1. Газообмен в легких и тканях
Между организмом и окружающей средой постоянно происходит газообмен: кислород, необходимый для диссимиляции, поступает в организм, а образующийся в результате окисления органических веществ углекислый газ выводится из организма. Поступление кислорода и выведение углекислого газа обеспечивается органами дыхания. Воздухоносные пути – это носовая полость, носоглотка, гортань, трахея, бронхи. Главный орган дыхания – легкие. Именно в альвеолах легких и совершается газообмен между атмосферным воздухом и кровью.
Альвеолы – это легочные пузырьки, стенки которых состоят из одного слоя эпителиальных клеток. Они густо оплетены капиллярами. Концентрация углекислого газа в крови выше, чем в воздухе, а концентрация кислорода – ниже, поэтому углекислый газ переходит из крови в альвеолы, а кислород – из альвеол в кровь. Процесс идет до тех пор, пока не наступит равновесие.
В крови кислород соединяется с гемоглобином эритроцитов – образуется оксигемоглобин. Кровь становится артериальной. Клетки организма непрерывно потребляют кислород. Поэтому кислород из крови переходит в клетки ткани, а оксигемоглобин превращается снова в гемоглобин. В митохондриях с использованием кислорода происходит окисление органических веществ (основной источник энергии в организме – это углеводы), выделяется энергия, которая идет на синтез АТФ – универсального аккумулятора энергии в клетках.
Углекислый газ из клеток поступает в кровь. Таким образом в тканях органов артериальная кровь превращается в венозную. Часть углекислого газа реагирует с гемоглобином с образованием карбгемоглобина, однако большая часть углекислого газа (примерно 2/3) реагирует с водой плазмы. Эта реакция катализируется ферментом карбоангидразой. В зависимости от содержания углекислого газа в крови этот фермент может ускорять или замедлять реакцию. При соединении углекислого газа с водой образуется угольная кислота, которая диссоциирует с образованием катиона Н+ и аниона НСО3–. Этот анион с кровью поступает к легким, где и происходит выделение углекислого газа.
При реакции с угарным газом (СО) гемоглобин образует карбоксигемоглобин, а при взаимодействии с окислом азота или некоторыми лекарственными препаратами – метгемоглобин; эти формы гемоглобина не могут связывать кислород, поэтому может наступить смерть. Содержание гемоглобина в крови у мужчин составляет 130–160 г/л, а у женщин – 120–140 г/л. При снижении содержания гемоглобина наступает анемия – состояние, при котором ткани не получают достаточного количества кислорода.
В норме во вдыхаемом воздухе содержание кислорода, углекислого газа и азота составляет соответственно 20,94%, 0,03% и 79,03%. В выдыхаемом воздухе содержание кислорода уменьшается до 16,3%, а углекислого газа – увеличивается до 4%. Содержание азота изменяется меньше (увеличивается до 79,7%).
Прохождение воздуха через легкие обеспечивается за счет вдоха и выдоха. Вдох – это следствие сокращения наружных межреберных мышц, в результате чего ребра приподнимаются. При вдохе мышечные волокна диафрагмы сокращаются, купол диафрагмы становится более плоским и опускается. Объем грудной полости увеличивается за счет изменения ее размеров, особенно в вертикальном направлении. Легкие следуют за движениями грудной клетки. Объясняется это тем, что легкие отделены от стенок грудной полости плевральной полостью – щелевидным пространством между пристеночной плеврой (она выстилает внутреннюю поверхность грудной клетки) и висцеральной плеврой (она покрывает наружную поверхность легких). Плевральная полость заполнена плевральной жидкостью. При вдохе давление в плевральной полости уменьшается, объем легких увеличивается, давление в них понижается и воздух поступает в легкие. При выдохе дыхательные мышцы расслабляются, объем грудной полости уменьшается, давление в плевральной полости немного увеличивается, растянутая л
егочная ткань сжимается, давление повышается и воздух выходит из легких. Таким образом, изменение объема легких происходит пассивно, и причиной его являются изменения объема грудной полости и давления в плевральной щели и внутри легких.
Количество воздуха, которое поступает в легкие при спокойном вдохе и выдыхается при спокойном выдохе, называют дыхательным объемом (примерно 500 см3). Объем воздуха, который можно выдохнуть после самого глубокого вдоха, называют жизненной емкостью легких (примерно 3000–4500 см3). Жизненная емкость легких – важный показатель здоровья человека.
2. Одноклеточные растения и животные. Особенности среды обитания, строения и жизнедеятельности. Роль в природе и жизни человека.
Одноклеточные организмы – это организмы, тело которых состоит из одной клетки. Они могут быть прокариотами (бактерии и синезеленые водоросли, или цианобактерии), т.е. не иметь оформленного ядра (функцию ядра у них выполняет нуклеоид – молекула ДНК, свернутая в кольцо), но могут быть и эукариотами, т.е. иметь оформленное ядро.
К одноклеточным эукариотическим организмам относятся многие зеленые и некоторые другие водоросли, а также все представители типа Простейшие. Общий план строения и набор органоидов у одноклеточных эукариотов сходны с клетками многоклеточных организмов, но функциональные отличия очень существенные.
Одноклеточные организмы сочетают в себе свойства и клетки, и самостоятельного организма. Многие одноклеточные образуют колонии. От одноклеточных в процессе эволюции произошли многоклеточные организмы.
Наиболее просто устроены одноклеточные синезеленые водоросли. В их клетках нет ядра и пластид, они похожи на бактериальные клетки. На этом основании их относят к цианобактериям. Пигменты (хлорофилл, каротин) растворены у них во внешнем слое цитоплазмы – хроматоплазме. Эти водоросли появились еще в архее и были первыми организмами на Земле, у которых в процессе фотосинтеза образовывался кислород. Синезеленые водоросли могут образовывать и многоклеточную форму – нити.
Среди зеленых водорослей к одноклеточным формам относятся хламидомонада, хлорелла, плеврококк. Одноклеточные водоросли могут образовывать колонии (например, вольвокс).
Диатомовые водоросли – это тоже микроскопические одноклеточные водоросли, которые могут образовывать колонии.
Живут одноклеточные водоросли чаще всего в воде (хламидомонада в пресных водоемах, а хлорелла – и в пресной, и в морской воде), но могут жить и в почве (например, хлорелла, диатомовые водоросли), могут обитать на коре деревьев (плеврококк). Некоторые водоросли живут даже на поверхности льда, снега (некоторые хламидомонады, например, хламидомонада снежная). В Антарктике диатомовые водоросли образуют плотный коричневый налет на нижней стороне льдов.
Одноклеточные простейшие образуют подцарство животных. У большинства в клетке одно ядро, но есть и многоядерные формы. Поверх мембраны у многих простейших есть оболочка или раковина. Передвигаются они с помощью органоидов движения – жгутиков, ресничек, могут образовывать псевдоподии (ложноножки).
Большинство простейших – гетеротрофы. Частицы пищи перевариваются в пищеварительных вакуолях. Осмотическое давление в клетке регулируется с помощью сократительных вакуолей: через них удаляется избыток воды. Такие вакуоли характерны для пресноводных простейших. Вместе с водой из тела простейших выводятся продукты обмена веществ. Однако основная функция выделения осуществляется через всю поверхность клетки.
У простейших есть и бесполое, и половое размножение.
Эти одноклеточные организмы реагируют на воздействия внешней среды: им присущи положительные и отрицательные таксисы (например, у инфузории-туфельки – отрицательный хемотаксис – она движется в сторону от кристаллика соли, помещенного в воду).
Многие простейшие способны к инцистированию. Инцистирование позволяет переживать неблагоприятные условия и способствует расселению простейших.
К простейшим относятся амеба обыкновенная, инфузория туфелька, эвглена зеленая и многие другие. В этом подцарстве животных насчитывают свыше 40 000 видов (по некоторым данным около 70 000 видов). Обитают простейшие в водоемах, почве. Известно также большое число видов паразитических простейших. Они вызывают болезни человека, животных, растений.
Значение одноклеточных водорослей в природе прямо связано с их образом жизни. Эти организмы синтезируют органику, выделяют в атмосферу кислород, поглощают углекислый газ, являются звеном в общей цепи питания, участвуют в почвообразовании, очистке водоемов, могут вступать в симбиоз с другими организмами (например, хлорелла – это фикобионт лишайников). Отмершие диатомовые одноклеточные водоросли образовали мощные отложения горной породы – диатомита, а на дне морей – диатомовые илы. Одноклеточные синезеленые и зеленые водоросли могут вызывать «цветение» воды.
Человек широко использует одноклеточные водоросли и продукты их жизнедеятельности. Так, способность одноклеточных зеленых водорослей поглощать органические вещества всей поверхностью клетки используется для очистки водоемов; способность хлореллы синтезировать большое количество белков, жирных масел и витаминов используется в промышленном производстве кормов; способность той же хлореллы выделять при фотосинтезе много кислорода используется для регенерации воздуха в замкнутых помещениях (например, в космических кораблях, подводных лодках). Некоторые синезеленые водоросли используют как удобрения, т.к. они способны фиксировать азот, а такие водоросли, как спирулина, применяют в качестве добавки к пище.
Значение простейших отчасти сходно со значением одноклеточных водорослей. Простейшие также участвуют в почвообразовании, служат для очистки водоемов, т.к. питаются бактериями и гниющими веществами. Многие простейшие – индикаторы чистоты воды. Раковинами простейших (морские саркодовые) образованы залежи известняков; они служат также индикаторами при разведке нефти и других полезных ископаемых. Простейшие, как и одноклеточные водоросли, – важное звено круговорота веществ.
Большой вред приносят паразитические простейшие: дизентерийная амеба, трипаносомы, малярийный плазмодий и др.
Простейшие и одноклеточные водоросли – важные объекты научных исследований. Их используют при цитологических, генетических, биофизических, физиологических и др. исследованиях.