لماذا يحتاج الناس والحيوانات إلى التنفس؟ يشرح عالم الأحياء لماذا تحتاج إلى مصدر ثابت للأكسجين

Curious Kids هي سلسلة للأطفال من جميع الأعمار. إذا كان لديك سؤال تريد أن يجيب عليه أحد الخبراء، فأرسله إلى Curiouskidsus@theconversation.com.

تحتاج إلى التنفس لنفس السبب الذي يجعلك بحاجة إلى تناول الطعام: فهو يساعدك على إنتاج الطاقة التي يحتاجها جسمك.

ربما تعلم بالفعل أن الطعام هو الوقود لجسمك. عندما تأكل، يتحلل الطعام في معدتك ويدخل إلى مجرى الدم.

ومن هناك، يتم توصيله إلى خلاياك. يوجد داخل خلاياك هياكل أصغر تسمى الميتوكوندريا، وهي المحركات التي تزود جسمك بالطاقة بالكامل. تستخدم الميتوكوندريا العناصر الغذائية الموجودة في الطعام كوقود. ولكن لتحويلها إلى طاقة، فإنها تحتاج إلى عنصر آخر – الأكسجين.

أنا عالم أحياء يدرس الحيوانات والنباتات. تحتاج جميع الكائنات الحية إلى الأكسجين، باستثناء بعض البكتيريا وبعض الحيوانات الصغيرة التي لا تفعل ذلك. قد تتفاجأ بمعرفة عدد الطرق المتاحة للحصول على الأكسجين، والتنفس هو إحدى هذه الطرق فقط.

الرئتين وبطانتهما

عندما تتنفس، تحبس رئتيك الأكسجين مؤقتًا، مما يسمح له بالمرور عبر الأسطح الرقيقة جدًا في رئتيك إلى مجرى الدم.

نظرًا لأنك تحتاج إلى الكثير من الأكسجين، تحتاج رئتيك إلى مساحة كبيرة للقيام بعملها. إنهم يحققون ذلك من خلال وجود ملايين من الأكياس الهوائية الصغيرة المبطنة بأوعية دموية صغيرة تسمى الشعيرات الدموية.

إذا تمكنت بطريقة ما من تسوية كل مساحة سطح الشعيرات الدموية في رئتيك، فإنها ستغطي أرضية فصل دراسي متوسط ​​- حوالي 1350 قدمًا مربعًا (125 مترًا مربعًا).

الحصول على كمية كافية من الأكسجين

إذا كان التنفس يشبه الأكل، فلماذا لا يمكنك أن تأخذ ثلاثة أنفاس في اليوم؟

أحد الأسباب هو أن الهواء على الأرض يتكون من 21% فقط من الأكسجين، والباقي يتكون في معظمه من النيتروجين. وهذا يعني أنك تحتاج إلى أخذ خمسة أنفاس فقط للحصول على ما يعادل رئة كاملة من الأكسجين.

وأيضًا، عندما تأخذ نفسًا، فإن بعض الأكسجين فقط يصل إلى مجرى الدم. على الرغم من أن البشر والعديد من الحيوانات يصنعون بروتينات متخصصة لانتزاع الأكسجين ونقله، إلا أن هناك حدًا لمقدار ما يمكنهم الاحتفاظ به في وقت واحد. للحفاظ على مستويات الأكسجين في جسمك مرتفعة بما يكفي لتشغيل جميع خلاياك، تحتاج إلى الاستمرار في التنفس.

بالطبع، بمجرد الشهيق، عليك أيضًا الزفير. يسمى الغاز الذي تخرجه بالزفير ثاني أكسيد الكربون. يمكنك أن تفكر في الأمر على أنه العادم الناتج عن محركات الميتوكوندريا لديك، حيث تحرق بقايا الطعام بعد أن تقوم الميتوكوندريا بحرق الأكسجين والمواد المغذية لإطلاق الطاقة.

الحيوانات والنباتات الأخرى

تحصل معظم الكائنات الحية على الأكسجين بدون رئتين.

تستخدم العديد من الحيوانات المائية الخياشيم، والتي تشبه نوعًا ما الرئتين المقلوبتين من الداخل إلى الخارج. بدلاً من مجموعة من الشعيرات الدموية الملتفة حول الأكياس الهوائية، تكون الخياشيم عبارة عن مجموعة من الشعيرات الدموية تخرج في الماء. تمامًا كما هو الحال في رئتيك، تمتص الأوعية الدموية الأكسجين من الماء وتطلق ثاني أكسيد الكربون.

تستقبل الحشرات الأكسجين من خلال شبكة من أنابيب الهواء الصغيرة الموجودة أسفل جلدها، تمامًا مثل مداخن المبنى. يعمل هذا النظام لأن الحشرات صغيرة الحجم، وبالتالي فإن الأنابيب قريبة بما يكفي من خلاياها لتزويدها بالأكسجين. عندما تحتاج الحشرات الكبيرة إلى طاقة إضافية، فإنها تضخ الهواء عبر الأنابيب بعضلاتها.

تحتوي النباتات على ثقوب صغيرة في أوراقها تسمى الثغور. إنها تفتح وتغلق للسماح بدخول الهواء عندما تحتاج النباتات إليه. تحتاج جذور النباتات أيضًا إلى الأكسجين، والذي تحصل عليه عادة من التربة.

ربما سمعت أن النباتات هي عكس البشر: فهي تتنفس ثاني أكسيد الكربون وتزفر الأكسجين. وهذا صحيح لأن ثاني أكسيد الكربون عنصر حاسم في عملية التمثيل الضوئي – وهي العملية التي تستخدمها النباتات لصنع وقود السكر الخاص بها – والأكسجين هو منتج ثانوي. لكن الميتوكوندريا في النباتات تحتاج أيضًا إلى الأكسجين لإنتاج الطاقة، تمامًا كما تفعل الميتوكوندريا لديك.

على الرغم من أن معظم الحيوانات والنباتات لا تتنفس شهيقًا وزفيرًا بالطريقة التي يفعلها البشر، إلا أن لديهم جميعًا طرقًا للحصول على كمية كافية من الأكسجين. إن تعلم كيفية حل الكائنات الحية لنفس المشكلة بطرق مختلفة هو أحد الأشياء المفضلة لدي في علم الأحياء.

مرحبًا أيها الأطفال الفضوليون! هل لديك سؤال تود أن يجيب عليه أحد الخبراء؟ اطلب من شخص بالغ أن يرسل سؤالك إلى CuriousKidsUS@theconversation.com. من فضلك أخبرنا باسمك وعمرك والمدينة التي تعيش فيها.

وبما أن الفضول ليس له حد عمري – أيها البالغون، أخبرنا بما تتساءل عنه أيضًا. لن نتمكن من الإجابة على كل الأسئلة، لكننا سنبذل قصارى جهدنا.

تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات جديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتب بواسطة: كريستينا س. باير، جامعة بينجهامتون، جامعة ولاية نيويورك

اقرأ أكثر:

كريستينا إس باير لا تعمل لدى أي شركة أو مؤسسة أو تتشاور معها أو تمتلك أسهمًا فيها أو تتلقى تمويلًا منها قد تستفيد من هذه المقالة، ولم تكشف عن أي انتماءات ذات صلة بعد تعيينها الأكاديمي.