Dujų apykaita augaluose ir gyvūnuose

Kvėpavimo sistema - tai biologinė organų sistema, kurios pagrindinė funkcija yra palaikyti dujų apykaitą organizme. Šiam procesui įtaką daro individo anatomija, fiziologija, gyvenamoji aplinka ir evoliucinė istorija.

Kvėpavimo sistemos įvairovė gyvūnų pasaulyje

Sausumos gyvūnams kvėpavimo paviršiumi dažniausiai tarnauja plaučių gleivinė. Pas žinduolius ir roplius dujų apykaita vyksta milijonuose mažų oro pūslelių, vadinamų alveolėmis, kurios geba prisisotinti deguoniu ir aprūpinti juo kraują. Alveolės susijusios su išorine aplinka per kvėpavimo takus - trachėją ir bronchus. Paukščių bronchiolės vadinamos parabronchais.

Daugelis vandens gyvūnų, įskaitant stuburinius ir bestuburius, naudoja žiaunas - organus, kurie filtruoja deguoniu prisotintą vandenį. Žiaunos gali būti išorinės ir pasižymėti įvairiais vandens filtravimo būdais.

Kiti gyvūnai, pavyzdžiui, vabzdžiai, turi labai paprastas kvėpavimo sistemas. Varliagyviams gyvybiškai svarbus dujų apytakos vaidmuo tenka odai.

scheminis žmogaus kvėpavimo sistemos pavaizdavimas

Žmogaus kvėpavimo sistema

Žmonių kvėpavimo sistemą sudaro kvėpavimo takai, kurie dalijami į viršutinius ir apatinius.

Viršutiniai kvėpavimo takai:

  • Nosis
  • Nosies ertmė
  • Sinusai
  • Ryklė
  • Virš balso klosčių esanti gerklų dalis

Apatiniai kvėpavimo takai:

Dėl savo išvaizdos apatiniai kvėpavimo takai neretai vadinami kvėpavimo arba bronchiniu medžiu (lot. arbor bronchialis). Atstumas tarp išsišakojusių vėlyvųjų šakų vadinamas „karta“; suaugusiame žmogaus organizme jų yra apie 23.

Pirmieji iš trachėjos išsišakoję bronchai vadinami pagrindiniais kairiuoju bei dešiniuoju. Šie bronchai siekia plaučių šaknis (lot. radix pulmonis), kur virsta lobariniais bronchais. Kiekvienas alveolinis latakėlis baigiasi alveoliniu maišeliu (lot. sacculus alveolaris), kurio pakraščiuose yra alveolės. Viena galinė bronchiolė su alveolėmis sudaro struktūrinį ir funkcinį plaučių vienetą - kekę.

scheminis bronchų ir alveolių išsidėstymas plaučiuose

Dujų apykaita plaučiuose

Kvėpavimo ciklo metu plaučiai plečiasi ir susitraukia, varinėdami orą. Suaugusio žmogaus plaučiuose telpa apie 6 litrus oro, o įprastai iškvepiama apie 2,5-3,0 litrus. Net maksimalaus priverstinio iškvėpimo metu plaučiuose išlieka tam tikras oro kiekis - liekamasis tūris, siekiantis maždaug 1,0-1,5 litro, kurio negalima apskaičiuoti spirometrijos pagalba.

Kvėpavimo dažnis - tai kvėpavimo ciklų skaičius per minutę.

Alveolių sienelės struktūra ir dujų difuzija

Viena pagrindinių kvėpavimo sistemos užduočių - subalansuoti alveolėse ir plaučių kapiliariniame kraujyje esantį dalinį dujų slėgį. Alveolių sienelę sudaro:

  • Alveolių epitelinės ląstelės
  • Pamatinės (bazalinės) membranos
  • Alveolių kapiliarų endotelio ląstelės

Šis barjeras yra itin plonas (pas žmones - 2,2 μm skersmens) ir dengia maždaug 300 milijonų mažų oro pūslelių - alveolių (kiekvienos skersmuo nuo 75 iki 300 µm), kurios išsišakojusios iš plaučių bronchiolių.

Alveolėse esantis oras (2,5-3,0 litrai) iš dalies yra pastovus ir visiškai supa alveolių kapiliarinį kraują. Kraujo, išeinančio iš alveolių kapiliarų, dalinis deguonies slėgis yra 13-14 kPa (100 mmHg), o dalinis anglies dioksido slėgis - 5,3 kPa (40 mmHg).

Alveolių oro slėgis prilygsta aplinkos oro slėgiui. Plaučiams plečiantis, alveolinis oras užima didesnį tūrį, jo slėgis proporcingai mažėja, todėl oras stumiamas į kvėpavimo takus, kol slėgis alveolėse vėl tampa panašus į aplinkos oro slėgį. Iškvėpimo metu procesas vyksta atvirkščiai.

histologinis alveolių sienelės skerspjūvis su sluoksniais, per kuriuos vyksta dujų difuzija

Gynybinės kvėpavimo sistemos funkcijos

Kosulys ir čiaudulys - tai refleksiniai veiksmai, sukelti nervinių galūnių sudirginimo kvėpavimo takuose. Jų metu trachėjoje ar nosyje susikaupę svetimkūniai ar alergenai pašalinami stipria oro srove. Kosint, kvėpavimo takų sienelių lygiųjų raumenų susitraukimas susiaurina trachėją.

Kvėpavimo takų epitelis gali išskirti įvairias molekules, apsaugančias plaučius:

  • Sekreciniai imunoglobulinai (IgA)
  • Kolektinai
  • Defensinai (katijoniniai baltymai)
  • Kiti peptidai ir proteazės
  • Reaktyviosios deguonies ir azoto rūšys

Šios išskyros veikia kaip antimikrobinės medžiagos. Paviršinio aktyvumo medžiagų (SP-A ir SP-D) imuninė funkcija apima patogenų jungimąsi su cukrumi ir jų opsonizaciją, taip pat uždegiminių atsakų reguliavimą.

Plaučių kraujagyslėse esanti fibrinolizinė sistema tirpdo krešulius, galėjusius patekti į plaučių kraujotaką. Plaučiai taip pat geba išskirti hormonus - fiziologiškai neaktyvus dekapeptidas angiotenzinas I plaučių kraujotakoje virsta aldosteroną atpalaiduojančiu oktapeptidu angiotenzinu II.

Dujų apykaita augaluose

Augalų kvėpavimo ciklą sudaro du pagrindiniai procesai:

  1. Fotosintezė: energijos kaupimas. Augalai naudoja anglies dioksidą (CO2) ir išskiria deguonį (O2) kaip šalutinį produktą. Cheminė lygtis: 6 CO2 + 6 H2O + šviesos energija → C6H12O6 (gliukozė) + 6 O2.
  2. Oksidacinis metabolizmas (kvėpavimas): energijos pasisavinimas. Tai procesas, priešingas fotosintezei, kurio metu energija perimama cheminėms reakcijoms palaikyti.

Augalai anglies dioksidą įsisavina per žioteles - mažas angeles, esančias lapų paviršiuje, kurios atsiveria ir užsiveria. Daugeliui augalų deguonies reikia kataboliziniams procesams. Žiotelės taip pat leidžia augalui reaguoti į aplinkos sąlygas: jos būna atviros šviesoje ir užsidaro tamsoje, taip pat užsidaro, kai trūksta drėgmės.

scheminis augalo lapo pjūvis su pavaizduotomis žiotelėmis

Fotosintezės ir kvėpavimo santykis

Šviesoje augaluose vyksta du priešingi procesai: fotosintezė ir kvėpavimas. Kvėpuodami augalai sunaudoja mažiau deguonies, negu jo išskiria fotosintezės metu. Dujų apykaita vyksta ne tik lapuose, bet ir kituose augalo organuose, pvz., per stiebo žievės lenticeles. Į šaknis deguonis patenka iš dirvožemio.

Anglies dvideginio (CO2) tręšimas šiltnamiuose

Anglies dvideginio tręšimas yra svarbi agrotechnikos priemonė moderniose šiltnamio augalų auginimo technologijose. Normali CO2 koncentracija atmosferoje yra apie 0,035 % (350 ppm). Šviesiu paros metu ji gali nukristi iki 0,01 %.

CO2 koncentracija šiltnamyje tiesiogiai priklauso nuo šviesos intensyvumo ir augalų augimo tarpsnio:

  • Sausomis, saulėtomis dienomis: 1000 ppm.
  • Apsiniaukusiomis dienomis: 750 ppm.
  • Jauniems augalams: 700 ppm.
  • Saikingai vėdinant: 350 ppm.

Šiltnamiuose, ypač auginant augalus mineraliniuose substratuose, CO2 tręšimas yra ypač svarbus. Esant intensyviai radiacijai, augalams reikalingas CO2 kiekis gali siekti 0,15-0,2 %. Per didelės CO2 koncentracijos (aukštesnės nei 0,22 %) gali neigiamai paveikti augalus, pvz., sukelti pomidorų lapų nekrozę.

Aukštos CO2 koncentracijos efektyvumas šiltnamiuose priklauso nuo temperatūros ir apšvietimo. Pavyzdžiui, aukštas agurkų fotosintezės produktyvumas pasiekiamas, kai CO2 koncentracija yra 0,13 %, lapo temperatūra 30°C, o apšvietimas - 70 klx.

Oro drėgmė taip pat turi didelės reikšmės CO2 asimiliacijai. Esant 50 % oro drėgmei ir sutrikus temperatūros bei vandens režimui, augalų žiotelės mažiau atsidaro.

CO2 šaltiniai šiltnamiuose

CO2 kiekis gaunamas iš įvairių šaltinių:

  • Gamtinės dujos
  • Žibalas
  • Propano dujos
  • Dirbtinis ledas
  • Dujų balionai
  • Dujų generatoriai
  • Išmetamosios katilinių dujos

Naudojant vietinių katilinių dujas, jos surenkamos ir tiekiamos augalams per specialius vamzdelius. Taip tręšiant augalus, užtikrinamas tolygus dujų pasiskirstymas, galimybė tręšti net ir pravėrus orlaides, bei prailginamas tręšimo periodas.

CO2 tręšimas paprastai pradedamas 1 valandą iki saulės patekėjimo ir baigiamas 1 valandą po saulės nusileidimo. CO2 koncentracija reguliuojama priklausomai nuo apšvietimo.

infografika apie CO2 koncentracijos įtaką fotosintezei esant skirtingam apšvietimui

Anglies dvideginio poveikis skirtingiems augalams

Tręšimas CO2 nuo 700 iki 1000 ppm pagerina augalų augimą ir 20-30 % padidina derlių. Augalai skirtingai reaguoja į CO2 tręšimą:

  • Jauni augalai: turi daugiau lapų, didesnį asimiliacinį paviršių, yra aukštesni ir tvirtesni. Reikalauja daugiau šviesos, intensyviau vyksta fotosintezė.
  • Salotos: visi asimiliacijos produktai kaupiasi lapuose, padidėja derlius, anksčiau subręsta.
  • Agurkai: anksčiau pradeda derėti, didėja lapų augimas, vaisių skaičius ir vidutinė vaisiaus masė.
  • Paprika: skatina vaisių augimą, bet riboja kitų augalo dalių augimą. Žymiai padidina vaisių skaičių, augalai anksčiau pradeda derėti. Augalai žemi, todėl reikia genėti. Rekomenduojama CO2 koncentracija - apie 450 ppm.
  • Pomidorai: teigiamai veikia visų augalo dalių augimą, tačiau įtaka priklauso nuo apšvietimo. Geromis apšvietimo sąlygomis didėja vidutinė vaisiaus masė, esant prastam apšvietimui - didėja ir vaisių skaičius. Esant pertekliui, asimiliacijos produktai kaupiasi lapuose, jie tampa stori, pradeda suktis.

Degant dujoms CO2 tręšimui, šiltnamio ore gali susidaryti padidinta kenksmingų dujų koncentracija ir sumažėti deguonies kiekis.

Oro judėjimas šiltnamyje

Oro judėjimas šiltnamyje yra svarbus mikroklimato veiksnių reguliavimo elementas, padedantis sumažinti temperatūrų skirtumus, užtikrinti tolygią temperatūrą ir drėgmę. Per didelė drėgmė ir kondensatas ant augalų gali sukelti ligas.

Oro judėjimas naudingas, nes:

  • Padeda sumažinti oro temperatūrą.
  • Mažina oro drėgmę.
  • CO2 iš šiltnamio viršaus nukreipiamas link lapų.
  • Didėjant oro judėjimo greičiui, didėja fotosintezės intensyvumas.

Optimalus oro judėjimo greitis šiltnamyje yra 0,3-0,5 m/s. Padidinus greitį iki 1-1,5 m/s, paspartėja oro judėjimas aplink lapą.

Oro judėjimas turi įtakos ir lapo temperatūrai. Esant uždaroms orlaidėms, skirtumas tarp lapo ir oro temperatūros didesnis negu atidarytoms orlaidėms. Vėdinimo angos turėtų sudaryti ne mažiau 20 % viso šiltnamio ploto.

Grunte taip pat turi vykti dujų apykaita. Ir šaknims, ir dirvos mikroorganizmams kvėpuoti reikia deguonies. CO2 perteklius ir deguonies trūkumas trikdo šaknų kvėpavimą.

Grėsmių vertinimas

tags: #augalai #duju #apykaita #vykdo #pro

Populiarūs įrašai: