Гипермаркет знаний>>Естествознание>>Естествознание 11 класс>> Физические способы ускорения обмена веществ

                                                  55.6. Физические способы ускорения обмена веществ

В процессе эволюции из простейших одноклеточных организмов образовались многоклеточные. При этом размеры клеток остались в пределах одного порядка величин. Почему размеры клеток так малы (1 - 20 мкм)? В чем выгода деления клеток вместо роста их размеров? Во многом причины чисто физические, обусловленные объективным действием физических законов.  

Все живые организмы  стремятся ускорить обмен веществ,  это  способствует быстрому росту, достижению половой зрелости и воспроизводству, то есть выживанию вида в целом. Обмен веществ зависит от двух факторов: от скорости подхода питательных веществ к клетке и от скорости химических реакций в  клетке.  Эксперимент  показывает,  что скорость  реакций  внутри  клетки  бычно выше  скорости  подхода  питательных  веществ.  Каким  образом  одноклеточные организмы  могут  увеличить  скорость подхода  необходимых  продуктов  питания?  



Рассмотрим  простую  модель  неподвижного одноклеточного организма в виде закрепленной сферы. Если клетка неподвижна, то основным процессом транспорта является диффузия.

По  определению  это направленный поток молекул  данного  сорта,  вызванный  градиентом  их  концентрации. В  отличие  от  упорядоченного механического  перемещения,  диффузия  поддерживается  тепловым  хаотическим движением всех молекул окружающей среды. Пока есть различие концентраций внутри организма и вне его, диффузионный транспорт питательного вещества (например сахара) к клетке происходит. В результате частичного усвоения образуются отходы (шлаки),  это может быть просто вода и углекислый  газ (как при окислении сахара или  глюкозы), аммиак, мочевина, угольная кислота Н₂СО₃, продукты распада гемоглобина (урохром) и других белков. В окружающей клетку среде концентрация таких веществ мала и возникает встречная диффузия шлаков из объема клетки.
 
Что будет происходить вокруг неподвижной клетки? Во-первых,  обеднение  слоя питательных веществ, во-вторых - накопление в приповерхностном (наружном)  слое  молекул  отходов. Это  приводит  к  уменьшению  соответствующих  градиентов  концентраций,  и  потоки  веществ  уменьшаются. Клетка начинает голодать и отравляться шлаками. Простейший способ избежать  подобной  ситуации -  это  использование  механического  перемещения. Движение  относительно,  поэтому  некоторые  простейшие  организмы «предпочли» двигаться сами в окружающей их среде, другие выработали приспособления для активного влияния на среду: реснички, ворсинки, жгутики. С их помощью создается движение среды в приповерхностном слое, вызывающее приток питательных и рассеяние отработанных веществ. У многих простейших организмов имеются жгутики, окончания которых вращаются с угловой скоростью 50 оборотов  за секунду. Эта величина сопоставима со скоростью вращения  валов макроскопических моторов - 3000  оборотов  в минуту! Так как масса клетки мала, жгутик может создавать значительное ускорение при небольшой силе тяги.



Парадоксально,  но факт -  в  век  атомных подводных лодок мы не знаем точно как работает  элементарный  двигатель  клетки,  как  возникает  вращательно-волновое  движение  жгутика. Имеются данные о том, что более простое механическое  движение -  переползание  одноклеточных  организмов  в  поисках «где  лучше» происходит  подобно  процессу  эндоцитоза,  за счет  пластичности  жидко-кристаллической мембраны.

Бактериальные  жгутики  представляют собой  тонкие  полые  нити  длиной 15-20  нм, стенки  которых  образованы молекулами  белка флагелина,  жгутик  прикреплен  к  базальному тельцу  в  мембране  клетки.  Считают,  что  оно приводит жгутик во вращение за счет разности потенциалов на поверхности мембраны. Если диффузию можно назвать пассивным  видом  транспорта  веществ,  то  механическое  движение  создает транспорт активный. Необходимость движения диктуется ещё одним обстоятельством - энерговыделением клетки.

Оно  может  быть  значительным,  если  сравнивать  удельные  величины. Подсчитано, что на единицу объема бактерия выделяет больше энергии, чем Солнце! Этот результат получается просто потому, что объем бактерии очень мал,  при  делении  на  малую  величину  результат  получается  значительным, даже от выделения небольшой энергии химических реакций.  

Законы  термодинамики  едины для неживых и живых устройств, и коэффициент  полезного  действия  биологической машины не может  достигать единицы.  Часть  энергии  обязательно  преобразуется  в  тепловыделение,  без достаточного  теплообмена  с  внешней  средой клетка будет перегреваться до такой  степени, что  это будет несовместимо  с  её жизнью (из-за денатурации белков, например). Механическое движение в среде усиливает теплообмен и снижает температуру одноклеточных организмов.  Однако для процессов  теплообмена критическим параметром  является отношение объема (в котором находятся источники тепла) к поверхности теплообмена. Мы  приняли  сферическую  модель  простейшего  организма,  для неё  это  отношение  равно  максимально  возможному (наибольший  объем  в наименьшей поверхности). С точки  зрения теплообмена - это самый плохой вариант (из-за малости площади обмена). Для цилиндра ситуация становится лучше: при равных объемах поверхность цилиндра в 1,6 раз больше. Поэтому форма клеток ближе к цилиндрической, чем к сферической. Например, клетки эритроцитов (красных кровяных телец) имеют форму круглой «лепешечки», несколько вдавленной в средней её части.

При  любой  геометрической  форме  тел  их  объемы  растут  пропорционально кубу характеристического размера, а поверхность растет пропорционально его квадрату. Можно сказать, что поверхность «не успевает»  за ростом объема, когда с течением времени масса одноклеточного организма возрастает (особенно при хорошем питании). К чему это приводит?  

Как  теплообмен,  так и  обмен потоками  веществ происходит  через поверхность  клетки,  если  величина поверхности отстает от оптимального размера, то клетка начинает голодать. Кроме того, будет затруднен вывод шлаков,  некоторые  из  них  в  большом  количестве  действуют  как  отравляющие вещества (к примеру аммиак). Выход из кризисного состояния подсказывают законы природы: чтобы продолжался процесс накопления массы живого вещества,  клетка  должна  радикально  изменить  форму,  то  есть  разделиться. Простые арифметические расчеты покажут Вам, что при условии М = М₁ + М₂ отношение суммарной площади двух капель к суммарному их объему будет больше, чем для одной большой капли.

Так что можно сказать: ограничение характеристических размеров клеток микронным уровнем является объективным требованием законов физики, химии и геометрии. В качестве иллюстрации к сказанному на рис. 5.34 показана форма простейших бактерий. Сначала это сферы - коки, затем происходит  удвоение  до  диплококов,  потом  появляются  стафиллококи  и  далее - цилиндрические палочки.

Концепции современного естествознания. Стародубцев В.А., 2-е изд., доп. — Томск.: Том. политех. ун-т, 2002. — 184 с.

Содержание урока
 конспект урока
 опорный каркас  
 презентация урока
 акселеративные методы 
 интерактивные технологии 

Практика
 задачи и упражнения 
 самопроверка
 практикумы, тренинги, кейсы, квесты
 домашние задания
 дискуссионные вопросы
 риторические вопросы от учеников

Иллюстрации
 аудио-, видеоклипы и мультимедиа 
 фотографии, картинки 
 графики, таблицы, схемы
 юмор, анекдоты, приколы, комиксы
 притчи, поговорки, кроссворды, цитаты

Дополнения
 рефераты
 статьи 
 фишки для любознательных 
 шпаргалки 
 учебники основные и дополнительные
 словарь терминов                          
 прочие 

Совершенствование учебников и уроков
 исправление ошибок в учебнике
 обновление фрагмента в учебнике 
 элементы новаторства на уроке 
 замена устаревших знаний новыми 

Только для учителей
 идеальные уроки 
 календарный план на год  
 методические рекомендации  
 программы
 обсуждения


Интегрированные уроки

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.

Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - Образовательный форум.