یاخته‌ها چطور انرژی آزاد می‌کنند
چهار طبقه پله را دوان‌دوان بالا رفته‌اید. بالای پله‌ها نفس‌نفس می‌زنید و قلبتان تند می‌زند. عضله‌های پایتان همین حالا انرژی زیادی مصرف کرده‌اند و بدنتان با عجله برایشان اکسیژن بیشتری می‌فرستد. این انرژی از کجا می‌آید و چرا به اکسیژن نیاز دارد؟
افسانه یا واقعیت؟ نفس کشیدن و تنفس یاخته‌ای دو اسم برای یک کارند.
آتشی بی‌شعله
غذا هم مثل هیزم انرژی در خود دارد. وقتی هیزم می‌سوزد، با اکسیژن هوا ترکیب می‌شود و انرژی‌اش یک‌باره به شکل گرما و نور بیرون می‌آید. یاخته‌های شما هم انرژی غذا را به روشی شبیه همین آزاد می‌کنند، اما آرام و بی‌شعله. به این کار تنفس یاخته‌ای (cellular respiration) می‌گویند.
تقریباً در همه‌ی جانداران، سوختِ این کار گلوکز است، قندی که از غذا می‌آید.۱ یاخته گلوکز را با اکسیژن، گازی که در هواست، ترکیب می‌کند. آنچه باقی می‌ماند کربن دی‌اکسید است، گازی دیگر، و آب:۲
گلوکز + اکسیژن ← کربن دی‌اکسید + آب + انرژی
تنفس یاخته‌ای یک‌جا و یک‌باره انجام نمی‌شود، بلکه در گام‌های کوچک بسیار. این‌طور یاخته می‌تواند انرژی را به دام بیندازد و نگذارد همه‌اش به شکل گرما هدر برود. یاخته این انرژی را در بسته‌های کوچکی از مولکولی به نام ATP نگه می‌دارد، که اغلب به آن «پول رایج انرژیِ یاخته» می‌گویند، و هر جا کاری باید انجام شود خرجش می‌کند: برای کشیدن عضله، برای ساختن بخش‌های تازه، برای فرستادن پیام در طول عصب.۱
کجا انجام می‌شود
بیشترِ تنفس یاخته‌ای درون میتوکندری‌ها (راکیزه‌ها) انجام می‌شود، نیروگاه‌های کوچک یاخته (درس «درون یک یاخته» را ببینید).۲ یاخته‌های پرکار، مثل یاخته‌های ماهیچه، میتوکندری‌های زیادی دارند. برای همین وقتی می‌دوید، پاهایتان این‌قدر اکسیژن لازم دارند: کار بیشتر یعنی تنفس یاخته‌ای بیشتر، و تنفس بیشتر یعنی اکسیژن بیشتر.
نفس کشیدن تنفس یاخته‌ای نیست
نفس کشیدن هوا را به شش‌ها می‌برد و بیرون می‌آورد. تنفس یاخته‌ای کاری شیمیایی است که درون تک‌تک یاخته‌های بدنتان انجام می‌شود. این دو با هم کار می‌کنند. نفس کشیدن اکسیژنی را که تنفس یاخته‌ای مصرف می‌کند به بدن می‌آورد و کربن دی‌اکسیدی را که تنفس یاخته‌ای می‌سازد بیرون می‌برد (درس «شش‌ها و نفس کشیدن» را ببینید).
جواب را ببینید
افسانه. نفس کشیدن یعنی بردن هوا به شش‌ها و بیرون دادن آن. تنفس یاخته‌ای یعنی آزاد کردن انرژی غذا درون یاخته‌ها. گیاه شش ندارد و نفس نمی‌کشد، اما همه‌ی یاخته‌های زنده‌اش تنفس یاخته‌ای دارند.
گیاهان هم تنفس می‌کنند
گیاهان با فتوسنتز گلوکز می‌سازند (درس «گیاهان چطور غذا می‌سازند» را ببینید) و بعد، درست مثل شما، با تنفس یاخته‌ای انرژی آن را آزاد می‌کنند. فتوسنتز به نور نیاز دارد، پس شب‌ها متوقف می‌شود. اما تنفس یاخته‌ای هرگز نمی‌ایستد: همه‌ی یاخته‌های زنده‌ی گیاه، شب و روز، همیشه تنفس می‌کنند.۳ در نور کافی، گیاه سبز با فتوسنتز بیش از اکسیژنی که مصرف می‌کند اکسیژن می‌سازد، پس روی هم رفته اکسیژن بیرون می‌دهد. در تاریکی فقط اکسیژن می‌گیرد.
حالا دو معادله را کنار هم بگذارید. آنچه فتوسنتز می‌سازد (گلوکز و اکسیژن)، تنفس یاخته‌ای مصرف می‌کند. آنچه تنفس یاخته‌ای می‌سازد (کربن دی‌اکسید و آب)، فتوسنتز مصرف می‌کند. این دو کار گازهای هوا را میان جانداران دست‌به‌دست می‌کنند.
خودتان امتحان کنید
یک دقیقه آرام بنشینید و نفس‌هایتان را بشمارید. بعد یک دقیقه درجا قدم‌رو کنید یا بدوید و دوباره بشمارید. عضله‌هایتان کار بیشتری می‌کنند، پس یاخته‌هایشان تندتر تنفس می‌کنند و اکسیژن بیشتری می‌خواهند: برای همین تندتر نفس می‌کشید تا آن را برسانید.
واژه‌های این درس
- تنفس یاخته‌ای - آزاد کردن انرژیِ ذخیره‌شده در غذا، درون یاخته‌ها
- اکسیژن - گازی در هوا که یاخته‌ها برای آزاد کردن انرژی غذا به کار می‌برند
- کربن دی‌اکسید - گازی که یاخته‌ها هنگام آزاد کردن انرژی به‌عنوان ماده‌ی زائد بیرون می‌دهند
- نفس کشیدن - بردن هوا به شش‌ها و بیرون دادن آن
ایده‌ی اصلی
هر یاخته‌ی زنده انرژی غذا را با ترکیب کردنش با اکسیژن آزاد می‌کند. نفس کشیدن فقط اکسیژن را می‌آورد و کربن دی‌اکسید را بیرون می‌برد.
منابع
-
اوپن‌استکس، کتاب Biology 2e، 7.1 Energy in Living Systems (کتاب درسی، مجوز CC BY 4.0). ↩ ↩۲
-
اوپن‌استکس، کتاب Concepts of Biology، 4.3 Citric Acid Cycle and Oxidative Phosphorylation (کتاب درسی، مجوز CC BY 4.0). ↩ ↩۲
-
الکساندرا برجس، Breath of green life: Reduction in plant day and night respiration under elevated CO2 (مقاله در Plant Physiology، ۲۰۲۳). ↩