हर कोई जीवित रहने के लिए श्वसन करता है, लेकिन श्वसन जीवन के लिए क्यों आवश्यक है? जब हम श्वसन करते हैं तो क्या होता है? साथ ही, सभी जीवित जीव, चाहे वो पादप या जीवाणु हों, क्या श्वसन करते हैं? अगर हाँ, तो कैसे?

सभी जीवित जीवों को दैनिक जीवन की गतिविधियों के लिए ऊर्जा की आवश्यकता होती है, चाहे वो अवशोषण, प्रवाह, चलना, प्रजनन या भले ही श्वसन हो। इस सभी ऊर्जा कहाँ से आती है? हम जानते हैं कि हम ऊर्जा के लिए भोजन खाते हैं – लेकिन भोजन से ये ऊर्जा कैसे अलग होती है? ये ऊर्जा कैसे उपयोग की जाती है? सभी भोजन एक समान मात्रा में ऊर्जा देते हैं क्या? पादप ‘खाते’ हैं? पादपों को उनकी ऊर्जा कहाँ से मिलती है? और जीवाणु – उनकी ऊर्जा आवश्यकताओं के लिए, क्या वे ‘भोजन’ ‘खाते’ हैं?

ऊपर उठाए गए कई प्रश्नों पर आप सोच सकते हैं – ये प्रश्न शायद बहुत अलग-अलग लग सकते हैं। लेकिन वास्तव में, श्वसन की प्रक्रिया भोजन से ऊर्जा के निकालन की प्रक्रिया से बहुत जुड़ी है। आइए हम यह समझने की कोशिश करें कि यह कैसे होता है।

‘भोजन’ कहलाने वाले कुछ मैक्रोमोलेकुल्स के ऑक्सीडेशन के द्वारा सभी ‘जीवन’ प्रक्रियाओं की आवश्यक ऊर्जा प्राप्त होती है। केवल हरे पादप और साइयोबैक्टीरिया ही अपना खुद का भोजन तैयार कर सकते हैं; प्रकाश ऊर्जा को धारण करके और उसे कार्बनिक ऊर्जा में परिवर्तित करके उनके द्वारा फोटोसिन्थेसिस की प्रक्रिया करते हैं, जो ग्लूकोज, सुक्रोज और स्टार्च जैसे कार्बहाइड्रेट्स के बंधनों में संचित होती है। हमें याद रखना चाहिए कि हरे पादपों में भी सभी कोशिकाएँ, ऊतक और अंग प्रकाश सिन्थेसिस नहीं करते; केवल क्लोरोप्लास्ट वाली कोशिकाएँ, जो अक्सर आभासी परतों में स्थित होती हैं, प्रकाश सिन्थेसिस करती हैं। इसलिए, हरे पादपों में भी सभी अन्य अंगों, ऊतकों और कोशिकाओं को ऑक्सीडेशन के लिए भोजन की आवश्यकता होती है। इसलिए, भोजन को सभी नॉन-ग्रीन भागों तक प्रवाहित किया जाना चाहिए। पशु हेतुरॉफ्ट, अर्थात् वे भोजन पादपों से सीधे (शाकाहारी) या अप्रत्यक्ष (राक्षसी) प्राप्त करते हैं। फाइटों जैसे सैप्रोफाइट्स मरे और जीवाश्म द्रव पर निर्भर हैं। महत्वपूर्ण यह है कि अंततः सभी जीवन प्रक्रियाओं के लिए श्वसित भोजन प्रकाश सिन्थेसिस से आता है। इस अध्याय में जैविक श्वसन या भोजन पदार्थों के कोशिका भीतर तोड़ने की प्रक्रिया और ऊर्जा के निकालन की प्रक्रिया के बारे में चर्चा की जाएगी, और इस ऊर्जा को ATP के संश्लेषण में धारण करना। प्रकाश सिन्थेसिस, जरा भी नहीं, क्लोरोप्लास्ट्स में ही होती है (यूकैरियोट्स में), जबकि जटिल अणुओं के ऊर्जा उत्पादन के लिए तोड़ने की प्रक्रिया साइटोप्लाज्म और माइटोकॉन्ड्रिया में (यूकैरियोट्स में ही) होती है। कोशिकाओं के भीतर जटिल यौगिकों के C-C बंधों को ऑक्सीडेशन के द्वारा तोड़ना, जिससे बहुत अधिक ऊर्जा निकलती है, को श्वसन कहा जाता है। इस प्रक्रिया में ऑक्सीडेट होने वाले यौगिकों को श्वसन सबस्ट्रेट्स कहा जाता है। आमतौर पर कार्बोहाइड्रेट्स को ऑक्सीडेट किया जाता है ताकि ऊर्जा निकाली जा सके, लेकिन प्रोटीन्स, तेल और यहाँ तक कि ऑर्गनिक अम्ल भी कुछ पादपों में कुछ परिस्थितियों में श्वसन पदार्थ के रूप में उपयोग किए जा सकते हैं। कोशिका के भीतर ऑक्सीडेशन के दौरान, श्वसन सबस्ट्रेट्स में शामिल सभी ऊर्जा को स्वतंत्र रूप से कोशिका में या एक कदम में नहीं छोड़ा जाता है। यह एक श्रृंखला में धीमी कदम-से-कदम प्रक्रियाओं के द्वारा नियंत्रित एंजाइम्स के माध्यम से छोड़ा जाता है, और यह एटीपी के रूप में कार्बनिक ऊर्जा में धारण किया जाता है। इसलिए, यह आवश्यक है कि हम समझें कि श्वसन में ऑक्सीडेशन द्वारा निकलने वाली ऊर्जा सीधे (या अधिक सटीक कहा जाना चाहिए कि) सीधे उपयोग नहीं की जा सकती बल्कि एटीपी के संश्लेषण के लिए उपयोग की जाती है, जिसे जब भी (और कहीं भी) ऊर्जा की आवश्यकता होती है तो टूट जाता है। इसलिए, एटीपी कोशिका की ऊर्जा मुद्रा कहा जाता है। एटीपी में धारित ऊर्जा का उपयोग जीवों की विभिन्न ऊर्जा-आवश्यक प्रक्रियाओं में किया जाता है, और श्वसन के दौरान उत्पन्न कार्बन स्केलेटन कोशिका में अन्य अणुओं के संश्लेषण के लिए पूर्वाग्रह के रूप में उपयोग किया जाता है।

14.1 क्या पादप श्वसन करते हैं?

इस प्रश्न का उत्तर बहुत सीधा नहीं है। हाँ, पादपों को श्वसन होने के लिए $\mathrm{O_2}$ की आवश्यकता होती है और वे $\mathrm{CO_2}$ भी बाहर निकालते हैं। इसलिए, पादपों के पास उसकी उपलब्धता सुनिश्चित करने के लिए प्रणालियाँ हैं। पादपों में पशुों की तुलना में गैसीय विनिमय के लिए विशेष अंग नहीं हैं, लेकिन वे इसके लिए स्टोमा और लेंटिसेल्स रखते हैं। पादपों को श्वसन अंगों की आवश्यकता नहीं होने के कई कारण हैं। पहला कारण यह है कि प्रत्येक पादप भाग अपनी खुद की गैस-आदान-प्रदान की आवश्यकताओं का ध्यान रखता है। एक पादप भाग से दूसरे पर गैसों का बहुत कम प्रवाह होता है। दूसरा कारण यह है कि पादपों के पास गैस-आदान-प्रदान के लिए बड़ी मात्रा में आवश्यकता नहीं होती। जड़ें, डालियाँ और पत्तियाँ पशुों की तुलना में बहुत कम दर से श्वसन करती हैं। केवल प्रकाश सिन्थेसिस के दौरान बड़ी मात्रा में गैसों का विनिमय होता है और प्रत्येक पत्ती इन अवधियों के दौरान अपनी आवश्यकताओं का ध्यान रखने के लिए अच्छी तरह से अनुकूलित होती है। जब कोशिकाएँ प्रकाश सिन्थेसिस करती हैं, तो इन कोशिकाओं में $\mathrm{O_2}$ की उपलब्धता कोशिका के भीतर निकलने वाले $\mathrm{O_2}$ के कारण कोई समस्या नहीं है। तीसरा कारण यह है कि भले ही बड़े, भरे पादपों में भी गैसों के डिफ्यूज़ होने की दूरी बहुत कम है। पादप की प्रत्येक जीवित कोशिका पादप की सतह के बहुत करीब स्थित है। ‘यह पत्तियों के लिए सही है’, आप सवाल कर सकते हैं, ‘लेकिन गहरे, लकड़ी के डालियों और जड़ों के लिए क्या?’ डालियों में, ‘जीवित’ कोशिकाएँ बर्फ के बाहरी भाग और उसके नीचे पतली परतों में व्यवस्थित हैं। उनके पास लेंटिसेल्स कहलाने वाले खुलास भी हैं। आंतरिक कोशिकाएँ मरी हुई हैं और केवल यांत्रिक समर्थन प्रदान करती हैं। इस प्रकार, पादप की अधिकांश कोशिकाएँ कम से कम अपनी सतह के एक हिस्से को हवा से संपर्क में रखती हैं। पत्तियों, डालियों और जड़ों में पारेन्च्याम कोशिकाओं के लूस पैकिंग के माध्यम से भी यह सुविधा प्राप्त होती है, जो एक एयर स्पेसेस के एक एकजुट नेटवर्क प्रदान करता है। ग्लूकोज की पूर्ण ज्वालामुखी रासायनिक प्रक्रिया, जिससे $\mathrm{CO}_2$ और $\mathrm{H}_2\mathrm{O}$ अंतिम उत्पाद प्राप्त होते हैं, ऊर्जा उत्पन्न करती है, जिसमें अधिकांश ऊर्जा गर्मी के रूप में बाहर निकलती है।

$\mathrm{C_6} \mathrm{H_{12}} \mathrm{O_6}+6 \mathrm{O_2} \longrightarrow 6 \mathrm{CO_2}+6 \mathrm{H_2} \mathrm{O}+$ ऊर्जा

अगर यह ऊर्जा कोशिका के लिए उपयोगी होनी चाहिए, तो उसे उस ऊर्जा का उपयोग करके अन्य अणुओं को संश्लेषित करना चाहिए जिनकी कोशिका की आवश्यकता होती है। पादप कोशिका उपयोग करने वाली रणनीति यह है कि ग्लूकोज अणु को ऐसी प्रकार से कैथाबोलाइज़ करे ताकि सभी निकाली गई ऊर्जा गर्मी के रूप में बाहर न जाए। यह कुंजी यह है कि ग्लूकोज को एक कदम में नहीं ऑक्सीडाइज़ किया जाए बल्कि कई छोटे-छोटे कदमों में ऑक्सीडाइज़ किया जाए ताकि कुछ कदम ऐसे हो सकें जो बहुत बड़े न हों ताकि निकलने वाली ऊर्जा को एटीपी संश्लेषण से जोड़ा जा सके। यह कैसे किया जाता है, यह आसानी से श्वसन की कहानी है।

श्वसन की प्रक्रिया के दौरान ऑक्सीजन का उपयोग किया जाता है और कार्बन डाइऑक्साइड, पानी और ऊर्जा उत्पादों के रूप में छोड़ दिए जाते हैं। ज्वालामुखी रासायनिक प्रक्रिया में ऑक्सीजन की आवश्यकता होती है। लेकिन कुछ कोशिकाएँ जीवित रहती हैं जहाँ $\mathrm{O_2}$ उपलब्ध हो सकता है या नहीं। क्या आप ऐसी परिस्थितियों (और जीव) सोच सकते हैं जहाँ $\mathrm{O_2}$ उपलब्ध नहीं होता? यह मानने के लिए पर्याप्त कारण हैं कि इस ग्रह पर पहली कोशिकाएँ ऑक्सीजन के अभाव में वायुमंडल में थीं। आज के जीवित जीवों में से भी हमें कई परिस्थितियों के अनुकूल जीव जानते हैं जो एनारॉबिक परिस्थितियों में जीते हैं। इनमें से कुछ जीव वैकल्पिक एनारॉबिक हैं, जबकि अन्य जीवों के लिए एनारॉबिक परिस्थिति की आवश्यकता अनिवार्य है। इस बात के बावजूद, सभी जीवित जीवों के पास ऑक्सीजन की मदद के बिना ग्लूकोज को आंशिक रूप से ऑक्सीडाइज़ करने की एन्जाइम मेकेनिज्म रखी हुई है। ग्लूकोज को पिराविक अम्ल में तोड़ने को ग्लिकोलाइसिस कहा जाता है।

14.2 ग्लिकोलाइसिस

ग्लिकोलाइसिस शब्द का मूल ग्रीक शब्दों से है, �