Termenul „respirație” se referă la două procese separate, ambele apar la viețuitoare și sunt legate de generarea de energie. Una este respirația fiziologică, procesul prin care un organism ia oxigen și excretă dioxid de carbon. A doua este respirația celulară, o serie de reacții biochimice care permit unei celule să genereze energie.
Respirația fiziologică
Există patru etape ale acestui proces la oameni și la alte mamifere, iar acestea prezintă progresul oxigenului de la inhalarea în plămâni până la absorbția de către organele interne și alte țesuturi. Acoperă, de asemenea, expirarea dioxidului de carbon.
Ventilare
Prima etapă este ventilația, în care aerul se deplasează în și din alveolele plămânilor. Acestea sunt structuri fibroase de colagen care se extind în timpul inhalării, pentru a absorbi cantitatea maximă de oxigen; la expirație, se contractă și eliberează dioxid de carbon. Alveolele sunt prezente numai în plămânii mamiferelor; cu toate acestea, structuri similare există și la alte animale vertebrate, cum ar fi reptilele și păsările.
Schimbul de gaze pulmonare
În această etapă, oxigenul din alveole pătrunde în sistemul circulator prin capilarele pulmonare. Alveolele și capilarele pulmonare sunt separate printr-o barieră de doar două celule grosime; odată peste această barieră, moleculele de oxigen se leagă de hemoglobină, o proteină specială, din globulele roșii.
Transport de gaze
Transportul gazelor începe în capilarele pulmonare. În această etapă, oxigenul legat de hemoglobină se deplasează prin vasele de sânge ale sistemului circulator, ajungând în cele din urmă în capilarele din tot corpul. Capilarele hrănesc organele, glandele și alte țesuturi, care au nevoie de un aport constant de oxigen pentru a funcționa.
Schimbul de gaze periferice
Etapa finală este schimbul de gaze periferice, în care oxigenul se deplasează din capilare în celule. Acest lucru se întâmplă în mod similar cu modul în care gazele difuzează între alveole și capilarele pulmonare din plămâni. Gazele reziduale, cum ar fi dioxidul de carbon excretat de celule, intră în capilare și se deplasează prin sistemul circulator către plămâni, unde sunt eliberate în timpul expirației.
Alte sisteme fiziologice
Respirația nu este exclusivă organismelor cu plămâni. De exemplu, la majoritatea speciilor de pești apare în branhii, care permit animalelor să extragă oxigen din apă. La amfibieni, majoritatea schimburilor de gaze au loc pe piele; plămânii oferă un mijloc de control al nivelului de oxigen al organismului, acționând ca o sursă secundară de oxigen. Plantele produc oxigen prin fotosinteză și primesc mai mult prin difuzie prin frunzele lor. Indiferent de procesul fizic, toate aceste organisme iau oxigen și excretă dioxid de carbon, așa cum fac mamiferele.
Respirație celulară
Oxigenul care este adus în țesuturi prin respirația fiziologică este utilizat în toate celulele pentru procesul biochimic al respirației celulare. Acest proces, denumit și metabolism oxidativ, este un set de reacții chimice, multe implicând oxigen, care permit organismului să transforme anumite molecule în energie utilizabilă. În celulele animale și vegetale, au loc reacțiile care transformă nutrienții într-o moleculă bogată în energie numită adenozin trifosfat (ATP).
Oxigenul este necesar pentru respirația celulară deoarece multe reacții de oxidare-reducere, numite și reacții redox, au loc pe tot parcursul procesului de respirație. Acest gaz este un agent oxidant puternic, ceea ce înseamnă că, în reacțiile chimice, își poate da cu ușurință electronii disponibili. Acest lucru îl face foarte util în reacții.
Reacțiile care apar sunt denumite și catabolice, deoarece despart moleculele mari de nutrienți în molecule mai mici. Aceste molecule sunt zaharuri, care sunt derivate din carbohidrați; acizi grași din grăsimi alimentare; și aminoacizi, derivați din proteine. Electronii sunt eliberați atunci când nutrienții sunt descompuse, iar electronii sunt utilizați în reacții care produc ATP. Această moleculă bogată în energie este apoi folosită în celule pentru a alimenta aproape toate reacțiile care au loc în interiorul lor.
Respirația celulară anaerobă
La animale și plante, precum și la multe specii bacteriene, tipul de respirație celulară care are loc este aerob, ceea ce înseamnă pur și simplu că folosește oxigen. La unele specii de bacterii, respirația este anaerobă, ceea ce înseamnă că nu utilizează oxigen. În schimb, aceste organisme folosesc ca înlocuitor molecule precum nitrat sau sulf. Unii chiar au evoluat până la punctul în care pot trăi doar în medii fără oxigen.