Valaan kokoisia bakteereja
Sisään ja ulos, sisään ja ulos.
Elossa pysyminen tarkoittaa asioita.
Juuri tässä vaiheessa solusi polttavat glukoosimolekyylejä hapella saadakseen energiaa saataville, mikä pitää sinut hengissä vielä yhden arvokkaan hetken. Hapen saamiseksi soluihisi hengität. Hengittäminen on vastaus erittäin kovaan ongelmaan: Kuinka saat solujen tarvitsemat resurssit selviytyäkseen ulkopuolelta solujen sisäpuolelle? Jokaisen elävän on ratkaistava tämä ongelma, ja ratkaisu on yllättävän erilainen yhdestä elämän tärkeimmistä säätimistä: koosta. Kuten olemme keskustelleet: Eri mittakaavoissa maailmankaikkeuden fyysisillä laeilla on erilaiset seuraukset sen asukkaille. Yksinkertaiset asiat, kuten lämpötila, mikropainovoima tai pintajännitys, eivät välttämättä ole sinulle merkityksellisiä tai vaarallisia - riippuen siitä kuinka suuri olet. Elävät asiat tarvitsevat paljon erilaisia materiaaleja pitääkseen itsensä käynnissä. Ja heidän on jotenkin kuljetettava ne ulkopuolelta sisälle. Tämä oli valtava ongelma ensimmäisten asioiden edessä, jotka olivat elossa, koska kaiken tekeminen universumissamme vaatii energiaa. Ja maan päällä olevilla ensimmäisillä elävillä olennoilla ei ollut käytettävissä runsaasti työkaluja ja tekniikoita, joita elämä tarjoaa nykyään miljardien vuosien evoluution jälkeen.
Joten alussa elämän oli löydettävä tapa saada hyviä tavaroita sisälle ja huonoja tavaroita itsensä ulkopuolelle käyttämättä energiaa. Onneksi ensimmäiset elämänmuodot olivat hyvin, hyvin pieniä. Ja koska he olivat niin pieniä, he pystyivät käyttämään ilmaista kuljetusmuotoa, joka perustui fyysiseen lakiin nimeltä diffuusio. Diffuusio on maailmankaikkeuden sääntö, jonka mukaan molekyylit, erityisesti nesteissä tai kaasuissa, liikkuvat jatkuvasti kaikkiin suuntiin. Ja koska ne liikkuvat ympäriinsä ja törmäävät toisiinsa ja muihin molekyyleihin, niillä on taipumus levitä. Jos esimerkiksi pudotat sokerikuutio veteen, sokeria on paljon yhdessä paikassa ja toisessa paikassa ei ole. Kun sokerimolekyylit liukenevat veteen, ne alkavat satunnaisesti törmätä vesimolekyyleihin ja muihin sokerimolekyyleihin. Hitaasti kaikki sokerimolekyylit leviävät ja muodostavat useita eri pitoisuuksien faaseja. Nämä satunnaiset liikkeet jatkuvat loputtomasti, kunnes jossain vaiheessa sokeri leviää tasaisesti veteen. Diffuusion hienoa on, että elämä voi käyttää sitä ilmaiseksi, se ei vaadi energiaa.
Ja elämä rakastaa ilmaisia asioita. Joten koko elämä maan päällä perustuu diffuusioon. Katsotaanpa maan pienintä elävää olentoa, bakteeria. Erityisesti sen pinnat. Solukalvot mahdollistavat tiettyjen molekyylien diffuusion. Tämä erityinen bakteeri kuluttaa happea elääkseen, kun taas hiilidioksidia syntyy sisällä jätteeksi. Joten bakteerin sisällä ei ole paljon happea, mutta paljon hiilidioksidia. Diffuusion takia nämä molekyylit leviävät lopulta tasaisesti, joten hiilidioksidi diffundoituu ulos, kun taas happea täydennetään jatkuvasti ulkopuolelta. Mutta tällainen "hengitys" toimii vain hyvin pienessä maailmassa. Bakteereille, ameballe tai soluillesi ja muutamille hyvin pienille eläimille.
Hyönteisillä on esimerkiksi hieno henkitorven verkosto, tunnelit, joissa on painegradientti, jossa ilma hitaasti voi diffundoitua ja vaihtaa kaasuja hyönteissolujen kanssa. Mutta jopa hyönteiset näyttävät kykenevän supistamaan henkitorvensa ja ainakin joillakin on jopa erikoistuneita hengityselimiä, kuten spiraaleja ja ilmapusseja. Tietyissä mittakaavoissa diffuusio on aivan liian hidasta pitämään solut hengissä. Perusongelma on, että vaihto ympäristön kanssa voi tapahtua vain pinnalla ja materiaalien diffuusio voi ylläpitää vain tietyn määrän sisäpuolta. Pienillä elävillä olennoilla on vain vähän sisäpuolta tai tilavuutta ja paljon ulkona tai pinta-alaa.
Mutta entä jos haluaisimme luoda sinivalaan kokoisen
Bakteerin ja meillä olisi erittäin kätevä laajennuskone? meitä valitettavasti sekoitettaisiin neliökuutilaki.
Lyhyesti sanottuna se tarkoittaa, että jos teet jotain kymmenen kertaa suurempaa, sen ulkopinta tai pinta kasvaa 100: lla, mutta sen sisäosa tai tilavuus kasvaa 1000 kertaa. Jos verrataan Pseudomonas aeruginosa -bakteeria sinivalaaseen, näemme, että bakteerilla on 1000000 kertaa enemmän pintaa tilavuuteensa nähden kuin valas. Bakteerilla on paljon ulkopuolisia puolia, kun taas valalla on paljon sisäpuolta. Jos teemme bakteerin valaan kokoiseksi - jättimäisillä bakteereillamme on nyt liikaa sisäpuolta ja suurin osa sen sisäpuolesta on nyt hyvin kaukana sen pinnasta.
Bakteerimme tarvitsema happi ei koskaan pääse sisälle ennen kuin happi loppuisi. Jättimäinen bakteeri kuolisi vain. Silti suuremmalla on monia haittoja. Vaikeammasta syödä helpottamaan muiden syömistä. Mutta solujen kokoa rajoittaa etäisyys happea ja ravintoaineet voivat tehokkaasti diffundoitua tarjotakseen sisäpuolelle tarpeeksi resursseja. Joten elämä välttää tämän ongelman muodostamalla monisoluisia rakenteita - olentoja, jotka koostuvat monista soluista yhden sijasta. Koska diffuusio toimii paremmin, jos sinulla on paljon pieniä yksiköitä yhden paljon suuremman sijaan. Ajan myötä solukaverit alkoivat jakaa työtä ja erikoistua. Jotkut solut keskittyivät ympäristön aistimiseen, toiset ruoansulatukseen, toiset liikkumiseen. Mutta se ei silti riittänyt.
Diffuusion sekä pinta- ja energiantuotannon ongelma säilyi, mikä rajoitti näiden ensimmäisten monisoluisten elämänmuotojen kokoa. Joten voidakseen tulla vielä suuremmaksi, elämä ratkaisi diffuusiongelman omistamalla reikiä, luolia ja tunneleita ja taittumalla itseensä, joten diffuusio voi tapahtua helposti kussakin solussa. Ota itsesi: Ulkopuolesi, ihosi, pinta-ala on noin 2 neliömetriä. Mutta keuhkojen pinta-ala on noin 70 neliömetriä. Ne eivät ole kuin ilmapallot, ne ovat enemmän kuin sienet, jotka on täytetty monilla tiiviisti pakatuilla pienillä ilmapalloilla, verisuonten ympäröimänä. Kun hengität sisään, kaikki nämä pienet ilmapallot täyttyvät raikkaalla ilmalla. CO2: lla täytetty veri pumpataan ilmapallojen ympärille. Ja sitten tapahtuu diffuusion taika. Happi diffundoituu vereen, missä punasolut noutavat sen. Ja CO2 diffundoituu verestä ja keuhkoihisi, missä se voidaan hengittää uudelleen.
Veresi kuljettaa sitten happipitoista verta kehosi kauimpiin kulmiin ja kerää CO2-jätteet. Kehon diffuusio on tehokas noin millimetrillä, joten jokainen kehosi solu on korkeintaan yhden millimetrin päässä verisuonesta. Joten keskikokoiset eläimet, kuten sinä, tarvitsevat paljon verisuonia päästäkseen jokaiseen kehon soluun. Kehossasi on noin 100 000 kilometriä pelkästään kapillaareja, pienimmätkin verisuonesi, joiden pinta-ala on noin 1000 neliömetriä. Tämä pätee kaikkiin osiin, jotka haluavat vaihtaa jotain ulkomaailman kanssa. Kehosi tarvitsee pintoja ottaakseen ravintoaineita ruoastasi, joten suolistosi pinta-ala on puoli sulkapallokenttää, noin 40 neliömetriä. Mitä suurempi olet, sitä enemmän piilotettuja pintoja tarvitset. Ota puu. Sen tapa pysyä hengissä on luoda sokeria ohuesta ilmasta ja auringonvalosta. Joten se tarvitsee mahdollisimman paljon pinta-alaa.
Kaksi tuhatta lehteä sisältävän oranssin puun lehden pinta-ala on 200 neliömetriä. Mutta lehtien sisällä oleva pinta, jossa diffuusio todella tapahtuu, on 6000 neliömetriä. Sama juurien kanssa, joissa vesi leviää maaperästä lukemattomiin pieniin karvoihin, jotka maksimoivat pinta-alan. Yhden neliömetrin ruohon juuret muodostavat noin 350 neliömetriä pintaa! Jos katsomme tämän planeetan elämän henkeäsalpaavaa monimuotoisuutta, näyttää siltä, että kaikki on melko erilaista. Ja se on. Jotkut perusperiaatteet ovat kuitenkin samat kaikille eikä ole muuttuneet merkittävästi miljardeja vuosia, jos tarkastelemme hyvin pieniä tai hyvin suuria: Jätteet sammuvat ja tuoretta polttoainetta tulee sisään. Suuret eläimet tarvitsevat vain paljon monimutkaisia putkisto, jotta se olisi mahdollista.