Informacja

Dlaczego dwutlenek węgla łatwiej dyfunduje przez warstwę bilipidową niż tlen?

Dlaczego dwutlenek węgla łatwiej dyfunduje przez warstwę bilipidową niż tlen?



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Gdy podczas oddychania dochodzi do wymiany gazowej, ciśnienie tlenu w pęcherzykach płucnych wynosi około 105 mmHg, podczas gdy w naczyniach krwionośnych pozostających w bliskim kontakcie z pęcherzykami wynosi 40 mmHg. Dla dwutlenku węgla wartości te wynoszą 40mmHg w pęcherzykach i 45mmHg w naczyniach. Zatem różnica ciśnień dla tlenu wynosi 65, a dla dwutlenku węgla 5. Fakt, że różnica ciśnień wymagana do dyfuzji tlenu jest większa niż dla węgla oznacza, że ​​dyfuzja jest trudniejsza. Ale jak to możliwe, skoro cząsteczka tlenu jest mniejsza i niepolarna, więc czy technicznie łatwiej przeszłaby przez hydrofobową membranę?


Po dyfuzji ciśnienie parcjalne obu O2 i CO2 w tętnicach stają się prawie równe wartościom atmosferycznym (100mmHg i 40mmHg), niezależnie od ciśnienia parcjalnego w żyłach. Szybkość dyfuzji przez membranę jest mniej więcej taka sama, to rozpuszczalność jest inna niż CO2 jest około 22 razy bardziej rozpuszczalny niż O2 (może być przechowywana jako woda jako HCO3-). Jednak tlen nadal może łatwo dostać się do naczynia krwionośnego i pozostać w nim, ponieważ jest związany z hemoglobiną wewnątrz erytrocytów. Stąd nie ma znaczącej różnicy między szybkościami dyfuzji.


Transpiracja – czynniki wpływające na szybkość transpiracji

PARAMETRY ROŚLIN – Te parametry roślin pomagają roślinom kontrolować tempo transpiracji, służąc jako formy odporności na ruch wody z rośliny.

Szparki – Szparki to pory w liściu, które umożliwiają wymianę gazową, w której para wodna opuszcza roślinę, a dwutlenek węgla wchodzi. Specjalne komórki zwane komórkami ochronnymi kontrolują otwieranie lub zamykanie każdego poru. Kiedy aparaty szparkowe są otwarte, szybkość transpiracji wzrasta, gdy są zamknięte, szybkość transpiracji spada.

Warstwa graniczna – Warstwa graniczna to cienka warstwa nieruchomego powietrza przylegająca do powierzchni liścia. Ta warstwa powietrza się nie porusza. Aby doszło do transpiracji, para wodna opuszczająca aparaty szparkowe musi dyfundować przez tę nieruchomą warstwę, aby dotrzeć do atmosfery, w której para wodna zostanie usunięta przez poruszające się powietrze. Im większa warstwa graniczna, tym wolniejsze tempo transpiracji.

Rośliny mogą zmieniać rozmiar swoich warstw granicznych wokół liści dzięki różnym cechom strukturalnym. Liście, które mają wiele włosków lub dojrzewania, będą miały większe warstwy graniczne. Włosy służą jako miniprzerwy, zwiększając warstwę nieruchomego powietrza wokół powierzchni liścia i spowalniając tempo transpiracji. Niektóre rośliny posiadają aparaty szparkowe, które są zatopione w powierzchni liści, dramatycznie zwiększając warstwę graniczną i spowalniając transpirację. Warstwy graniczne zwiększają się wraz ze wzrostem wielkości liści, zmniejszając również tempo transpiracji. Na przykład rośliny z klimatów pustynnych często mają małe liście, więc ich małe warstwy graniczne pomagają schłodzić liść przy wyższym tempie transpiracji.

Naskórek – naskórek to woskowata warstwa obecna na całej naziemnej tkance rośliny i służy jako bariera dla wypływu wody z liścia. Ponieważ naskórek jest wykonany z wosku, jest bardzo hydrofobowy lub „odpychający wodę”, dlatego woda nie przepływa przez nią zbyt łatwo. Im grubsza warstwa naskórka na powierzchni liścia, tym wolniejsze tempo transpiracji. Grubość naskórka jest bardzo zróżnicowana w zależności od gatunku rośliny. Ogólnie rzecz biorąc, rośliny z gorących, suchych klimatów mają grubsze łuski niż rośliny z chłodnych, wilgotnych klimatów. Ponadto liście, które rozwijają się w bezpośrednim świetle słonecznym, będą miały znacznie grubsze skórki niż liście, które rozwijają się w cieniu.

WARUNKI ŚRODOWISKA - Niektóre warunki środowiskowe tworzą siłę napędową wyprowadzania wody z rośliny. Inne zmieniają zdolność rośliny do kontrolowania utraty wody.

Wilgotność względna – Wilgotność względna (RH) to ilość pary wodnej w powietrzu w porównaniu z ilością pary wodnej, jaką powietrze może utrzymać w danej temperaturze. Nawodniony liść miałby wilgotność względną bliską 100%, podobnie jak atmosfera w deszczowy dzień. Jakakolwiek redukcja wody w atmosferze tworzy gradient przepływu wody z liścia do atmosfery. Im niższa wilgotność względna, tym mniej wilgotna atmosfera, a tym samym większa siła napędowa transpiracji. Gdy wilgotność względna jest wysoka, atmosfera zawiera więcej wilgoci, zmniejszając siłę napędową transpiracji.

Temperatura – Temperatura ma duży wpływ na wielkość siły napędowej ruchu wody z rośliny, a nie ma bezpośredniego wpływu na aparaty szparkowe. Wraz ze wzrostem temperatury gwałtownie wzrasta zdolność zatrzymywania wody w tym powietrzu. Ilość wody się nie zmienia, tylko zdolność powietrza do zatrzymywania wody. Ponieważ cieplejsze powietrze może pomieścić więcej wody, jego wilgotność względna jest mniejsza niż tej samej próbki powietrza w niższej temperaturze lub jest to „suchsze powietrze”. Ponieważ chłodniejsze powietrze zawiera mniej wody, jego wilgotność względna wzrasta lub jest „wilgotniejszym powietrzem”. Dlatego cieplejsze powietrze zwiększy siłę napędową transpiracji, a chłodniejsze powietrze zmniejszy siłę napędową transpiracji.

Woda glebowa – źródło wody do transpiracji z rośliny pochodzi z gleby. Rośliny o odpowiedniej wilgotności gleby zwykle transpirują z dużą szybkością, ponieważ gleba dostarcza wodę do przemieszczania się przez roślinę. Rośliny nie mogą kontynuować transpiracji bez więdnięcia, jeśli gleba jest bardzo sucha, ponieważ woda w ksylemie, która wydostaje się przez liście, nie jest zastępowana przez wodę z gleby. Ten stan powoduje, że liść traci turgor lub jędrność, a aparaty szparkowe się zamykają. Jeśli ta utrata turgoru będzie trwała przez całą roślinę, roślina zwiędnie.

Światło – aparaty szparkowe otwierają się w świetle, dzięki czemu dwutlenek węgla jest dostępny dla procesu fotosyntezy zależnego od światła. W większości roślin aparaty szparkowe są zamknięte w ciemności. Bardzo niski poziom światła o świcie może spowodować otwarcie aparatów szparkowych, dzięki czemu mogą uzyskać dostęp do dwutlenku węgla do fotosyntezy, gdy tylko słońce uderzy w ich liście. Aparaty szparkowe są najbardziej wrażliwe na światło niebieskie, dominujące o wschodzie słońca.

Wiatr – Wiatr może zmienić tempo transpiracji poprzez usunięcie warstwy granicznej, czyli nieruchomej warstwy pary wodnej przylegającej do powierzchni liści. Wiatr zwiększa ruch wody z powierzchni liści, gdy zmniejsza warstwę graniczną, ponieważ droga wody do atmosfery jest krótsza.


Transport tlenu we krwi

Rysunek 1. Hemoglobina składa się z czterech podjednostek, z których każda zawiera jedną cząsteczkę żelaza.

Chociaż tlen jest transportowany przez krew, możesz pamiętać, że tlen nie jest zbyt dobrze rozpuszczalny w płynach. Niewielka ilość tlenu rozpuszcza się we krwi i jest transportowana w krwiobiegu, ale to tylko około 1,5% całkowitej ilości. Większość cząsteczek tlenu jest przenoszona z płuc do tkanek organizmu przez wyspecjalizowany system transportowy, który opiera się na erytrocytach – czerwonych krwinkach. Erytrocyty zawierają metaloproteinę, hemoglobinę, która służy do wiązania cząsteczek tlenu z erytrocytami (ryc. 1). Hem to część hemoglobiny zawierająca żelazo i to hem wiąże tlen. Jeden erytrocyt zawiera cztery jony żelaza, dzięki czemu każdy erytrocyt może przenosić do czterech cząsteczek tlenu. Gdy tlen dyfunduje przez błonę oddechową od pęcherzyków do naczyń włosowatych, dyfunduje również do krwinek czerwonych i jest wiązany przez hemoglobinę. Następująca odwracalna reakcja chemiczna opisuje wytwarzanie produktu końcowego, oksyhemoglobina (Hb–O2), który powstaje, gdy tlen wiąże się z hemoglobiną. Oksyhemoglobina to jasnoczerwona cząsteczka, która przyczynia się do jaskrawoczerwonego koloru natlenionej krwi.

W tym wzorze Hb reprezentuje zredukowaną hemoglobinę, to znaczy hemoglobinę, która nie ma związanego z nią tlenu. Istnieje wiele czynników związanych z tym, jak łatwo hem wiąże się i dysocjuje z tlenem, co zostanie omówione w kolejnych sekcjach.

Funkcja hemoglobiny

Hemoglobina składa się z podjednostek, struktury białkowej nazywanej strukturą czwartorzędową. Każda z czterech podjednostek tworzących hemoglobinę jest ułożona w sposób podobny do pierścienia, z atomem żelaza kowalencyjnie związanym z hemem w środku każdej podjednostki. Wiązanie pierwszej cząsteczki tlenu powoduje zmianę konformacyjną hemoglobiny, która umożliwia łatwiejsze wiązanie drugiej cząsteczki tlenu. Ponieważ każda cząsteczka tlenu jest związana, dodatkowo ułatwia wiązanie następnej cząsteczki, dopóki wszystkie cztery miejsca hemu nie zostaną zajęte przez tlen. Zachodzi również sytuacja odwrotna: po tym, jak pierwsza cząsteczka tlenu dysocjuje i jest „odrzucana” w tkankach, następna cząsteczka tlenu dysocjuje łatwiej. Kiedy wszystkie cztery miejsca hemu są zajęte, mówi się, że hemoglobina jest nasycona. Kiedy zajęte jest od jednego do trzech miejsc hemu, mówi się, że hemoglobina jest częściowo wysycona. Dlatego, biorąc pod uwagę krew jako całość, procent dostępnych jednostek hemu, które są związane z tlenem w danym czasie, nazywamy nasyceniem hemoglobiny. 100-procentowe wysycenie hemoglobiny oznacza, że ​​każda jednostka hemu we wszystkich erytrocytach organizmu jest związana z tlenem. U zdrowej osoby z normalnym poziomem hemoglobiny nasycenie hemoglobiny zwykle waha się od 95 procent do 99 procent.

Dysocjacja tlenu z hemoglobiny

Ciśnienie cząstkowe jest ważnym aspektem wiązania tlenu i odłączania od hemu. jakiś krzywa dysocjacji tlen–hemoglobina to wykres opisujący zależność ciśnienia parcjalnego od wiązania tlenu do hemu i jego późniejszej dysocjacji od hemu (Rysunek 2). Pamiętaj, że gazy przemieszczają się z obszaru o wyższym ciśnieniu cząstkowym do obszaru o niższym ciśnieniu cząstkowym. Ponadto powinowactwo cząsteczki tlenu do hemu wzrasta wraz z wiązaniem większej liczby cząsteczek tlenu. Dlatego na krzywej nasycenia tlen-hemoglobina, wraz ze wzrostem ciśnienia parcjalnego tlenu, proporcjonalnie większa liczba cząsteczek tlenu jest wiązana przez hem. Nic dziwnego, że krzywa nasycenia/dysocjacji tlen-hemoglobina pokazuje również, że im niższe ciśnienie parcjalne tlenu, tym mniej cząsteczek tlenu jest związanych z hemem. W rezultacie ciśnienie cząstkowe tlenu odgrywa główną rolę w określaniu stopnia wiązania tlenu z hemem w miejscu błony oddechowej, a także stopnia dysocjacji tlenu z hemu w miejscu tkanek ciała.

Rysunek 2. Te trzy wykresy pokazują (a) zależność między ciśnieniem cząstkowym tlenu a wysyceniem hemoglobiny, (b) wpływ pH na krzywą dysocjacji tlen-hemoglobina oraz (c) wpływ temperatury na krzywą tlen-hemoglobina krzywa dysocjacji.

Mechanizmy stojące za krzywą nasycenia/dysocjacji tlen-hemoglobina służą również jako automatyczne mechanizmy kontrolne, które regulują ilość tlenu dostarczanego do różnych tkanek w całym ciele. Jest to ważne, ponieważ niektóre tkanki mają wyższe tempo metabolizmu niż inne. Tkanki o wysokiej aktywności, takie jak mięśnie, szybko wykorzystują tlen do produkcji ATP, obniżając ciśnienie parcjalne tlenu w tkance do około 20 mm Hg. Ciśnienie parcjalne tlenu w kapilarach wynosi około 100 mm Hg, więc różnica między nimi staje się dość duża, około 80 mm Hg. W rezultacie większa liczba cząsteczek tlenu dysocjuje od hemoglobiny i dostaje się do tkanek. Odwrotnie jest w przypadku tkanek, takich jak tkanka tłuszczowa (tłuszcz ciała), które mają niższe tempo przemiany materii. Ponieważ komórki te zużywają mniej tlenu, ciśnienie cząstkowe tlenu w takich tkankach pozostaje stosunkowo wysokie, co powoduje, że mniej cząsteczek tlenu oddziela się od hemoglobiny i dostaje się do płynu śródmiąższowego tkanki. Chociaż mówi się, że krew żylna jest odtleniona, część tlenu jest nadal związana z hemoglobiną w jej czerwonych krwinkach. Zapewnia to rezerwę tlenu, którą można wykorzystać, gdy tkanki nagle potrzebują więcej tlenu.

Czynniki inne niż ciśnienie parcjalne również wpływają na krzywą nasycenia/dysocjacji tlen-hemoglobina. Na przykład wyższa temperatura sprzyja szybszej dysocjacji hemoglobiny i tlenu, podczas gdy niższa temperatura hamuje dysocjację (patrz Rysunek 2b). Jednak organizm człowieka ściśle reguluje temperaturę, więc czynnik ten może nie wpływać na wymianę gazową w całym organizmie. Wyjątkiem są bardzo aktywne tkanki, które mogą uwalniać większą ilość energii niż wydzielana w postaci ciepła. W rezultacie tlen łatwo dysocjuje od hemoglobiny, co jest mechanizmem, który pomaga dostarczać więcej tlenu tkankom aktywnym.

Niektóre hormony, takie jak androgeny, epinefryna, hormony tarczycy i hormon wzrostu, mogą wpływać na krzywą wysycenia/dysocjacji tlen-hemoglobina poprzez stymulowanie produkcji związku o nazwie 2,3-bisfosfoglicerynian (BPG) przez erytrocyty. BPG jest produktem ubocznym glikolizy. Ponieważ erytrocyty nie zawierają mitochondriów, glikoliza jest jedyną metodą wytwarzania ATP przez te komórki. BPG promuje oddzielenie tlenu od hemoglobiny. Dlatego im większe jest stężenie BPG, tym łatwiej tlen dysocjuje od hemoglobiny, pomimo jej ciśnienia parcjalnego.

pH krwi jest kolejnym czynnikiem wpływającym na krzywą nasycenia tlenem i hemoglobiną/dysocjację (patrz Ryc. 2). ten Efekt Bohra to zjawisko, które wynika z zależności między pH a powinowactwem tlenu do hemoglobiny: Niższe, bardziej kwaśne pH sprzyja dysocjacji tlenu z hemoglobiny. W przeciwieństwie do tego wyższe lub bardziej zasadowe pH hamuje dysocjację tlenu z hemoglobiny. Im większa ilość dwutlenku węgla we krwi, tym więcej cząsteczek musi zostać przekształconych, co z kolei generuje jony wodorowe, a tym samym obniża pH krwi. Ponadto pH krwi może stać się bardziej kwaśne, gdy do krwiobiegu zostaną uwolnione pewne produkty uboczne metabolizmu komórkowego, takie jak kwas mlekowy, kwas węglowy i dwutlenek węgla.

Hemoglobina płodu

Płód ma własne krążenie z własnymi erytrocytami, jednak tlen jest zależny od matki. Krew dostarczana jest do płodu przez pępowinę, która jest połączona z łożyskiem i oddzielona od krwi matki przez kosmówkę. Mechanizm wymiany gazowej w kosmówce jest podobny do wymiany gazowej w błonie oddechowej. Jednak ciśnienie parcjalne tlenu we krwi matczynej w łożysku jest niższe i wynosi około 35 do 50 mm Hg niż we krwi tętniczej matki. Różnica ciśnień parcjalnych między krwią matki i płodu nie jest duża, ponieważ ciśnienie parcjalne tlenu we krwi płodu w łożysku wynosi około 20 mm Hg. Dlatego też dyfuzja tlenu do krwi płodowej jest mniejsza. Hemoglobina płodu rozwiązuje ten problem, ponieważ ma większe powinowactwo do tlenu niż hemoglobina matki (ryc. 3). Zarówno hemoglobina płodowa, jak i dorosła mają cztery podjednostki, ale dwie podjednostki hemoglobiny płodowej mają inną strukturę, która powoduje, że hemoglobina płodowa ma większe powinowactwo do tlenu niż hemoglobina dorosłych.

Rysunek 3. Krzywe dysocjacji tlen-hemoglobina u płodu i osoby dorosłej. Hemoglobina płodowa ma większe powinowactwo do tlenu niż hemoglobina dorosłych.


Wymiana tlenu i dwutlenku węgla

Podstawową funkcją układu oddechowego jest pobieranie tlenu i eliminacja dwutlenku węgla. Wdychany tlen dostaje się do płuc i dociera do pęcherzyków płucnych. Warstwy komórek wyściełające pęcherzyki i otaczające je naczynia włosowate mają grubość tylko jednej komórki i są ze sobą w bardzo bliskim kontakcie. Ta bariera między powietrzem a krwią wynosi średnio około 1 mikrona ( 1 /10,000 centymetra lub 0,000039 cala) o grubości. Tlen szybko przechodzi przez tę barierę krew-powietrze do krwi w naczyniach włosowatych. Podobnie dwutlenek węgla przechodzi z krwi do pęcherzyków płucnych, a następnie jest wydychany.

Natleniona krew przepływa z płuc przez żyły płucne do lewej strony serca, która pompuje krew do reszty ciała (patrz Funkcja serca). Uboga w tlen, bogata w dwutlenek węgla krew powraca do prawej strony serca przez dwie duże żyły, żyłę główną górną i żyłę główną dolną. Następnie krew jest przepompowywana przez tętnicę płucną do płuc, gdzie pobiera tlen i uwalnia dwutlenek węgla.

Funkcją układu oddechowego jest dodawanie tlenu do krwi i usuwanie dwutlenku węgla. Mikroskopijnie cienkie ściany pęcherzyków pozwalają wdychanemu tlenowi na szybkie i łatwe przemieszczanie się z płuc do czerwonych krwinek w okolicznych naczyniach włosowatych. W tym samym czasie dwutlenek węgla przemieszcza się z krwi w naczyniach włosowatych do pęcherzyków płucnych.

Aby wspomóc wchłanianie tlenu i uwalnianie dwutlenku węgla, około 5 do 8 litrów (około 1,3 do 2,1 galona) powietrza na minutę jest wprowadzane i wypuszczane z płuc oraz około trzech dziesiątych litra (około trzech dziesiątych litr) tlenu jest przenoszony z pęcherzyków do krwi co minutę, nawet gdy osoba jest w stanie spoczynku. W tym samym czasie podobna objętość dwutlenku węgla przemieszcza się z krwi do pęcherzyków i jest wydychana. Podczas ćwiczeń można wdychać i wydychać ponad 100 litrów (około 26 galonów) powietrza na minutę i pozyskiwać z tego powietrza 3 litry (nieco mniej niż 1 galon) tlenu na minutę. Tempo, w jakim tlen jest zużywany przez organizm, jest jedną z miar tempa wydatkowania energii przez organizm. Wdech i wydech jest realizowany przez mięśnie oddechowe.

Wymiana gazu między przestrzeniami pęcherzykowymi a kapilarami

Funkcją układu oddechowego jest przemieszczanie dwóch gazów: tlenu i dwutlenku węgla. Wymiana gazowa odbywa się w milionach pęcherzyków płucnych i otaczających je naczyń włosowatych. Jak pokazano poniżej, wdychany tlen przemieszcza się z pęcherzyków do krwi w naczyniach włosowatych, a dwutlenek węgla z krwi w naczyniach włosowatych do powietrza w pęcherzykach.


Transpiracja – co i dlaczego?

Co to jest transpiracja? W aktywnie rosnących roślinach woda stale odparowuje z powierzchni komórek liści wystawionych na działanie powietrza. Ta woda jest zastępowana dodatkową absorpcją wody z gleby. Woda płynna przepływa przez roślinę od wody glebowej do powierzchni liści, gdzie w procesie parowania przekształca się z cieczy w gaz. Spójne właściwości wody (wiązanie wodorowe między sąsiednimi cząsteczkami wody) pozwalają na „podciąganie” słupa wody przez roślinę, gdy cząsteczki wody odparowują na powierzchni komórek liści. Proces ten został nazwany teorią kohezji wznoszenia się soków roślinnych.

Obraz cząsteczek wody opuszczających aparaty szparkowe - widok z boku

Dlaczego rośliny się transpirują?

Chłodzenie wyparne: Gdy woda odparowuje lub przekształca się z cieczy w gaz na styku komórki liścia i atmosfery, uwalniana jest energia. Ten egzotermiczny proces wykorzystuje energię do zerwania silnych wiązań wodorowych między cząsteczkami ciekłej wody. Energia wykorzystywana do tego jest pobierana z liścia i przekazywana cząsteczkom wody, które przekształciły się w wysokoenergetyczne cząsteczki gazu. Te cząsteczki gazu i związana z nimi energia są uwalniane do atmosfery, schładzając roślinę.

Dostęp do składników odżywczych z gleby: Woda, która dostaje się do korzenia, zawiera rozpuszczone składniki odżywcze niezbędne do wzrostu roślin. Uważa się, że transpiracja zwiększa pobieranie składników odżywczych przez rośliny.

Wejście dwutlenku węgla: Kiedy roślina transpiruje, jej aparaty szparkowe są otwarte, umożliwiając wymianę gazową między atmosferą a liściem. Otwarte aparaty szparkowe pozwalają parze wodnej opuścić liść, ale także pozwalają na dwutlenek węgla (CO2), aby wejść. Do działania fotosyntezy potrzebny jest dwutlenek węgla. Niestety dużo więcej wody opuszcza liść niż CO2 wpisuje z trzech powodów:

  1. h2Cząsteczki O są mniejsze niż CO2 cząsteczki, dzięki czemu szybciej przemieszczają się do miejsca przeznaczenia.
  2. WSPÓŁ2 to tylko około 0,036% atmosfery (i rośnie!), więc gradient dla jego wejścia do rośliny jest znacznie mniejszy niż gradient dla H2O przejście z uwodnionego liścia do suchej atmosfery.
  3. WSPÓŁ2 ma znacznie większą odległość do przebycia, aby dotrzeć do miejsca przeznaczenia w chloroplastach z atmosfery w porównaniu do H2O, która musi tylko przenieść się z powierzchni komórek liścia do atmosfery.

Ta nieproporcjonalna wymiana CO2 i H2O prowadzi do paradoksu. Im większy otwór szparkowy, tym łatwiej dwutlenek węgla dostanie się do liścia w celu wywołania fotosyntezy, jednak ten duży otwór pozwoli również liściowi na utratę dużej ilości wody i grozi odwodnieniem lub stresem związanym z niedoborem wody. Rośliny, które są w stanie utrzymać lekko otwarte aparaty szparkowe, stracą mniej cząsteczek wody na każdą cząsteczkę CO2, która dostanie się do środka, a tym samym będą miały większą efektywność wykorzystania wody (strata wody / zysk CO2). Rośliny o większej efektywności wykorzystania wody lepiej znoszą okresy niskiego poziomu wody w glebie.

Pobór wody: Chociaż tylko mniej niż 5% wody pobieranej przez korzenie pozostaje w roślinie, woda ta jest niezbędna dla struktury i funkcji rośliny. Woda jest ważna dla napędzania procesów biochemicznych, ale także tworzy turgor, dzięki czemu roślina może stać bez kości.


Częstość oddechów i kontrola wentylacji

Oddychanie zwykle odbywa się bez zastanowienia, chociaż czasami można go świadomie kontrolować, na przykład gdy pływasz pod wodą, śpiewasz piosenkę lub dmuchasz w bańki. Częstość oddechów to całkowita liczba oddechów lub cykli oddechowych, które występują w każdej minucie. Częstość oddechów może być ważnym wskaźnikiem choroby, ponieważ częstość ta może wzrastać lub zmniejszać się podczas choroby lub stanu chorobowego. Częstość oddychania jest kontrolowana przez ośrodek oddechowy zlokalizowany w rdzeniu przedłużonym w mózgu, który reaguje przede wszystkim na zmiany poziomu dwutlenku węgla, tlenu i pH we krwi.

Normalna częstość oddechów dziecka spada od urodzenia do okresu dojrzewania. Dziecko w wieku poniżej 1 roku ma normalną częstość oddechów od 30 do 60 oddechów na minutę, ale w wieku około 10 lat normalna częstość jest bliższa 18-30. W okresie dojrzewania normalna częstość oddechów wynosi podobnie jak u dorosłych, od 12 do 18 oddechów na minutę.

Centra kontroli wentylacji

Kontrola wentylacji to złożona gra wielu regionów mózgu, która sygnalizuje skurcze mięśni wykorzystywanych podczas wentylacji płuc (Tabela 2). Rezultatem jest zazwyczaj rytmiczna, stała wentylacja, która zapewnia organizmowi wystarczającą ilość tlenu, jednocześnie odpowiednio usuwając dwutlenek węgla.

Tabela 2. Podsumowanie przepisów dotyczących wentylacji
Komponent systemu Funkcjonować
Rdzenny dzierżawca dróg oddechowych Ustawia podstawowy rytm oddychania
Grupa oddechowa brzuszna (VRG) Generuje rytm oddychania i integruje dane wchodzące do rdzenia
Grzbietowa grupa oddechowa (DRG) Integruje dane wejściowe z receptorów rozciągania i chemoreceptorów na obwodzie
Pontyjska grupa oddechowa (PRG) Wpływa i modyfikuje funkcje rdzenia przedłużonego
Ciało aorty Monitoruje PCO we krwi2, PO2i pH
Ciało szyjne Monitoruje PCO we krwi2, PO2i pH
Podwzgórze Monitoruje stan emocjonalny i temperaturę ciała
Obszary korowe mózgu Kontroluj dobrowolne oddychanie
Proprioceptory Wysyłaj impulsy dotyczące ruchów stawów i mięśni
Płucne odruchy drażniące Chronić strefy oddechowe systemu przed ciałami obcymi
Odruch inflacji Chroni płuca przed nadmiernym rozdęciem

Neurony unerwiające mięśnie układu oddechowego są odpowiedzialne za kontrolowanie i regulację wentylacji płuc. Głównymi ośrodkami mózgowymi zaangażowanymi w wentylację płuc są rdzeń przedłużony i mostowa grupa oddechowa (ryc. 5).

Rycina 5. Ośrodki oddechowe mózgu

Rdzeń przedłużony zawiera grzbietową grupę oddechową (DRG) i brzuszną grupę oddechową (VRG). DRG bierze udział w utrzymywaniu stałego rytmu oddychania poprzez stymulację skurczu przepony i mięśni międzyżebrowych, co skutkuje wdechem. Kiedy aktywność w DRG ustaje, nie stymuluje ona już przepony i międzyżebrów do kurczenia się, pozwalając im się rozluźnić, co skutkuje wydechem. VRG bierze udział w wymuszonym oddychaniu, ponieważ neurony w VRG stymulują skurcze mięśni pomocniczych biorących udział w wymuszonym oddychaniu, co skutkuje wymuszonym wdechem. VRG stymuluje również mięśnie pomocnicze zaangażowane w wymuszony wydech do skurczu.

Drugi ośrodek oddechowy mózgu znajduje się w moście, zwany mostową grupą oddechową i składa się z ośrodków bezdechu i pneumotaksji. Ośrodek bezdechu to podwójne skupisko ciał komórek neuronalnych, które stymulują neurony w DRG, kontrolując głębokość wdechu, szczególnie przy głębokim oddychaniu. Ośrodek pneumotaksji to sieć neuronów, która hamuje aktywność neuronów w DRG, umożliwiając relaksację po wdechu, a tym samym kontrolując ogólne tempo.

Czynniki wpływające na tempo i głębokość oddychania

Częstość oddechów i głębokość wdechu są regulowane przez rdzeń przedłużony i most, jednak te obszary mózgu robią to w odpowiedzi na bodźce ogólnoustrojowe. Jest to zależność dawka-odpowiedź, pozytywna-sprzężenie zwrotne, w której im silniejszy bodziec, tym większa reakcja. W ten sposób narastanie bodźców powoduje wymuszony oddech. W stymulowaniu mózgu do wentylacji płuc zaangażowanych jest wiele czynników ogólnoustrojowych.

Co zaskakujące, głównym czynnikiem stymulującym rdzeń przedłużony i most do oddychania nie jest stężenie tlenu, ale stężenie dwutlenku węgla we krwi. Jak pamiętasz, dwutlenek węgla jest produktem ubocznym oddychania komórkowego i może być toksyczny. Stężenia chemikaliów są wykrywane przez chemoreceptory. Chemoreceptor centralny jest jednym z wyspecjalizowanych receptorów zlokalizowanych w mózgu i pniu mózgu, podczas gdy chemoreceptor obwodowy jest jednym z wyspecjalizowanych receptorów zlokalizowanych w tętnicach szyjnych i łuku aorty. Zmiany stężenia niektórych substancji, takich jak dwutlenek węgla czy jony wodoru, stymulują te receptory, co z kolei sygnalizuje ośrodki oddechowe w mózgu. W przypadku dwutlenku węgla, wraz ze wzrostem stężenia CO2 we krwi, łatwo dyfunduje przez barierę krew-mózg, gdzie gromadzi się w płynie pozakomórkowym. Jak zostanie wyjaśnione bardziej szczegółowo później, zwiększone poziomy dwutlenku węgla prowadzą do zwiększenia poziomów jonów wodorowych, zmniejszając pH. Wzrost jonów wodorowych w mózgu powoduje, że centralne chemoreceptory stymulują ośrodki oddechowe do inicjowania skurczu przepony i mięśni międzyżebrowych. W rezultacie zwiększa się tempo i głębokość oddychania, co pozwala na wydalenie większej ilości dwutlenku węgla, co powoduje więcej powietrza do i z płuc, co sprzyja obniżeniu poziomu dwutlenku węgla, a tym samym jonów wodorowych we krwi. W przeciwieństwie do tego, niski poziom dwutlenku węgla we krwi powoduje niski poziom jonów wodorowych w mózgu, co prowadzi do zmniejszenia tempa i głębokości wentylacji płuc, powodując płytki, powolny oddech.

Innym czynnikiem wpływającym na aktywność oddechową mózgu jest ogólnoustrojowe stężenie jonów wodorowych w tętnicach. Zwiększenie poziomu dwutlenku węgla może prowadzić do podwyższenia poziomu H+, jak wspomniano powyżej, a także innych aktywności metabolicznych, takich jak akumulacja kwasu mlekowego po intensywnym wysiłku fizycznym. Obwodowe chemoreceptory łuku aorty i tętnic szyjnych wykrywają poziom jonów wodorowych w tętnicach. Kiedy chemoreceptory obwodowe wyczuwają obniżający się lub bardziej kwaśny poziom pH, stymulują wzrost wentylacji, aby szybciej usuwać dwutlenek węgla z krwi. Usunięcie dwutlenku węgla z krwi pomaga zredukować jony wodorowe, zwiększając w ten sposób ogólnoustrojowe pH.

Poziom tlenu we krwi jest również ważny w wpływaniu na częstość oddechów. Chemoreceptory obwodowe są odpowiedzialne za wykrywanie dużych zmian poziomu tlenu we krwi. Jeśli poziom tlenu we krwi stanie się dość niski – około 60 mm Hg lub mniej – wtedy chemoreceptory obwodowe stymulują wzrost aktywności oddechowej. Chemoreceptory są w stanie wykryć tylko cząsteczki rozpuszczonego tlenu, a nie tlen związany z hemoglobiną. Jak pamiętasz, większość tlenu jest związana przez hemoglobinę, gdy poziom rozpuszczonego tlenu spada, hemoglobina uwalnia tlen. Dlatego do stymulacji chemoreceptorów łuku aorty i tętnic szyjnych wymagany jest duży spadek poziomu tlenu.

Podwzgórze i inne regiony mózgu związane z układem limbicznym również odgrywają rolę we wpływaniu na regulację oddychania poprzez interakcję z ośrodkami oddechowymi. Podwzgórze i inne regiony związane z układem limbicznym są zaangażowane w regulację oddychania w odpowiedzi na emocje, ból i temperaturę. Na przykład wzrost temperatury ciała powoduje wzrost częstości oddechów. Uczucie podekscytowania lub reakcja walki lub ucieczki również spowoduje wzrost częstości oddechów.

Zaburzenia układu oddechowego: bezdech senny

Bezdech senny jest przewlekłą chorobą, która może wystąpić u dzieci lub dorosłych i charakteryzuje się ustaniem oddychania podczas snu. Epizody te mogą trwać kilka sekund lub kilka minut i mogą różnić się częstotliwością ich doświadczania. Bezdech senny prowadzi do złego snu, co przekłada się na objawy zmęczenia, wieczorne drzemki, drażliwość, problemy z pamięcią i poranne bóle głowy. Ponadto wiele osób z bezdechem sennym odczuwa suchość gardła rano po przebudzeniu, co może być spowodowane nadmiernym chrapaniem.

Istnieją dwa rodzaje bezdechu sennego: obturacyjny bezdech senny i centralny bezdech senny. Obturacyjny bezdech senny jest spowodowany niedrożnością dróg oddechowych podczas snu, która może wystąpić w różnych punktach dróg oddechowych, w zależności od przyczyny niedrożności. Na przykład mięśnie języka i gardła u niektórych osób z obturacyjnym bezdechem sennym mogą nadmiernie się rozluźnić, powodując nacisk mięśni na drogi oddechowe. Innym przykładem jest otyłość, która jest znanym czynnikiem ryzyka bezdechu sennego, ponieważ nadmiar tkanki tłuszczowej w okolicy szyi może popchnąć tkanki miękkie w kierunku światła dróg oddechowych, powodując zwężenie tchawicy.

W przypadku bezdechu sennego ośrodkowego ośrodki oddechowe mózgu nie reagują prawidłowo na wzrost poziomu dwutlenku węgla i dlatego nie stymulują regularnie skurczu przepony i mięśni międzyżebrowych. W rezultacie wdech nie występuje i oddech zatrzymuje się na krótki czas. W niektórych przypadkach przyczyna centralnego bezdechu sennego jest nieznana. Jednak niektóre schorzenia, takie jak udar i zastoinowa niewydolność serca, mogą spowodować uszkodzenie mostu lub rdzenia przedłużonego. Ponadto niektóre środki farmakologiczne, takie jak morfina, mogą wpływać na ośrodki oddechowe, powodując zmniejszenie częstości oddechów. Objawy centralnego bezdechu sennego są podobne do objawów obturacyjnego bezdechu sennego.

Diagnozę bezdechu sennego przeprowadza się zwykle podczas badania snu, podczas którego pacjent jest monitorowany w laboratorium snu przez kilka nocy. Poziom tlenu we krwi pacjenta, częstość akcji serca, częstość oddechów i ciśnienie krwi są monitorowane, podobnie jak aktywność mózgu i objętość wdychanego i wydychanego powietrza. Leczenie bezdechu sennego zwykle obejmuje stosowanie urządzenia zwanego maszyną do ciągłego dodatniego ciśnienia w drogach oddechowych (CPAP) podczas snu. Urządzenie CPAP ma maskę, która zakrywa nos lub nos i usta i wtłacza powietrze do dróg oddechowych w regularnych odstępach czasu. To sprężone powietrze może pomóc delikatnie zmusić drogi oddechowe do pozostania otwartymi, umożliwiając bardziej normalną wentylację. Inne metody leczenia obejmują zmiany stylu życia w celu zmniejszenia masy ciała, wyeliminowanie alkoholu i innych leków promujących bezdech senny oraz zmiany pozycji podczas snu. Oprócz tych zabiegów, pacjenci z centralnym bezdechem sennym mogą potrzebować dodatkowego tlenu podczas snu.


Wymiana tlenu i dwutlenku węgla

Podstawową funkcją układu oddechowego jest pobieranie tlenu i eliminacja dwutlenku węgla. Wdychany tlen dostaje się do płuc i dociera do pęcherzyków płucnych. Warstwy komórek wyściełające pęcherzyki i otaczające je naczynia włosowate mają grubość tylko jednej komórki i są ze sobą w bardzo bliskim kontakcie. Ta bariera między powietrzem a krwią wynosi średnio około 1 mikrona ( 1 /10,000 centymetra lub 0,000039 cala) o grubości. Tlen szybko przechodzi przez tę barierę krew-powietrze do krwi w naczyniach włosowatych. Podobnie dwutlenek węgla przechodzi z krwi do pęcherzyków płucnych, a następnie jest wydychany.

Natleniona krew przepływa z płuc przez żyły płucne do lewej strony serca, która pompuje krew do reszty ciała (patrz Funkcja serca). Uboga w tlen, bogata w dwutlenek węgla krew powraca do prawej strony serca przez dwie duże żyły, żyłę główną górną i żyłę główną dolną. Następnie krew jest przepompowywana przez tętnicę płucną do płuc, gdzie pobiera tlen i uwalnia dwutlenek węgla.

Funkcją układu oddechowego jest dodawanie tlenu do krwi i usuwanie dwutlenku węgla. Mikroskopijnie cienkie ściany pęcherzyków pozwalają wdychanemu tlenowi na szybkie i łatwe przemieszczanie się z płuc do czerwonych krwinek w okolicznych naczyniach włosowatych. W tym samym czasie dwutlenek węgla przemieszcza się z krwi w naczyniach włosowatych do pęcherzyków płucnych.

Aby wspomóc wchłanianie tlenu i uwalnianie dwutlenku węgla, około 5 do 8 litrów (około 1,3 do 2,1 galona) powietrza na minutę jest wprowadzane i wypuszczane z płuc oraz około trzech dziesiątych litra (około trzech dziesiątych litr) tlenu jest przenoszony z pęcherzyków do krwi co minutę, nawet gdy osoba jest w stanie spoczynku. W tym samym czasie podobna objętość dwutlenku węgla przemieszcza się z krwi do pęcherzyków i jest wydychana. Podczas ćwiczeń można wdychać i wydychać ponad 100 litrów (około 26 galonów) powietrza na minutę i pozyskiwać z tego powietrza 3 litry (nieco mniej niż 1 galon) tlenu na minutę. Tempo, w jakim tlen jest zużywany przez organizm, jest jedną z miar tempa wydatkowania energii przez organizm. Wdech i wydech jest realizowany przez mięśnie oddechowe.

Wymiana gazu między przestrzeniami pęcherzykowymi a kapilarami

Funkcją układu oddechowego jest przemieszczanie dwóch gazów: tlenu i dwutlenku węgla. Wymiana gazowa odbywa się w milionach pęcherzyków płucnych i otaczających je naczyń włosowatych. Jak pokazano poniżej, wdychany tlen przemieszcza się z pęcherzyków do krwi w naczyniach włosowatych, a dwutlenek węgla z krwi w naczyniach włosowatych do powietrza w pęcherzykach.


Dwutlenek węgla i tlen

Aktywność ludzkiego ciała jest przejawem połączonej pracy bilionów mikroskopijnych komórek. Organizm potrzebuje jedzenia do jedzenia i powietrza do oddychania, a wymagania poszczególnych komórek są podobne. Podstawowa reakcja, która umożliwia życie komórkowe, przekształca glukozę i tlen w dwutlenek węgla, wodę i energię. Właśnie dlatego dostarczanie tlenu do krwiobiegu jest kluczowym aspektem homeostazy – przy niedostatecznej ilości tlenu komórki nie mogą wytwarzać energii. Należy również starannie zarządzać dwutlenkiem węgla, aby ten produkt odpadowy nie gromadził się do problematycznych poziomów. Wdychając i wydychając układ oddechowy jest w stanie pobierać tlen i uwalniać dwutlenek węgla, przez co odgrywa dominującą rolę w homeostatycznej wymianie gazowej.


Procedura

  1. Umieść dwie zlewki obok siebie na ławce i włóż do każdej z nich krótką świecę.
  2. Zapal świece za pomocą szyny. Będą nadal płonąć.
  3. Wlej dwutlenek węgla z kolby do jednej zlewki, a świeca zgaśnie, podczas gdy świeca w drugiej zlewce nadal się pali.
  4. Spróbuj ponownie zapalić pierwszą świecę za pomocą szyny. To się nie powiedzie i szyna zgaśnie.
  5. Teraz wylej dwutlenek węgla ze zlewki i spróbuj ponownie zapalić świecę. Teraz powinno się to udać.

Punktowe i niepunktowe źródła zanieczyszczeń

Dla celów regulacji Agencja Ochrony Środowiska Stanów Zjednoczonych identyfikuje dwie szerokie kategorie zanieczyszczeń: zanieczyszczenia ze źródeł punktowych i zanieczyszczenia nie ze źródeł punktowych.

Biologia, ekologia, ochrona przyrody, nauka o Ziemi, oceanografia

Zanieczyszczenie rzeki

Woda wypełniona nieczystościami jest wrzucana do rzeki, zanieczyszczając ją dla ludzi i zwierząt, które wykorzystują ją jako źródło do jedzenia i picia.

Zdjęcie autorstwa Kaentian Street

Zawiera ona loga programów lub partnerów NG Education, którzy dostarczyli lub wnieśli treść na tej stronie. Zasilany przez

Prawie wszystko, co robią ludzie, od uprawy żywności przez wytwarzanie produktów po wytwarzanie energii elektrycznej, ma potencjał uwalniania zanieczyszczeń do środowiska. Organy regulacyjne zajmujące się ochroną środowiska identyfikują dwie główne kategorie zanieczyszczeń: zanieczyszczenia punktowe i niepunktowe.

Zanieczyszczenia ze źródeł punktowych są łatwe do zidentyfikowania. Jak sama nazwa wskazuje, pochodzi z jednego miejsca. Zanieczyszczenia nie pochodzące ze źródeł punktowych są trudniejsze do zidentyfikowania i trudniejsze do rozwiązania. To zanieczyszczenia pochodzące z wielu miejsc jednocześnie.

Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska (EPA) definiuje zanieczyszczenie ze źródła punktowego jako każde zanieczyszczenie, które dostaje się do środowiska z łatwo zidentyfikowanego i ograniczonego miejsca. Przykłady obejmują kominy, rury odprowadzające i rowy odwadniające.

Fabryki i elektrownie mogą być źródłem zanieczyszczeń punktowych, oddziałujących zarówno na powietrze, jak i wodę. Kominy mogą wyrzucać w powietrze tlenek węgla, metale ciężkie, dwutlenek siarki, dwutlenek azotu lub „materiały cząsteczkowe” (małe cząsteczki). Rafinerie ropy naftowej, papiernie i zakłady samochodowe, które wykorzystują wodę jako część swoich procesów produkcyjnych, mogą odprowadzać ścieki i ścieki zawierające szkodliwe zanieczyszczenia chemiczne i mdashin do rzek, jezior lub oceanów.

Innym powszechnym źródłem zanieczyszczeń punktowych są miejskie oczyszczalnie ścieków. Ścieki z oczyszczalni mogą wprowadzać do dróg wodnych substancje odżywcze i szkodliwe drobnoustroje. Substancje odżywcze mogą powodować gwałtowny wzrost glonów w wodzie.

Zanieczyszczenie ze źródeł niepunktowych jest przeciwieństwem zanieczyszczenia ze źródeł punktowych, z zanieczyszczeniami uwalnianymi na dużym obszarze. Jako przykład wyobraź sobie ulicę miasta podczas burzy. Gdy woda deszczowa spływa po asfalcie, zmywa krople oleju, które wyciekły z silników samochodowych, cząstki gumy z opon, psie odchody i śmieci. Odpływ trafia do kanału burzowego i trafia do pobliskiej rzeki. Odpływ jest główną przyczyną zanieczyszczeń niepunktowych. Jest to duży problem w miastach ze względu na wszystkie twarde nawierzchnie, w tym ulice i dachy. Ilość zanieczyszczeń wypłukiwanych z jednego bloku miejskiego może być niewielka, ale gdy zsumuje się kilometry chodnika w dużym mieście, pojawia się duży problem.

Na obszarach wiejskich spływ może wypłukać osad z dróg w wyciętym lesie. Może również przenosić kwas z opuszczonych kopalń oraz wypłukiwać pestycydy i nawozy z pól uprawnych. Całe to zanieczyszczenie prawdopodobnie znajdzie się w strumieniach, rzekach i jeziorach.

Zanieczyszczenia powietrza są głównymi przyczynami kwaśnych deszczy. Powstaje w atmosferze, gdy dwutlenek siarki i tlenki azotu łączą się z wodą. Ponieważ kwaśne deszcze wynikają z przemieszczania się tych zanieczyszczeń na dalekie odległości z wielu fabryk i elektrowni, uważa się je za zanieczyszczenie niepunktowe.

W Stanach Zjednoczonych ustawa o czystym powietrzu i ustawa o czystej wodzie pomogły ograniczyć zanieczyszczenia zarówno ze źródeł punktowych, jak i niepunktowych. Dzięki tym dwóm inicjatywom legislacyjnym, które działają już od około 50 lat, powietrze i woda w Ameryce są dziś czystsze niż przez większą część XX wieku.

Woda wypełniona nieczystościami jest wrzucana do rzeki, zanieczyszczając ją dla ludzi i zwierząt, które wykorzystują ją jako źródło do jedzenia i picia.


Obejrzyj wideo: OTRZYMYWANIE I BADANIE WŁAŚCIWOŚCI WODORU (Sierpień 2022).