Дыхание — обязательное условие жизни. Оно обеспечивает обмен веществ и энергии, лежащий в основе жизнедеятельности любого организма. Это процесс окисления продуктов фотосинтеза, при котором потребляется кислород и выделяется углекислый газ. Происходит диссимиляция — расщепление органических веществ с использованием заключенной в них энергии. При дыхании органические вещества превращаются в промежуточные продукты неполного окисления и конечные неорганические продукты (СО2 и Н2О), содержащие мало энергии.
Дыхание является источником энергии, используемой растением для ростовых процессов, различных синтетических реакций, поглощения элементов минерального питания, передвижения ассимилятов. Экзергонические реакции дыхания непосредственно связаны с эндергоническими процессами клеточного обмена и служат для них источником энергии, обеспечивают образование клеточных структур, требующих ее затрат. Процесс дыхания — это источник лабильных соединений, которые образуются как его промежуточные продукты и служат исходным материалом для ряда синтетических реакций. Главными субстратами дыхания являются углеводы. При окислении глюкозы молекулярным кислородом с образованием шести молекул СО2 и шести молекул Н2О степень упорядоченности атомов, входящих ранее в ее состав, резко уменьшается и энтропия соответственно возрастает.
Суммарное уравнение химических превращений при дыхании: $$ C_6H_{12}O_6 + 6O_2 = 6CO_2 + 6H_2O + 2867 кДж.$$
Из уравнения видно, что при полном окислении 1 моля глюкозы (180 г) поглощается 6 молей кислорода, выделяется эквивалентное количество углекислого газа и воды и освобождается 2867 кДж энергии. Однако это уравнение не дает представления о всей сложности химизма процесса дыхания и его промежуточных этапов.
Согласно законам термодинамики, общее количество теплоты при любом экзэргоническом процессе не изменяется, несмотря на промежуточные ступени, через которые проходит этот процесс. Поэтому суммарный энергетический эффект физиологического окисления углеводов и других органических соединений равен тепловому эффекту при сжигании этих веществ в калориметрической бомбе.
При биологическом окислении энергетический эффект также не зависит от промежуточных реакций, при которых могут образовываться различные органические кислоты и другие соединения. Если исходным материалом для дыхания служат жиры, а не углеводы, то энергетический эффект будет значительно большим. Так, принято считать, что при сжигании 1 г углеводов и 1 г белка выделяется в среднем по 17 кДж, 1 г жира — 39 кДж. Более высокая калорийность жиров по сравнению с углеводами обусловливается тем, что их молекула содержит относительно большее количество водорода и меньшее кислорода, чем молекула глюкозы.
Из приведенного суммарного уравнения дыхания растений видно, что этот процесс сопровождается уменьшением массы растительных организмов вследствие расхода гексоз, изменением состава окружающей атмосферы в результате поглощения кислорода, выделения углекислого газа, воды и энергии.
Как показали исследования, в прорастающих семенах наблюдается интенсивное дыхание, в результате которого происходит значительная потеря их массы, то же отмечается и при хранении картофеля. Потерн увеличиваются с повышением температуры, так как дыхание при этом сопровождается потреблением запасных питательных веществ и выделением энергии. Следовательно, прорастающие семена в процессе дыхания выделяют значительное количество энергии.
При фотосинтезе газообмен идет в противоположном по сравнению с дыханием направлении, т. е. поглощается СО2 и выделяется О2. Ю. Либих в 1842 г. отрицал существование процесса дыхания у растений. В настоящее время известно, что достаточно поместить растение в темноту, т. е. исключить процесс фотосинтеза, как сразу же наблюдается «чистое» дыхание. Однако, чтобы доказать существование процесса дыхания у растений, были необходимы глубокие исследования.
Усилия многих физиологов-ботаников были направлены на выяснение сути окислительных процессов и химизма процесса дыхания. Большое значение имели исследования русских ученых И. П. Бородина, А. Н. Баха, С. П. Костычева, В. И. Палладина, способствовавшие формированию представлений о химической природе дыхания не только растений, но и вообще всех, организмов.
Внимание, которое уделяют изучению дыхания, обусловливается тем, что жизнь всякого организма неразрывно связана с беспрерывным использованием свободной энергии, освобождающейся в результате этого процесса. Познание химической и энергетической сущности дыхания дает возможность более глубоко исследовать обмен веществ.