مراجعة الفصل الثاني – التنفس والتبادل الغازي – الفصل الثاني
تُعدّ الطاقة ضرورية لجميع الكائنات الحية، إذ تحتاجها الخلايا للقيام بوظائفها الحيوية. وتستخلص الطاقة غالبًا من جزيئات السكر، وتحديدًا الجلوكوز، من خلال عمليات كيميائية تُعرف بـ التحلل السكري والتنفس الخلوي.
❖ كيف تستخلص الكائنات الحية الطاقة؟
- تستخلص الخلايا الطاقة من جزيئات السكر (مثل الجلوكوز) بواسطة عملية التحلل السكري، حيث ينشطر الجلوكوز إلى جزيئين من الحامض البيروفي (CH₃COCOOH)، مما يؤدي إلى تحرير كمية من الطاقة تُخزن على شكل ATP (أدينوسين ثلاثي الفوسفات).
تعريف التحلل السكري:
هو سلسلة من التفاعلات تجري على سكر الجلوكوز يتحول خلالها إلى جزيئين من الحامض البيروفي دون الحاجة إلى وجود الأوكسجين.
❖ نقاط الضعف في التحلل السكري:
- كفاءة منخفضة للطاقة: لا تطلق عملية التحلل السكري سوى أقل من 0.1% من الطاقة الكامنة في الجلوكوز.
- تراكم نواتج سامة: مثل تراكيز عالية من CO₂.
- لا تسد الحاجة في البناء الضوئي: حيث أن ثاني أوكسيد الكربون الناتج من التحلل السكري لا يعوّض المستهلك في عملية البناء الضوئي.
❖ تعريفات مهمة:
- التنفس: هو عملية التبادل الغازي بين خلايا الكائن الحي والبيئة الخارجية، ويشمل تزويد الجسم بالأوكسجين والتخلص من ثاني أوكسيد الكربون.
- الأيض الخلوي (Metabolism): يشمل جميع التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل الخلية لإنتاج الطاقة أو بناء المواد.
❖ التنفس الخلوي:
هو عملية تحدث داخل الخلايا الحية، يتم فيها تكسير سكر الجلوكوز بوجود الأوكسجين لإنتاج CO₂ + H₂O + طاقة (ATP).
معادلة التنفس الخلوي: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + طاقة (ATP)
مراحل التنفس الخلوي:
- التحلل السكري: يحدث في السيتوبلازم دون الحاجة للأوكسجين.
- تفاعل الإعداد: يتحول الحامض البيروفي إلى أسيتيل مرافق CoA داخل الميتوكوندريا.
- دورة كريبس (حامض الستريك): تحدث داخل الميتوكوندريا وتنتج ATP و CO₂.
- سلسلة نقل الإلكترونات: تنتج أكبر كمية من ATP وتحدث في غشاء الميتوكوندريا الداخلي.
❖ ATP (أدينوسين ثلاثي الفوسفات):
هو الجزيء الذي تُخزن فيه الطاقة داخل الخلية.
أهميته:
- تقلص العضلات.
- الإفرازات الغدية.
- النقل الفعال عبر الأغشية الخلوية.
- بناء المواد المعقدة مثل البروتينات من مركبات بسيطة.
❖ التنفس في النباتات:
خصائص التنفس النباتي:
- يحدث طوال اليوم، سواء في الليل أو النهار.
- يستهلك الأوكسجين ويطلق CO₂.
- في الليل، يتوقف البناء الضوئي وتستمر عملية التنفس فقط.
التراكيب المسؤولة عن التبادل الغازي:
- الثغور: توجد في الأوراق وتفتح وتغلق للتحكم في دخول وخروج الغازات.
- العديسات: فتحات توجد في السيقان، تساهم في التبادل الغازي، خصوصًا في السيقان المعمرة.
- الجذور: تمتص الأوكسجين المذاب في الماء.
❖ مقارنة بين التنفس والبناء الضوئي:
| المقارنة | التنفس | البناء الضوئي |
|---|---|---|
| وقت الحدوث | ليلًا ونهارًا | فقط في النهار |
| استخدام CO₂ | يُنتج CO₂ | يستخدم CO₂ |
| إنتاج الأوكسجين | يستهلك الأوكسجين | يُنتج الأوكسجين |
| مصدر الطاقة | الجلوكوز | الطاقة الضوئية |
❖ التنفس في الحيوانات:
- جميع الحيوانات تحتاج إلى الأوكسجين لإتمام عملياتها الأيضية والتخلص من CO₂.
- هناك تباين في آلية التنفس حسب البيئة، فبعضها يستخدم الجلد، والبعض الآخر الخياشيم أو الرئات.
أنواع التنفس:
- الخارجي: تبادل الغازات بين سطح الجسم والمحيط الخارجي.
- الداخلي: تبادل الغازات بين الدم وخلايا الجسم.
- الخلوي الهوائي: داخل الخلايا ويتم فيه استخدام الأوكسجين لتكسير الجلوكوز.
❖ ميكانيكيات التنفس حسب الكائنات:
1. في اللافقريات:
- وحيدة الخلية (مثل الأميبا): عن طريق الانتشار البسيط.
- الهايدرا والبلاناريا: تنفس جلدي عبر سطح الجسم.
- نجم البحر: تنفس بالخياشيم الجلدية.
- الديدان البحرية: تنفس بالعناقيد الخيشومية.
- الحشرات والعناكب: جهاز رغامي يحتوي على فتحات تسمى المتنفسات.
2. في الفقريات:
- البرمائيات: تستخدم التنفس الجلدي والفمي والرئوي.
- الأسماك: تستخدم الخياشيم.
- الزواحف: رئات ذات حواجز.
- الطيور: رئات صغيرة الحجم مع أكياس هوائية.
- الثدييات (الإنسان): جهاز تنفسي متكامل يتضمن الأنف، الحنجرة، الرغامي، القصبات، والحويصلات الهوائية.
❖ التنفس في الإنسان:
مكونات الجهاز التنفسي:
- الأنف: يرشح ويرطب ويُدفئ الهواء الداخل.
- الحنجرة (صندوق الصوت): تحتوي على الحبال الصوتية.
- الرغامي والقصيبات: تنقل الهواء إلى الرئتين.
- الحويصلات الهوائية: مكان التبادل الغازي.
كيف تتم عملية الشهيق والزفير؟
- الشهيق: ارتفاع الأضلاع وهبوط الحجاب الحاجز → دخول الهواء.
- الزفير: انخفاض الأضلاع وارتفاع الحجاب الحاجز → خروج الهواء.
صفاته:
- يحتوي على 300 مليون حويصلة.
- مساحة سطحية تتراوح من 40 إلى 80 م².
- الضغط الجوي في الحويصلات يحافظ على بقاء الرئتين متمددتين.
❖ انتقال الغازات في الدم:
- الأوكسجين: ينتقل عبر الهيموغلوبين مكونًا أوكسيهيموغلوبين.
- ثاني أوكسيد الكربون: ينقله الدم بثلاث صور: مذابًا، مرتبطًا بالبروتين، أو كأيون بيكاربونات.
❖ أسئلة وأجوبة مهمة:
- ما هو الأيض؟
هو مجموع التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل الخلية.
- علل: لا يمكن العيش بدون ATP؟
لأنه يوفر الطاقة لجميع الفعاليات الحيوية.
- ما الفرق بين الشهيق والزفير؟
الشهيق: دخول الهواء بسبب انخفاض الضغط، الزفير: خروج الهواء نتيجة انقباض العضلات.
- ما وظيفة الخلايا الكأسية؟
ترطيب الهواء الداخل إلى الرئتين.
- ما وظيفة الحلقات الغضروفية؟
تمنع انغلاق الرغامي والقصبات الهوائية.