Termi “hengitys” viittaa kahteen erilliseen prosessiin, jotka molemmat tapahtuvat elävissä olennoissa ja liittyvät energian tuotantoon. Yksi on fysiologinen hengitys, prosessi, jolla organismi ottaa happea ja erittää hiilidioksidia. Toinen on soluhengitys, sarja biokemiallisia reaktioita, joiden avulla solu voi tuottaa energiaa.
Fysiologinen hengitys
Tässä prosessissa ihmisillä ja muilla nisäkkäillä on neljä vaihetta, ja ne kuvaavat hapen etenemistä hengittämisestä keuhkoihin sisäelinten ja muiden kudosten imeytymiseen. Se kattaa myös hiilidioksidin uloshengityksen.
Ilmanvaihto
Ensimmäinen vaihe on ilmanvaihto, jossa ilma liikkuu sisään ja ulos keuhkojen alveoleista. Nämä ovat kuitumaisia kollageenirakenteita, jotka laajenevat sisäänhengityksen aikana ottamaan maksimimäärän happea; uloshengitettäessä ne supistuvat ja vapauttavat hiilidioksidia. Alveoleja esiintyy vain nisäkkäiden keuhkoissa; samanlaisia rakenteita on kuitenkin muillakin selkärankaisilla, kuten matelijoilla ja linnuilla.
Keuhkojen kaasunvaihto
Tässä vaiheessa alveolien happi tulee verenkiertoon keuhkokapillaarien kautta. Alveolit ja keuhkokapillaarit erotetaan vain kahden solun paksuisella esteellä; kun tämä este on ylittynyt, happimolekyylit sitoutuvat hemoglobiiniin, joka on erityinen proteiini, punasoluissa.
Kaasun kuljetus
Kaasun siirto alkaa keuhkojen kapillaareista. Tässä vaiheessa hemoglobiiniin sitoutunut happi liikkuu verenkiertojärjestelmän verisuonten läpi ja pääsee lopulta kapillaareihin koko kehossa. Kapillaarit ruokkivat elimiä, rauhasia ja muita kudoksia, jotka tarvitsevat jatkuvaa hapensaantia toimiakseen.
Perifeerinen kaasunvaihto
Viimeinen vaihe on perifeerinen kaasunvaihto, jossa happi siirtyy kapillaareista soluihin. Tämä tapahtuu samalla tavalla kuin kaasut diffundoituvat keuhkojen alveolien ja keuhkojen kapillaarien välillä. Jätekaasut, kuten solujen erittämä hiilidioksidi, pääsevät kapillaareihin ja liikkuvat verenkiertojärjestelmän kautta keuhkoihin, missä ne vapautuvat uloshengityksen aikana.
Muut fysiologiset järjestelmät
Hengitys ei ole yksinomaan keuhkoilla. Esimerkiksi useimmissa kalalajeissa se esiintyy kiduksissa, joiden avulla eläimet voivat ottaa happea vedestä. Sammakkoeläimillä suurin osa kaasunvaihdosta tapahtuu ihon läpi; keuhkot tarjoavat keinon hallita kehon happitasoja toimimalla toissijaisena hapenlähteenä. Kasvit tuottavat happea fotosynteesin kautta ja ottavat enemmän diffuusion kautta lehtiensä läpi. Fyysisestä prosessista riippumatta kaikki nämä organismit ottavat happea ja erittävät hiilidioksidia aivan kuten nisäkkäät.
Soluhengitys
Fysiologisen hengityksen kautta kudoksiin tuotua happea käytetään kaikissa soluissa solun hengityksen biokemialliseen prosessiin. Tämä prosessi, jota kutsutaan myös oksidatiiviseksi aineenvaihduntaksi, on joukko kemiallisia reaktioita, joista monet sisältävät happea, joiden avulla keho voi muuttaa tiettyjä molekyylejä käyttökelpoiseksi energiaksi. Eläin- ja kasvisoluissa tapahtuu reaktioita, jotka muuttavat ravinteet energiarikkaiksi molekyyleiksi, joita kutsutaan adenosiinitrifosfaatiksi (ATP).
Happea tarvitaan soluhengitykseen, koska monia hapettumisen pelkistysreaktioita, joita kutsutaan myös redoksireaktioiksi, esiintyy koko hengitysprosessin ajan. Tämä kaasu on voimakas hapettava aine, mikä tarkoittaa, että se voi kemiallisissa reaktioissa helposti antaa käytettävissä olevia elektroneja. Tämä tekee siitä erittäin hyödyllisen reaktioissa.
Tapahtuneita reaktioita kutsutaan myös katabolisiksi, koska ne hajottavat suuret ravinteiden molekyylit pienemmiksi. Nämä molekyylit ovat sokereita, jotka ovat peräisin hiilihydraateista; rasvahapot ravintorasvasta; ja aminohapot, jotka ovat peräisin proteiinista. Elektronit vapautuvat, kun ravinteet hajoavat, ja elektroneja käytetään reaktioissa, jotka tuottavat ATP: tä. Tätä energiarikasta molekyyliä käytetään sitten soluissa valtaamaan lähes kaikki niiden sisällä tapahtuvat reaktiot.
Anaerobinen soluhengitys
Eläimissä ja kasveissa sekä monissa bakteerilajeissa esiintyvä soluhengitys on aerobista, mikä tarkoittaa yksinkertaisesti sitä, että se käyttää happea. Joidenkin bakteerilajien hengitys on anaerobista, mikä tarkoittaa, että se ei käytä happea. Sen sijaan nämä organismit käyttävät korvikkeina molekyylejä, kuten nitraattia tai rikkiä. Jotkut ovat jopa kehittyneet siihen pisteeseen, että he voivat elää vain hapettomassa ympäristössä.