Реферат на тему: Кислород

Оглавление:

У вас нет времени на реферат или вам не удаётся написать реферат? Напишите мне в whatsapp — согласуем сроки и я вам помогу!

В статье «Как научиться правильно писать реферат», я написала о правилах и советах написания лучших рефератов, прочитайте пожалуйста.

Собрала для вас похожие темы рефератов, посмотрите, почитайте:

Введение

Кислород играет важную роль в обмене веществ у большинства животных. Он участвует в дыхании. Дыхание — один из важнейших метаболических процессов в живом организме. Большое количество энергии требуется для жизнедеятельности организмов, т.е. для их развития, размножения и роста, а также для синтеза различных органических соединений, из которых состоит клетка. Организмы покрывают свою энергетическую потребность за счет процессов дыхания.

Дыхание — это физиологический процесс, обеспечивающий нормальный метаболизм (обмен веществ и энергии) живых организмов и способствующий поддержанию гомеостаза (постоянство внутренней среды), при котором кислород (O2) забирается из окружающей среды, а некоторые продукты метаболизма (CO2, H2O и другие) выбрасываются в окружающую среду в газообразном состоянии.

Во время дыхания происходят процессы окисления и восстановления: Окисление — отталкивание водорода или электронов донорами (молекулами или атомами); восстановление связи водорода или электронов с акцептором. Приемником водорода или электронов может быть молекулярный кислород. В соответствии с методом дыхания организмы делятся на 2 группы: анаэробов, которые могут обходиться без кислорода, и аэробов, которые не могут обходиться без кислорода.

Роль кислорода в жизни живых существ

Кислород играет важную роль в обмене веществ у большинства животных. Он вовлечен в дыхание, цепь химических реакций, похожих на горение. Высокомолекулярные энергоемкие соединения, такие как углеводы, преобразуются кислородом в низкомолекулярные энергетические соединения, такие как углекислый газ и вода. При этом часть энергии высвобождается. Процесс дыхания до его первичных и конечных продуктов может быть представлен формулой C6H12O6+6O2 → 6CO2+6H2O+674 ккал, в то время как для окисления 180 г (1 моль = молекула глюкозы) требуется 192 г кислорода, который затем расходуется на образование 264 г углекислого газа и 108 г воды.

Таким образом, при дыхании кислород постепенно превращается в другой газ — углекислый газ. Только тогда, когда возможен процесс высвобождения энергии, организм может покрыть свою потребность в кислороде и быть свободным от углекислого газа. Постоянный обмен газами с окружающей средой имеет первостепенное значение для животных, так как невозможно наращивать запасы кислорода в организме. Если окружающая среда характеризуется недостатком кислорода, то первыми симптомами являются одышка, удушье, а затем смерть.

Все живые существа в природе, за исключением нескольких микроорганизмов, потребляют кислород при дыхании. Дыхание — одна из основных функций живого организма. Он основан на поглощении кислорода из окружающей среды и возврате углекислого газа в окружающую среду. У мелких животных, таких как земляные черви, где отношение площади поверхности тела к объему достаточно высокое, дыхание происходит через одеяла. Предпосылкой для этой самой простой формы дыхания является постоянное увлажнение кожи. Кислород из воздуха растворяется в жидкости, которая увлажняет кожу и проникает в организм путем диффузии. В организмах животных с более энергичной жизнью газообмен с внешней средой происходит через специальные органы дыхания.

У большинства насекомых одним из таких органов является трахея — система тонких капиллярных трубок, которые выходят на поверхность кожи с отверстиями, расположенными попарно — дыхательные пути. Эти трубки разветвлены изнутри и проникают во все части тела. Когда насекомое дышит, оно создает своего рода всасывание и вытеснение газов из трахеи, обеспечивая постоянный поток кислорода в организм. Рыба вдыхает через жабры, которые имеют высокоразвитую поверхность. Жабры состоят из наростов, плотно переплетенных с кровеносными сосудами. Снаружи жабры защищены жаберными крышками. Рыба всасывает воду через отверстие во рту и выдавливает ее из-под жаберных крышек, промывая жабры. Кислород, растворенный в воде, рассеивается через тонкие пленки жаберных наростов и, впитываясь в кровь, распределяется по всему организму.

Происходит окисление клеток. Полученный в результате углекислый газ поглощается кровью и через жабры попадает в воду. Потребление кислорода человеком и большинством животных на Земле происходит через легкие и частично через кожу. Люди начинают потреблять кислород с момента рождения. Первое вдыхание новорожденного обычно происходит спонтанно, но иногда его приходится искусственно провоцировать. Удары по телу ребенка вызывают соответствующее раздражение органов дыхания, которое после первого вдоха не прекращается до конца жизни.

Поглощение кислорода

У мелких животных клетки, которые должны поглощать кислород, находятся почти на поверхности тела, а газовый обмен происходит через кожу. У более крупных животных такой способ дыхания становится недостаточным. Затем «газообменные поверхности» заменяются специальными органами дыхания. Сухопутные животные имеют сложные дыхательные системы, в которых огромные площади отведены для обмена кислородом и углекислым газом — например, трахеи, через которые воздух насекомых поступает в места, где он впитывается в ткани. У многих сухопутных животных сформировались легкие со специальными множественными мочевыми пузырями, благодаря которым общая площадь легких во много раз превышает площадь тела животного. То же самое можно увидеть в жабрах, дыхательных органах водных животных. Здесь поверхность дыхательных путей увеличена специальными пластинами, которые промываются водой. Газ транспортируется по кровеносной системе в места его потребления в тканях и обратно в органы дыхания.

Транспортирующий кислород

В крови взрослого человека содержится около одного литра кислорода, который связан в эритроцитах — гемоглобине. С помощью гемоглобина кислород поступает в ткани, где он переваривается. Кислород высвобождается, когда его концентрация в окружающей среде становится недостаточной. Таким образом, содержание кислорода в тканях поддерживается кровью. Обедненная кислородом кровь возвращается в дыхательную систему, где в условиях низкого атмосферного парциального давления кислорода происходит окисление гемоглобина. Обмен углекислым газом происходит аналогичным образом, только углекислый газ встречается в основном в плазме и в меньшей степени в эритроцитах, чем гидрокарбонат натрия или калий. Поэтому метаболические свойства гемоглобина предназначены не только для регулирования содержания кислорода, но и для поддержания соответствующих концентраций углекислого газа. Это означает, что увеличение содержания углекислого газа в воздухе или воде должно сопровождаться соответствующим увеличением концентрации кислорода, поскольку между этими двумя газами должен поддерживаться определенный баланс.

Кислород в воздухе

Наземные животные поглощают кислород из воздуха и выбрасывают углекислый газ в воздух. В среднем воздух содержит 21% (по объему) кислорода — значительно больше, чем в воде, где он не превышает 1% (по объему). Эти цифры указывают на то, что различное содержание кислорода в этих двух средах оказывает воздействие на окружающую среду. Движение воздушных масс приводит к постоянному перемешиванию воздуха, и содержание кислорода и углекислого газа, как правило, сбалансировано. Снижение концентрации кислорода на больших высотах происходит параллельно со снижением давления воздуха. На больших высотах содержание кислорода в воздухе служит ограничением для многих видов животных. Люди, поднимающиеся в горы, должны поддерживать нужное количество кислорода с помощью специального оборудования — кислородных аппаратов.

На малых и средних высотах также может наблюдаться кратковременное изменение соотношения кислорода и углекислого газа в воздухе. Например, в лесах, которые не потеряли свои листья безветренными ночами, содержание углекислого газа может увеличиться даже в десять раз, что связано с процессом дыхания. Однако это не влияет на зоны распространения животных, так как фотосинтез в течение дня приводит все в порядок. Доказано, что кислород не играет решающей роли в распределении видов животных, живущих на поверхности суши. Но мы должны сомневаться, что так будет всегда. Данные о загрязнении воздуха в промышленных центрах привели к необходимости проведения интенсивных исследований экологических газов. Стало известно, что содержание углекислого газа, которое обычно составляет всего 0,03% (по объему), может увеличиться в десять раз в безветренную погоду по сравнению с крупными городами. Этот углекислый газ является одним из многих конечных продуктов сжигания угля и нефти. Количество углекислого газа в помещении распределяется следующим образом: 36% встречается в ассимиляционных районах и пространствах, где обитают животные, 14% — в океанах и около 50% — в атмосфере, где количество двуокиси углерода является наиболее постоянным.

В наш век содержание углекислого газа в атмосфере увеличилось на 15%, и если оно будет продолжать расти такими же темпами, то можно ожидать, что к 2000 году количество углекислого газа в атмосфере удвоится. Можно представить, что эти процессы означают с точки зрения поглощения кислорода. Например, при сгорании 100 литров бензина в течение года расходуется достаточно кислорода, чтобы дышать на одного человека. По последним данным, один гектар соснового леса высвобождает около 30 тонн кислорода в год — до девятнадцати человек должны дышать каждый год. Один гектар лиственного леса обеспечивает около 16 и один гектар сельскохозяйственных угодий 3-10 тонн кислорода в год. К 1980 году в Федеративной Республике Германия было утрачено 500 000 гектаров лесных угодий, в то время как более десяти миллионов человек потребляли дополнительный кислород. Соотношение углекислого газа к кислороду в атмосфере значительно изменилось, и мы уже находимся на пороге, когда мы выходим за рамки условий, при которых возможно существование человека.

Анаэробные организмы

Анаэробные — организмы, которые получают энергию при отсутствии доступа кислорода к фосфорилированию субстрата, при котором конечные продукты неполного окисления субстрата в этом случае могут быть окислены организмами, осуществляющими окислительное фосфорилирование с получением большей энергии в виде АТФ в присутствии конечного протонного акцептора.

Анаэробы — это огромная группа организмов, как на микро-, так и на макроуровне:

Анаэробные микроорганизмы представляют собой большую группу прокариот и являются одними из самых простых.
Микроорганизмы — грибы, водоросли, растения и некоторые животные.

Кроме того, анаэробное окисление глюкозы играет важную роль в сетевых мышцах животных и человека (особенно при гипоксии тканей).

Термин «анаэроб» был придуман Луи Пастером, который открыл бактерии масляного брожения в 1861 году. Анаэробное дыхание — это ряд биохимических реакций, которые происходят в клетках живых организмов, когда протоны используются в качестве конечного акцептора других веществ (например, нитратов) вместо кислорода, и относятся к процессам энергетического метаболизма (катаболизм, диссимиляция), характеризующимся окислением углеводов, липидов и аминокислот до соединений с низким молекулярным весом.

Классификация анаэробов

Они различаются в соответствии с классификацией, установленной в микробиологии:

Факультативный Анаэробас.
Капнеанские анаэробы и микроаэрофилы.
Аэротолерантные анаэробы.
Умеренно строгие анаэробы.
Странные анаэробы.

Если организм способен переключаться с одного метаболического пути на другой (например, с анаэробного дыхания на аэробное и обратно), то он условно классифицируется как факультативный анаэробный. До 1991 г. в микробиологии существовал класс капнусообразных анаэробов, требующий более низкой концентрации кислорода и более высокой концентрации углекислого газа (бычий тип Brucella — B. abortus).

Умеренно тяжелый анаэробный организм выживает в среде с молекулярным О2, но не воспроизводится. Микроаэрофилы способны выживать и размножаться в среде с низким парциальным давлением O2. Если организм не способен «переключиться» с анаэробного на аэробное дыхание, но не умирает в присутствии молекулярного кислорода, то он относится к группе аэробных анаэробов. Например, молочнокислые бактерии и многие бактерии масляной кислоты.

Обликовые анаэробы погибают в присутствии молекулярного кислорода O2 — например, представители рода бактерий и архий: Бактерициды, Фузобактерии, Бутиривибрио, Метанобактерии) Такие анаэробы постоянно живут в среде с дефицитом кислорода. Связанные анаэробы включают в себя некоторые бактерии, дрожжи, жгутиковые и настойки.

Биохимический процесс окисления органических субстратов или молекулярного водорода с использованием других окислителей неорганического или органического происхождения в дыхательной когенерации в качестве конечного электронного акцептора вместо О2. Как и в аэробном дыхании, свободная энергия, высвобождаемая в ходе реакции, сохраняется в виде трансмембранного протонного потенциала, который используется АТФ-синтезом для синтеза АТФ.

Выполняется прокариотами (в редких случаях — и эукариотами) в анаэробных условиях. В этом случае в факультативно анаэробных анаэробах используются электронные акцепторы с высоким окислительно-восстановительным потенциалом (NO3-, NO2-, Fe3+, фумарат, диметилсульфоксид и т.д.), их дыхание конкурирует с энергетически более благоприятным аэробным и подавляется кислородом. Акцепторы с низким окислительно-восстановительным потенциалом (сера, SO42-, CO2) используются только строгими анаэробами, которые погибают при появлении кислорода в окружающей среде. В корневых системах многих растений анаэробное дыхание развивается во время гипоксии и аноксии, вызванных затоплением культур в результате продолжительных дождей или весеннего затопления, с использованием электронно-альтернативных соединений, таких как нитраты, в качестве электронных акцепторов. Установлено, что растения, растущие на полях, удобряемых нитратными соединениями, лучше переносят избыточное влагосодержание почвы и связанную с ним гипоксию, чем растения без нитратных удобрений.

Механизмы окисления органических субстратов во время анаэробного дыхания, как правило, аналогичны механизмам аэробного дыхания. Исключением является использование ароматических соединений в качестве исходного субстрата. Обычные пути их катаболизма требуют молекулярного кислорода уже на первых стадиях, другие процессы протекают в анаэробных условиях, например, восстановительная деароматизация бензоил-КоА в ароматике Thauera с энергопотреблением АТФ. Некоторые субстраты (например, лигнин) не могут использоваться в анаэробном дыхании.

Аэробика — это микробы, которые хорошо развиваются только при свободном доступе к кислороду и, как правило, растут на поверхности питательной среды. Различают также микроаэрофилов, которым требуется лишь небольшое количество кислорода, и дополнительную аэробику, которая может расти без доступа к воздуху.

Aerobas [от греческого aer — воздух и b(ios) — жизнь] — организмы, которые имеют аэробный способ дыхания, т.е. способность жить и развиваться только тогда, когда в воздухе присутствует свободный кислород. Аэробные аэродробы используют энергию, высвобождаемую при окислении органических соединений до CO2 и H2O в присутствии молекулярного кислорода, как источник клеточной активности. К аэробным относятся все высшие организмы (животные и растения) и большая группа микроорганизмов.

С точки зрения аэробного кислорода они подразделяются на обязательный (безусловный) или аэрофильный кислород, который не может развиваться при отсутствии свободного кислорода, и факультативный (условный) кислород, который может развиваться при низком содержании кислорода в окружающей среде. Группа А. включает в себя ряд микробных сапрофитов, живущих в почве, воде и воздухе и активно участвующих в круговороте вещества в природе. К ним относятся бактерии, которые дышат путем прямого окисления метана (Vas. methanicus и др.), водородные сульфомоны денитрификаторы, водород, азот (Nitrosomonas, Nitrobacter), железо (Ferri бактерия). Среди патогенных микроорганизмов к обязательному высшему пилотажу относятся представители родов Bacillus, Bacterium, Bordetella, Brucella, Corynebacterium, Diplococcus, Pasteurella и др. Микобактерии туберкулеза, туляремии и холеры требуют для своего существования повышенного содержания кислорода. К варианту А относятся плесень, грибки, актиномицеты, а также патогенные бактерии Salmonella, Shigella, Escherichia и т.д. Диапазон изменений концентрации кислорода, в котором может существовать А., очень широк: максимальное парциальное давление кислорода для некоторых А. составляет 15-20 атм., а минимальное давление -0,1-0,5 атм. A. может быть удовлетворен относительно низкими запасами кислорода и может развиваться в глубоких слоях почвы.

Анаэробное дыхание

Аэробное дыхание — процесс высвобождения энергии, содержащейся в органических веществах для жизненно важных функций организма, при котором свободный кислород в воздухе или кислород, растворенный в воде, используется в качестве окислителя веществ. Животные и растения, а также микроорганизмы ведут аэробное дыхание.

Возникновение аэробного дыхания в процессе эволюции.

Кислородная среда достаточно агрессивна по отношению к микроорганизму. Умеренно строгий анаэробный организм выживает в среде с молекулярным О2, но не размножается. Микроаэрофилы способны выживать и размножаться в среде с низким парциальным давлением О2. Если организм не способен «переключиться» с анаэробного на аэробное дыхание, но не умирает в присутствии молекулярного кислорода, то он относится к группе аэробных анаэробов. Например, молочнокислые бактерии и многие олеиновые бактерии.

Именно поэтому большинство микроорганизмов погибло, когда в окружающей среде всей планеты много миллионов лет назад начали накапливаться большие количества молекулярного кислорода. Лишь небольшое число смогли адаптироваться и использовать кислород для дыхания, что дало им большое преимущество. А анаэробы должны были продолжать развиваться в среде, свободной от почвы и кислорода.

Микроаэрофильный организм — микроорганизм, который, в отличие от строгих анаэробов, для своего роста требует наличия кислорода в атмосфере или в питательной среде, но в более низких концентрациях по сравнению с содержанием кислорода в нормальном воздухе или в нормальных тканях тела хозяина (в отличие от аэробов, рост которых требует нормального содержания кислорода в атмосфере или в питательной среде). Многие микроаэрофилы также являются капнофилами, т.е. им требуется повышенная концентрация углекислого газа. В лаборатории такие организмы можно легко культивировать в «стакане свечи». Банка для свечей» — это контейнер, в который перед закрытием свечи помещается горящая свеча с герметичной крышкой. Пламя свечи горит до тех пор, пока она не погаснет из-за недостатка кислорода, в результате чего в стекле образуется атмосфера, насыщенная углекислым газом с пониженным содержанием кислорода.

Многие, но не все микроаэрофильные бактерии не переносят нормальных или повышенных концентраций кислорода в атмосфере и чувствительны к антибактериальным препаратам, имитирующим действие атомного кислорода (повышенное образование свободных радикалов), а именно к буктроимидазолу, особенно метронидазолу, тинидазолу.

Метаболизм

Принято считать, что связанные анаэробы погибают в присутствии кислорода из-за отсутствия ферментов супероксида дисмутазы и каталазы, которые перерабатывают смертельный супероксид, образующийся в их клетках в присутствии кислорода. Хотя в некоторых случаях это верно, активность вышеуказанных ферментов была обнаружена в некоторых облигатных анаэробах, а гены, отвечающие за эти ферменты и связанные с ними белки, были обнаружены в их геномах. Среди этих обязательных анаэробов — бутирикум Клостридий и баркери «Метаносаркина». И все же эти организмы не могут существовать в присутствии кислорода.

Есть еще несколько гипотез, объясняющих, почему строгие анаэробы чувствительны к кислороду:

разложение кислорода увеличивает окислительно-восстановительный потенциал окружающей среды, в то время как высокий потенциал, в свою очередь, тормозит рост некоторых анаэробов Например, растут метаногены с окислительно-восстановительным потенциалом менее -0,3 В.
сульфид является неотъемлемой частью некоторых ферментов, а молекулярный кислород окисляет додисульфид сульфид, тем самым вмешиваясь в активность ферментов
рост может быть ингибирован нехваткой доступных биосинтетических электронов, так как все электроны используются для восстановления кислорода.

Весьма вероятно, что чувствительность строгих анаэробов к кислороду обусловлена сочетанием этих факторов.

Вместо кислорода в связанных анаэробах используются альтернативные электронные акцепторы для клеточного дыхания, такие как сульфаты, нитраты, железо, марганец, ртуть и окись углерода (CO). Например, сульфатоснижающие бактерии, которые в больших количествах обитают в отложениях морского дна, вызывают запах тухлых яиц в результате выделения сероводорода в этих местах. Энергия, выделяемая при таких дыхательных процессах, меньше, чем энергия, выделяемая при дыхании кислородом, и альтернативные электронные акцепторы, упомянутые выше, не производят такого же количества энергии.

Заключение

Все живые организмы на нашей Земле имеют биологический процесс, подобный дыханию. Кислород является основным компонентом воздуха, который, в свою очередь, используется живыми организмами в этом процессе.

По способу дыхания живые организмы делятся на два типа:

Анаэробов;
Аэробика.

Анаэробы могут обходиться без кислорода во время своей жизнедеятельности. Аэробы, напротив, не могут обойтись без кислорода, у них неограниченный доступ к кислороду. Они могут жить и развиваться, только если в воздухе есть свободный кислород.

Аэробное дыхание не является ключом к успеху микроорганизма. У него есть свои недостатки: например, окислительный стресс; он также требует больше энергии. Но, тем не менее, именно аэробное дыхание, приобретенное в ходе эволюции — почти все многоклеточные организмы являются аэробными, поэтому аэробное дыхание — это ключ к развитию и росту жизни на Земле.

Список литературы

Семинар по микробиологии. Е.З. Теппер, В.К. Шилникова, Г.И. Переверзева; «Дрова», 2004.
Ветеринарная экология. Д. Уразаев, В. Трухачев. «Колос», 2006.
Общая и ветеринарная экология. В.Н. Кисленко. «Колос», 2005.