Η αναπνοή στους μονοκύτταρους οργανισμούς 🦠
Οι μονοκύτταροι οργανισμοί, όπως η αμοιβάδα, αποτελούνται από ένα και μόνο κύτταρο. Αυτό το ένα κύτταρο πρέπει να κάνει μόνο του όλες τις δουλειές: να τρέφεται, να κινείται και — αυτό μας ενδιαφέρει εδώ — να παίρνει οξυγόνο και να αποβάλλει διοξείδιο του άνθρακα. Δεν έχουν πνεύμονες, δεν έχουν βράγχια, δεν έχουν αίμα. Και όμως τα καταφέρνουν, με τον απλούστερο τρόπο που υπάρχει: τη διάχυση.
Γιατί κάθε οργανισμός χρειάζεται αυτή την ανταλλαγή ⚡
Όλοι οι οργανισμοί χρειάζονται ενέργεια και την εξασφαλίζουν διασπώντας ορισμένες χημικές ουσίες, κυρίως τη γλυκόζη. Αυτή η διάσπαση περιλαμβάνει μια σειρά χημικών αντιδράσεων που γίνονται μέσα στα κύτταρα και ονομάζεται κυτταρική αναπνοή.
Για να γίνουν οι αντιδράσεις της κυτταρικής αναπνοής και να απελευθερωθεί ενέργεια, συχνά απαιτείται η παρουσία οξυγόνου. Ταυτόχρονα με την απελευθέρωση της ενέργειας παράγεται και διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο πρέπει να αποβληθεί. Οι οργανισμοί δηλαδή προσλαμβάνουν οξυγόνο από το περιβάλλον τους και αποβάλλουν σε αυτό διοξείδιο του άνθρακα. Αυτή είναι η ανταλλαγή αερίων.
Η ανταλλαγή αερίων γίνεται σε δύο επίπεδα:
| Επίπεδο | Πού ακριβώς | Με ποιον τρόπο |
|---|---|---|
| Επίπεδο κυττάρου | Μέσα από την πλασματική μεμβράνη του κυττάρου | Με διάχυση |
| Επίπεδο οργανισμού | Ανάμεσα στον οργανισμό και το περιβάλλον του | Με τη λειτουργία της αναπνοής |
Σε επίπεδο οργανισμού, η διαδικασία της ανταλλαγής αερίων ονομάζεται αναπνοή. Οι μηχανισμοί και τα όργανα της αναπνοής ποικίλλουν πολύ από ομάδα σε ομάδα οργανισμών και εξαρτώνται από τις ενεργειακές τους ανάγκες, την πολυπλοκότητά τους και το περιβάλλον στο οποίο ζουν (χερσαίο ή υδάτινο).
Η κυτταρική αναπνοή είναι οι χημικές αντιδράσεις μέσα στο κύτταρο που ελευθερώνουν ενέργεια. Η αναπνοή είναι η ανταλλαγή αερίων ανάμεσα στον οργανισμό και το περιβάλλον του. Η μία τροφοδοτεί την άλλη: η αναπνοή φέρνει το οξυγόνο, η κυτταρική αναπνοή το χρησιμοποιεί.
Στους μονοκύτταρους οργανισμούς τα δύο αυτά επίπεδα σχεδόν ταυτίζονται — αφού ο οργανισμός είναι ένα κύτταρο, το κύτταρο συναλλάσσεται απευθείας με το περιβάλλον.
Πώς μπαίνει το οξυγόνο: η διάχυση 🔵
Στους μονοκύτταρους οργανισμούς η ανταλλαγή αερίων (οξυγόνου και διοξειδίου του άνθρακα) γίνεται με διάχυση.
Ας παρακολουθήσουμε τι συμβαίνει με το οξυγόνο βήμα βήμα:
- Μέσα στο κυτταρόπλασμα το οξυγόνο καταναλώνεται συνεχώς για την απελευθέρωση ενέργειας, δηλαδή για την κυτταρική αναπνοή.
- Επειδή καταναλώνεται συνεχώς, η συγκέντρωσή του μέσα στο κύτταρο μένει μικρότερη από τη συγκέντρωσή του στο περιβάλλον.
- Αυτή η διαφορά συγκέντρωσης προκαλεί την είσοδο του οξυγόνου στο εσωτερικό του κυττάρου, διαμέσου της πλασματικής μεμβράνης.
Με ανάλογο τρόπο κινείται και το διοξείδιο του άνθρακα, μόνο που προς την αντίθετη κατεύθυνση: παράγεται συνεχώς στο εσωτερικό του κυττάρου, άρα εκεί η συγκέντρωσή του είναι μεγαλύτερη από ό,τι έξω, και έτσι εξέρχεται από το κύτταρο προς το περιβάλλον.
| Αέριο | Πού είναι πυκνότερο | Προς τα πού κινείται | Γιατί |
|---|---|---|---|
| Οξυγόνο | Στο περιβάλλον | Από το περιβάλλον προς το κύτταρο | Καταναλώνεται συνεχώς μέσα στο κύτταρο |
| Διοξείδιο του άνθρακα | Στο κυτταρόπλασμα | Από το κύτταρο προς το περιβάλλον | Παράγεται συνεχώς μέσα στο κύτταρο |
Η διάχυση δεν θα δούλευε αν το κύτταρο ήταν ακίνητο χημικά. Ακριβώς επειδή το κύτταρο καίει συνεχώς οξυγόνο και βγάζει συνεχώς διοξείδιο του άνθρακα, οι διαφορές συγκέντρωσης δεν εξισώνονται ποτέ — και έτσι τα αέρια κινούνται ασταμάτητα προς τη σωστή κατεύθυνση, χωρίς το κύτταρο να ξοδεύει ούτε σταγόνα ενέργειας γι' αυτό.
Πολλοί μαθητές νομίζουν ότι το κύτταρο «τραβάει» μέσα του το οξυγόνο. Δεν το κάνει. Τα μόρια κινούνται μόνα τους από εκεί που είναι περισσότερα προς εκεί που είναι λιγότερα. Το κύτταρο δεν δαπανά καθόλου ενέργεια για την ανταλλαγή των αερίων.
Αερόβια και αναερόβια αναπνοή 🧪
Στους περισσότερους οργανισμούς, για να γίνει η αναπνοή είναι απαραίτητη η συμμετοχή του οξυγόνου. Αυτή ονομάζεται αερόβια αναπνοή και κατά τη διάρκειά της ελευθερώνονται μεγάλα ποσά ενέργειας.
Σε ορισμένους όμως οργανισμούς, όπως οι ζυμομύκητες, η κυτταρική αναπνοή μπορεί να γίνει και χωρίς τη συμμετοχή του οξυγόνου, με άλλες διαδικασίες. Αυτή ονομάζεται αναερόβια αναπνοή. Και σε αυτή την περίπτωση γίνεται πάλι διάσπαση θρεπτικών ουσιών (γλυκόζης), παραγωγή διοξειδίου του άνθρακα και απελευθέρωση ενέργειας — αλλά μικρότερα ποσά ενέργειας σε σχέση με την αερόβια.
| Αερόβια αναπνοή | Αναερόβια αναπνοή | |
|---|---|---|
| Οξυγόνο | Απαραίτητο | Δεν χρειάζεται |
| Θρεπτική ουσία που διασπάται | Γλυκόζη | Γλυκόζη |
| Διοξείδιο του άνθρακα | Παράγεται | Παράγεται |
| Ενέργεια | Μεγάλα ποσά | Μικρότερα ποσά |
| Ποιοι τη χρησιμοποιούν | Οι περισσότεροι οργανισμοί | Ορισμένοι, π.χ. οι ζυμομύκητες |
Η μαγιά αρτοποιίας περιέχει ζυμομύκητες. Μέσα στη ζύμη αυτοί διασπούν τη ζάχαρη και παράγουν διοξείδιο του άνθρακα. Οι φυσαλίδες του αερίου παγιδεύονται στη ζύμη, την κάνουν να φουσκώνει και αφήνουν τις γνωστές τρύπες στο ψωμί. Το πρωινό σου τοστ, δηλαδή, είναι αποτέλεσμα κυτταρικής αναπνοής.
Το οξυγόνο λείπει, όχι το διοξείδιο του άνθρακα. Και στις δύο μορφές αναπνοής διασπάται γλυκόζη, παράγεται διοξείδιο του άνθρακα και ελευθερώνεται ενέργεια. Η διαφορά είναι πόση ενέργεια: η αερόβια δίνει πολύ περισσότερη, γι' αυτό και τη χρησιμοποιούν οι περισσότεροι οργανισμοί.