Министерство образования и науки российской федерации гоу впо «нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского»

БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра экологии

Реферат на тему:

«ВОДНОЕ ДЫХАНИЕ»

Студентки гр.0144-7 Ермиловой Марии Проверила: проф. Шурганова Галина Васильевна

Нижний Новгород

2011

Оглавление

Введение 3

Обмен веществ и его скорость 4 Обзор приспособлений к дыханию 6

Жабры 7

Кровь и пигменты 9

Оксифильность 10

Обзор органов дыхания разных систематических групп 11

Список литературы 13

Введение

На нашей планете живые организмы освоили четыре основные среды обитания. Водная среда была первой, в которой возникла и распространилась жизнь. Только потом организмы овладели наземно-воздушной, создали и заселили почву и сами стали четвертой специфической средой жизни.

Вода как среда обитания имеет ряд специфических свойств, таких как большая плотность, сильные перепады давления, сильное поглощение солнечных лучей. Одним из важнейших лимитирующих факторов является концентрация кислорода в воде и связанное с этим дыхание.

Дыханием называют как минимум два взаимосвязанных, но различных процесса. Дыхание с точки зрения биохимии – это процесс разложения гетеротрофами органических соединений (в первую очередь углеводов) на более простые молекулы (в общем случае CO₂ и H₂O) с выделением нужной организму энергии (которая при этом запасается в виде АТФ – аденозинтрифосфатная к-та). С точки зрения химии этот процесс аналогичен гниению и горению, и обычно требует участия молекулярного кислорода для окисления органики. Правда, дыханием называют также и анаэробное разложение органики (используемое некоторыми организмами и тканями в отсутствие кислорода).

Дыхание с точки зрения физиологии (и экологии) – как раз процесс поглощения организмом и клетками молекулярного кислорода (необходимого для окисления пищи) и выделения углекислоты (образующейся при окислении пищи).

Количественно дыхание организма (в обоих смыслах) прямо связано с питанием, обслуживая одну и ту же химическую реакцию окисления органики до CO₂ и H₂O. Совокупность всех этих процессов называют обменом веществ – метаболизмом.

 

Обмен веществ и его скорость

Скорость обмена веществ и энергии в организме (или популяции) – очень важная во многих отношениях характеристика. Ее принято выражать в калориях на единицу времени, иногда – в скорости потребления кислорода. В любом случае надо понимать – скорость обмена пропорциональна как скорости потребления пищи, так и потребности в кислороде, и во многом отражает роль организма в его экосистеме. Скорость выделения экскрементов тоже зависит от скорости обмена веществ (но не прямо, поскольку эффективность усвоения разной пищи разными животными различна). Сама же скорость обмена зависит от массы тела животного, но не прямо (как может показаться), а несколько хитро – со степенным показателем около 0,75. Другими словами, при увеличении массы животного в 10000 раз (на четыре порядка) скорость его метаболизма возрастет только в 1000 раз (на три порядка). Мелкие животные имеют относительно более быстрый метаболизм, чем крупные – поэтому тонна мышей (со средней массой тела, например, 50 грамм) поедает и выделяет гораздо больше веществ, чем тонна слонов (точнее, одна пятая слона весом в пять тонн). Если же вспомнить о насекомых (со средним весом в милиграммы) и бактерий (с весом тела около 10^-12 грамм), то становится понятно – именно мелкие организмы пропускают через себя основной поток вещества и энергии; крупные же в основном запасают ее в себе.

Именно в этом коренное различие консументов и редуцентов. Консументы – относительно крупные животные с медленным метаболизмом, накапливающие большую биомассу и обуславливающие (наряду с продуцентами) структурное разнообразие экосистем. Мы их видим. А редуценты – это микроорганизмы с очень быстрым обменом веществ, которые при относительно небольшой биомассе пропускают через себя и разлагают основную массу органических веществ и обеспечивают функцию гетеротрофов в экосистемах. Их практически не видно – налицо только продукты их деятельности.

Понятно, что скорость обмена веществ зависит и от многих других причин. У холоднокровных организмов она связана с температурой – чем теплее, тем быстрее обмен. У теплокровных тоже связана, но наоборот – чем холоднее, чем больше энергии они производят и тратят на свое согревание. В целом скорость обмена теплокровных животных в несколько раз выше, чем холоднокровных. Подвижные животные тратят больше энергии, чем малоподвижные, мускулистые – больше, чем водянистые и жирные, молодые и растущие – больше старых, и так далее. Для непосредственного определения скорости обмена веществ организма нужно либо учитывать скорость его питания и калорийность пищи, либо скорость поглощения кислорода; чаще же пользуются уже готовыми эмпирически выведенными формулами, со своими коэффициентами для каждой группы животных, вида:

Обмен, мл O₂/час = Численность * Масса тела^0.75, г * Специфический для группы коэффициент.

В экологии вместо численности используют плотность популяции, и обмен вычисляют уже на единицу площади дна или объема воды. Коэффициент этого уравнения обычно близок к 0.1 для беспозвоночных, доходит до 0.3 у рыб и до 1 – у теплокровных позвоночных. Степенной коэффициент 0.75 также в разных группах варьирует, но слабо – примерно от 0.7 до 0.8.

Если нужно перевести расчеты в калории, используют следующее знание: Плотность кислорода равна 1.43 мг/мл; 1 мг потребляемого кислорода эквивалентен выделению 3.4 кал. Поэтому 1 мл O₂ = 4,86 калорий.

Этот расчет не следует путать с расчетом выделяемой энергии на единицу потребленной пищи. Там основные сведения таковы. Углеводы и белки потребляют поровну кислорода и дают 4.2 – 4.3 ккал/грамм разлагаемого вещества. Жиры примерно вдвое более энергоемки и дают около 9.4 ккал/грамм; соответственно, и кислорода на их окисление требуется больше.

Интересно, что скорость окисления органики в клетках напрямую связана с концентрацией в них растворенного кислорода. Эта концентрация не может быть очень большой, так как растворимость кислорода в воде (равно как и в плазме крови и даже цитоплазме клеток) невелика и примерно равна 10 мг/л при 15^о (около 15 при 0^о и около 7.5 – при 30^о). Возможно, если бы кислород лучше растворялся в воде, вся жизнь на Земле протекала бы быстрее.