ФІЗИЧНІ СПОСОБИ ПРИСКОРЕННЯ ОБМІНУ РЕЧОВИН

В процесі еволюції з найпростіших одноклітинних організмів утворилися багатоклітинні. При цьому розміри клітин залишилися в межах одного порядку величин. Чому розміри клітин настільки малі (1-20 мкм)? У чому вигода ділення клітин замість зростання їх розмірів? Багато в чому причини чисто фізичні, зумовлені об'єктивним дією фізичних законів.

Всі живі організми прагнуть прискорити обмін речовин - це сприяє швидкому зростанню, досягненню статевої зрілості і відтворення, го є виживання виду в цілому. Обмін речовин залежить від двох чинників: від швидкості підходу поживних речовин до клітини і від швидкості хімічних реакцій в клітині. Експеримент показує, що швидкість реакцій всередині клітини зазвичай вище швидкості підходу поживних речовин. Яким чином одноклітинні організми можуть збільшити швидкість підходу необхідних продуктів харчування?

Розглянемо просту модель нерухомого одноклітинного організму у вигляді закріпленої сфери (див. Рис. 132). Якщо клітина нерухома, то основним процесом транспорту є дифузія. За визначенням це спрямований потік молекул даного сорту, викликаний градієнтом їх концентрації. На відміну від упорядкованого механічного переміщення, дифузія підтримується тепловим хаотичним

Схема зустрічної дифузії речовин

Мал. 132. Схема зустрічної дифузії речовин

рухом всіх молекул навколишнього середовища. Поки є відмінність концентрацій всередині організму й поза ним, дифузний транспорт поживних речовин (наприклад цукру) до клітки відбувається. В результаті часткового засвоєння утворюються відходи (шлаки), це може бути просто вода і вуглекислий газ (як при окисленні цукру або глюкози), аміак, сечовина, вугільна кислота Н 2 СОз, продукти розпаду гемоглобіну (урохром) та інших білків. У оточує клітину середовищі концентрація таких речовин мала і виникає зустрічна дифузія шлаків з обсягу клітини.

Бактерія зі джгутиком

Мал. 133. Бактерія зі джгутиком

Що буде відбуватися навколо нерухомої клітки? По-перше, збіднення шару поживних речовин, по-друге, накопичення в поверхневому (зовнішньому) шарі молекул відходів. Це призводить до зменшення відповідних градієнтів концентрацій, і потоки речовин зменшуються. Клітка починає голодувати і отруюватися шлаками. Найпростіший спосіб уникнути подібної ситуації - використання механічного переміщення. Деякі найпростіші організми «віддали перевагу» рухатися самі в навколишньому їхньому середовищі, інші виробили пристосування для активного впливу на середовище: вії, ворсинки, джгутики, з їх допомогою створюється рух середовища в при поверхневому шарі, що викликає приплив поживних і розсіювання відпрацьованих речовин. У багатьох найпростіших організмів є джгутики, закінчення яких обертаються з кутовою швидкістю 50 обертів за секунду (рис. 133). Ця величина порівнянна зі швидкістю обертання валів макроскопічних моторів - 3000 оборотів в хвилину! Так як маса клітини мала, джгутик може створювати значне прискорення при невеликій силі тяги.

Бактеріальні джгутики являють собою тонкі порожнисті нитки довжиною 15-20 нм, стінки яких утворені молекулами білка флагеліна, джгутик прикріплений до базального бичка в мембрані клітини. Вважають, що воно призводить джгутик в обертання за рахунок різниці потенціалів на поверхні мембрани. Якщо дифузію можна назвати пасивним видом транспорту речовин, то механічний рух створює транспорт активний.

Необхідність руху диктується ще однією обставиною - енсрговиделенісм клітини. Воно може бути значним, якщо порівнювати питомі величини. Підраховано, що на одиницю об'єму бактерія виділяє більше енергії, ніж Сонце! Цей результат виходить просто тому, що обсяг бактерії дуже малий, при розподілі на малу величину результат виходить значним, навіть від виділення невеликої енергії хімічних реакцій.

Закони термодинаміки єдині для неживого і живого, і коефіцієнт корисної дії біологічної машини не може досягати одиниці. Частина енергії обов'язково перетвориться в тепловиділення, без достатнього теплообміну з зовнішнім середовищем клітина буде перегріватися до такої міри, що це буде несумісне з її життям (через денатурації білків наприклад). Механічний рух в середовищі посилює теплообмін і знижує температуру одноклітинних організмів.

Однак для процесів теплообміну критичним параметром є відношення об'єму (в якому знаходяться джерела тепла) до поверхні теплообміну. Ми прийняли сферичну модель найпростішого організму, для неї це відношення дорівнює максимально можливому (найбільший обсяг до найменшої поверхні). З точки зору теплообміну це найгірший варіант (через малість площі обміну). Для циліндра ситуація стає краще - при рівних обсягах поверхню циліндра в 1,6 раз більше. Тому форма клітин еритроцитів (червоних кров'яних тілець) ближче до циліндричної, ніж до сферичної. Еритроцити мають форму круглої «коржики», кілька втиснула в середній її частині.

При будь-якої геометричної форми тел їх обсяги зростають пропорційно кубу характеристичного розміру, а поверхня зростає пропорційно його квадрату. Можна сказати, що поверхня «не встигає» за зростанням обсягу, коли з плином часу маса одноклітинного організму зростає (особливо при хорошому харчуванні). До чого це призводить?

Як теплообмін, так і обмін потоками речовин відбувається через поверхню клітини. Якщо величина поверхні відстає від оптимального розміру, то клітина починає голодувати. Крім того, буде утруднений виведення шлаків, деякі з них у великій кількості діють як отруйні речовини (наприклад аміак). Вихід з кризового стану підказують закони природи: щоб тривав процес накопичення маси живого речовини, клітина повинна радикально змінити форму, тобто розділитися. Прості арифметичні розрахунки покажуть Вам, що за умови М = М + М 2 відношення сумарної площі двох крапель до сумарного їх об'єму буде більше, ніж для однієї великої краплі.

Так що можна сказати, що обмеження характеристичних розмірів клітин мікронним рівнем є об'єктивною вимогою законів фізики, хімії та геометрії. Вони повинні діяти як на Землі, так і на інших планетах, де створені відповідні для життя умови. Як ілюстрацію до сказаного на рис. 134 показана форма найпростіших бактерій. Спочатку це сфери - коки, потім відбувається подвоєння до диплококков, потім з'являються стрептококи і далі - бацили, вібріони, спірохети.

Форма найпростіших організмів - бактерій

Мал. 134. Форма найпростіших організмів - бактерій.

Зліва направо: коки, диплококи, стрептококи, бацили, діплобацілли, вібріони, спірили, спірохети

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ

  • 1. Перерахуйте назви планет Сонячної системи, починаючи від Сонця. Чи знаєте Ви про виключення Плутона з числа планет Сонячної системи (переведений в групу малих планет, куди входять Сесна, Куазуоар і інші малі небесні тіла)?
  • 2. Перерахуйте, які окремі шари виділяють в атмосфері Землі в порядку їх видалення від поверхні Землі.
  • 3. Як антисептичний заходи в операційних палатах виробляють їх освітлення ультафіолстовой лампою. Як Ви думаєте, чому?
  • 4. Запишіть у робочому зошиті якусь фразу з 5-6 слів. Вставте між ними «інгрони» у вигляді -інгрон№1- інтрон № 2 - і т. Д. Потім імітуйте процедуру альтернативного сплайсингу, «вирізаючи» з тексту інтрони так, щоб зшивалися слова фрази за різними варіантами. Не переставляти місцями слова фрази, вирізуйте всі наступні слова разом з «нітрон». Скільки варіантів Ви зможете отримати в результаті?
 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >