также расщепляет молекулы испарившейся и поднявшейся высоко в атмосферу воды (то есть, происходит диссоциация) с выделением кислорода. Наконец, в результате определённых химических реакций формируется озон (O3).

Что же касается расхода кислорода, то он связан с дыханием. Живые существа (преимущественно животные, да и все живые существа, способные к кислородному дыханию) вдыхают воздух, и кислород поступает в их тела, усваивается телами, и после выдыхается углекислый газ.

Неразрывна связь кислорода и углекислого газа (CO2). И его цикл тоже имеет несколько этапов. К приходу углекислого газа относятся процессы, связанные с дыханием животных (и всех существ, способных к кислородному дыханию), разложением органических веществ в результате деятельности микроорганизмов и бактерий, брожением, сжиганием видов ископаемого топлива на фабриках, заводах, котельных и электростанциях, и вырубкой леса.

Что же касается расхода углекислого газа, то свободная его форма фиксируется растениями, питающимися им в ходе фотосинтеза, выделяя тем самым кислород. Животные могут поедать определённые виды растений и растительной пищи, и вместе с тем они потребляют углерод.

Углерод фиксируется в земной коре, и это связано с формированием питательного почвенного слоя, известного как гумус, и ископаемого топлива наподобие угля, торфа, горючих сланцев (в океанической части коры это влияет на формирование других пород, таких как известняк и доломиты).