Des bactéries de la taille d'une baleine
Entrer et sortir, entrer et sortir.
Rester en vie, c'est faire des choses.
À cette seconde, vos cellules brûlent des molécules de glucose avec de l'oxygène pour rendre l'énergie disponible, ce qui vous maintient en vie pour un autre moment précieux. Pour amener l'oxygène dans vos cellules, vous respirez. La respiration est une réponse à un problème très difficile: comment obtenir les ressources dont vos cellules ont besoin pour survivre, de l'extérieur vers l'intérieur de vos cellules? Chaque être vivant doit résoudre ce problème et la solution est étonnamment différente selon l'un des régulateurs les plus importants de la vie: la taille. Comme nous l'avons évoqué dans: À différentes échelles, les lois physiques de l'univers ont des conséquences différentes pour ses habitants. Des choses simples comme la température, la microgravité ou la tension superficielle peuvent ne pas vous intéresser ou représenter un danger mortel , selon votre taille. Les êtres vivants ont besoin de beaucoup de matériaux différents pour se maintenir. Et ils doivent en quelque sorte les transporter de l'extérieur vers l'intérieur. C'était un énorme problème pour les premières choses sur le point d'être en vie, car faire quoi que ce soit dans notre univers nécessite de l'énergie. Et les premiers êtres vivants sur terre n'avaient pas l'abondance d'outils et de techniques disponibles que la vie a aujourd'hui après des milliards d'années d'évolution.
Donc, au tout début, la vie avait besoin de trouver un moyen d'obtenir de bonnes choses à l'intérieur et de mauvaises choses à l'extérieur d'elle-même sans utiliser d'énergie. Heureusement, les toutes premières formes de vie étaient très, très petites. Et parce qu'ils étaient si petits, ils ont pu utiliser un moyen de transport gratuit basé sur une loi physique appelée diffusion. La diffusion est la règle de l'univers selon laquelle les molécules, en particulier dans les liquides ou les gaz, se déplacent constamment dans toutes les directions. Et parce qu'ils se déplacent et se heurtent les uns aux autres et à d'autres molécules, ils ont tendance à se propager. Par exemple, si vous déposez un morceau de sucre dans l'eau, il y a beaucoup de sucre à un endroit et à un autre, il n'y en a pas. Au fur et à mesure que les molécules de sucre se dissolvent dans l'eau, elles commenceront à se heurter au hasard contre les molécules d'eau et d'autres molécules de sucre. Lentement, toutes les molécules de sucre se répandront et formeront plusieurs phases de concentrations différentes. Ces mouvements aléatoires se poursuivent indéfiniment, jusqu'à ce qu'à un moment donné, le sucre se répande uniformément dans l'eau. Le grand avantage de la diffusion est que la vie peut l'utiliser gratuitement, elle ne nécessite pas d'énergie.
Et la vie aime les choses gratuites. Toute vie sur terre repose donc sur la diffusion. Regardons le plus petit être vivant sur terre, une bactérie. Plus précisément ses surfaces. Les membranes cellulaires permettent la diffusion de certaines molécules. Cette bactérie spécifique consomme de l'oxygène pour vivre, tandis que du dioxyde de carbone est produit à l'intérieur, comme déchet. Donc, à l'intérieur de la bactérie, il n'y a pas beaucoup d'oxygène, mais beaucoup de dioxyde de carbone. En raison de la diffusion, ces molécules finiront par se répandre uniformément, de sorte que le dioxyde de carbone se diffuse, tandis que l'oxygène est constamment renouvelé de l'extérieur. Mais ce genre de «respiration» ne fonctionne que pour le très petit monde. Pour les bactéries, les amibes ou vos cellules et quelques très petits animaux.
Les insectes, par exemple, ont un fin réseau de trachées, des tunnels avec un gradient de pression, où l'air peut très lentement diffuser et échanger des gaz avec les cellules d'insectes. Mais même les insectes semblent être capables de contracter leur trachée et au moins certains ont même des organes respiratoires spécialisés comme des spiracles et des sacs à air. À certaines échelles, la diffusion est trop lente pour maintenir les cellules en vie. Le problème fondamental est que l'échange avec l'environnement ne peut se faire qu'en surface et que la diffusion des matériaux ne peut supporter qu'une certaine quantité de l'intérieur. Les petits êtres vivants n'ont qu'un peu de volume intérieur ou de volume et beaucoup de surface extérieure ou de surface.
Mais que se passerait-il si nous voulions
Créer une bactérie de la taille d'une baleine bleue et disposions d'une machine d'agrandissement très pratique? nous serions malheureusement perturbés par la loi du cube carré.
En un mot, cela signifie que si vous faites quelque chose de dix fois plus grand, son extérieur ou sa surface augmenterait de 100 mais son intérieur ou son volume augmenterait de 1000 fois. Si nous comparons la bactérie Pseudomonas aeruginosa avec une baleine bleue, nous voyons que la bactérie a 10 000 000 fois plus de surface par rapport à son volume que la baleine. La bactérie a beaucoup d'extérieurs, tandis que la baleine a beaucoup d'intérieurs. Si nous fabriquons une bactérie de la taille d'une baleine, notre bactérie géante a maintenant trop à l'intérieur et la majeure partie de son intérieur est maintenant très loin de sa surface.
L'oxygène dont notre bactérie a besoin n'atteindrait jamais l'intérieur avant de manquer d'oxygène. Notre bactérie géante mourrait tout simplement. Pourtant, être plus grand a de nombreux avantages. D'être plus difficile à manger pour faciliter la consommation des autres. Mais la taille des cellules est limitée par la distance que l'oxygène et les nutriments peuvent efficacement diffuser pour fournir à l'intérieur suffisamment de ressources. La vie a donc évité ce problème en formant des structures multicellulaires - des êtres composés de plusieurs cellules au lieu d'une. Parce que la diffusion fonctionne mieux si vous avez plusieurs petites unités au lieu d'une beaucoup plus grande. Au fil du temps, les copains de cellule ont commencé à partager leur travail et à se spécialiser. Certaines cellules se sont concentrées sur la détection de l'environnement, d'autres sur la digestion, d'autres sur le mouvement. Mais cela ne suffisait toujours pas.
Le problème de la diffusion et de la production de surface et d'énergie demeure, limitant la taille que ces premières formes de vie multicellulaires peuvent atteindre. Donc, pour devenir encore plus grand, la vie a résolu le problème de la diffusion en ayant des trous, des grottes et des tunnels et en se repliant sur elle-même, de sorte que la diffusion pouvait se produire facilement dans chacune des cellules. Prenez-vous: ce que vous considérez comme votre extérieur, votre peau, a une superficie d'environ 2 mètres carrés. Mais vos poumons ont une superficie d'environ 70 mètres carrés. Ils ne sont pas comme des ballons, ils ressemblent plus à des éponges remplies de nombreux petits ballons serrés, entourés de vaisseaux sanguins. Lorsque vous inspirez, tous ces petits ballons se remplissent d'air frais. Le sang rempli de CO2 est pompé autour des ballons. Et puis la magie de la diffusion se produit. L'oxygène se diffuse dans le sang où il est capté par les globules rouges. Et le CO2 se diffuse hors du sang et dans vos poumons, où il peut être expiré à nouveau.
Votre sang transporte ensuite le sang riche en oxygène dans les coins les plus éloignés de votre corps et récupère les déchets de CO2. La diffusion dans le corps est efficace à environ un millimètre, de sorte que chaque cellule de votre corps est au plus à un millimètre d'un vaisseau sanguin. Les animaux de taille moyenne comme vous ont donc besoin de beaucoup de vaisseaux sanguins pour atteindre toutes les cellules du corps. Votre corps possède à lui seul environ 100 000 kilomètres de capillaires, le plus petit de vos vaisseaux sanguins, avec une superficie d'environ 1 000 mètres carrés. Cela est vrai pour toutes les parties de vous qui veulent échanger quelque chose avec le monde extérieur. Votre corps a besoin de surfaces pour absorber les nutriments de votre nourriture, donc votre intestin a la surface d'un demi-terrain de badminton, soit environ 40 mètres carrés. Plus vous êtes grand, plus vous avez besoin de surfaces cachées. Prenez un arbre. Sa façon de rester en vie est de créer du sucre à partir de l'air mince et de la lumière du soleil. Il faut donc autant de surface que possible.
Un oranger à deux mille feuilles a une surface foliaire de 200 mètres carrés. Mais la surface à l'intérieur des feuilles où se produit réellement la diffusion est de 6000 mètres carrés. La même chose avec les racines, où l'eau diffuse du sol dans d'innombrables petits poils qui maximisent la surface. Les racines d'un mètre carré d'herbe totalisent environ 350 mètres carrés de surface! Si nous regardons la diversité époustouflante de la vie sur cette planète, il semble que tout est assez différent. Et c'est. Mais certains principes de base sont les mêmes pour tout le monde et n'ont pas changé de manière significative depuis des milliards d'années, si l'on considère le très très petit ou le très très grand: les déchets sortent et du carburant neuf entre. Les gros animaux ont juste besoin de beaucoup de complexe plomberie pour rendre cela possible.