Bakterier på størrelse med en hval

Inn og ut, inn og ut.

Å holde seg i live handler om

Å gjøre ting.

Akkurat nå forbrenner cellene dine glukosemolekyler med oksygen for å gjøre energi tilgjengelig, noe som holder deg i live i enda et dyrebart øyeblikk. For å få oksygenet til cellene du puster. Å puste er et svar på et veldig vanskelig problem: Hvordan får du ressursene som cellene dine trenger for å overleve, fra utsiden til innsiden av cellene dine? Hver levende ting må løse dette problemet, og løsningen er overraskende forskjellig avhengig av en av de viktigste regulatorene i livet: Størrelse. Som vi har diskutertr: På forskjellige skalaer har universets fysiske lover forskjellige konsekvenser for innbyggerne. Enkle ting som temperatur, mikrogravitasjon eller overflatespenning betyr ikke noe for deg eller er en dødelig fare - avhengig av hvor stor du er. Levende ting trenger mange forskjellige materialer for å holde seg i gang. Og de må på en eller annen måte transportere dem fra utsiden til innsiden. Dette var et stort problem for de første tingene på randen av å være i live, fordi det å gjøre noe i vårt univers krever energi. Og de første levende vesener på jorden hadde ikke den overflod av verktøy og teknikker tilgjengelig som livet har i dag etter milliarder av år med evolusjon.

Så helt i begynnelsen trengte livet å finne en måte å få gode ting inni og dårlige ting utenfor seg selv uten å bruke energi. Heldigvis var de aller første livsformene veldig, veldig små. Og fordi de var så små, kunne de bruke en gratis transportform som var basert på en fysisk lov som ble kalt diffusjon. Diffusjon er universets regel om at molekyler, spesielt i væsker eller gasser, hele tiden beveger seg i alle retninger. Og fordi de beveger seg rundt og støter på hverandre og andre molekyler, har de en tendens til å spre seg. Hvis du for eksempel slipper en sukkerbit i vann, er det mye sukker på ett sted og et annet sted er det ingen. Når sukkermolekyler oppløses i vannet, vil de begynne å støte tilfeldig mot vannmolekylene og andre sukkermolekyler. Sakte vil alle sukkermolekylene spre seg og danne flere faser med forskjellige konsentrasjoner. Disse tilfeldige bevegelsene fortsetter uendelig, til sukkeret på et eller annet tidspunkt vil spres jevnt i vannet. Det som er bra med diffusjon er at livet kan bruke det gratis, det krever ikke energi.

Og livet elsker gratis ting. Så alt liv på jorden er avhengig av diffusjon. La oss se på det minste levende vesenet på jorden, en bakterie. Spesielt overflatene. Cellemembraner tillater diffusjon av visse molekyler. Denne spesifikke bakterien bruker oksygen for å leve, mens karbondioksid produseres inne, som avfallsprodukt. Så inne i bakterien er det ikke mye oksygen, men mye karbondioksid. På grunn av diffusjon vil disse molekylene til slutt spre seg jevnt, slik at karbondioksidet diffunderer ut, mens oksygen kontinuerlig etterfylles utenfra. Men denne typen "pust" fungerer bare for den veldig lille verdenen. For bakterier, amøber eller cellene dine og noen få veldig små dyr.

Insekter har for eksempel et fint nettverk av luftrør, tunneler med trykkgradient, hvor luft veldig sakte kan diffundere inn og bytte gasser med insektcellene. Men selv insekter ser ut til å kunne trekke seg i luftrøret, og i det minste har noen til og med spesialiserte pusteorganer som spirakler og luftsekker. På visse skalaer er diffusjon bare for sakte til å holde cellene i live. Det grunnleggende problemet er at utvekslingen med miljøet bare kan skje på overflaten, og diffusjon av materialer kan bare opprettholde en viss mengde innsiden. Små levende ting har bare litt innside, volum og mye ute eller overflate.

Men hva om vi ønsket å lage

En bakterie på størrelse med en blåhval og hadde en veldig praktisk utvidelsesmaskin? vi vil dessverre bli rotet av den firkantede kubeloven.

I et nøtteskall betyr det at hvis du lager noe ti ganger større, ville utsiden eller overflaten vokse med 100, men innsiden, eller volumet vokser 1000 ganger. Hvis vi sammenligner bakterien Pseudomonas aeruginosa med en blåhval, ser vi at bakterien har 10 000 000 ganger mer overflate i forhold til volumet enn hvalen. Bakterien har mange utsider, mens hvalen har mange innsider. Hvis vi lager en bakterie på størrelse med en hval - har våre gigantiske bakterier nå for mye innside, og det meste av innsiden er nå veldig langt fra overflaten.

Oksygenet vår bakterie trenger, ville aldri komme inn på innsiden før det ville gå tom for oksygen. Vår gigantiske bakterie ville bare dø. Å være større har likevel mange oppturer. Fra å være vanskeligere å bli spist til å gjøre det lettere å spise andre. Men størrelsen på celler er begrenset av avstanden oksygen og næringsstoffer kan effektivt diffundere for å gi innsiden nok ressurser. Så livet unngikk dette problemet ved å danne flercellede strukturer - vesener sammensatt av mange celler i stedet for en. Fordi diffusjon fungerer bedre hvis du har mange små enheter i stedet for en mye større. Over tid begynte cellekompisene å dele arbeid og spesialisere seg. Noen celler konsentrerte seg om å føle miljøet, andre på fordøyelsen, andre på bevegelse. Men det var fortsatt ikke nok.

Problemet med diffusjon og overflate- og energiproduksjon forble, og begrenset størrelsen disse første flercellede livsformene kunne oppnå. For å bli enda større - løste livet diffusjonsproblemet ved å ha hull og huler og tunneler og ved å brette seg inn i seg selv, slik at diffusjon kunne skje lett i hver av cellene. Ta deg selv: Det du anser som utsiden din, huden din, har et overflateareal på ca 2 kvadratmeter. Men lungene dine har et areal på omtrent 70 kvadratmeter. De er ikke som ballonger, de er mer som svamper fylt med mange tettpakket små ballonger, omgitt av blodkar. Når du puster inn, fylles alle disse små ballongene med frisk luft. Blod fylt med CO2 pumpes rundt ballongene. Og da skjer diffusiens magi. Oksygenet diffunderer inn i blodet der det blir plukket opp av røde blodlegemer. Og CO2 diffunderer ut av blodet og inn i lungene, hvor det kan pustes ut igjen.

Blodet ditt fører deretter oksygenrikt blod inn i kroppens lengste hjørner og henter CO2-avfallet. Diffusjon i kroppen er effektiv omtrent en millimeter, så hver celle i kroppen din er maksimalt en milimeter unna et blodkar. Så mellomstore dyr som deg trenger mange blodkar for å nå hver celle i kroppen. Kroppen din har rundt 100.000 kilometer med kapillærer alene, den minste av blodkarene dine, med et overflateareal på rundt 1000 kvadratmeter. Dette gjelder for alle deler av deg som ønsker å utveksle noe med omverdenen. Kroppen din trenger overflater for å ta inn næringsstoffer fra maten din, så tarmen din har overflaten på en halv badmintonbane, omtrent 40 kvadratmeter. Jo større du er, jo mer skjulte overflater trenger du. Ta et tre. Måten å holde seg i live er å skape sukker ut av tynn luft og sollys. Så det trenger så mye overflate som mulig.

Et appelsintre med to tusen blader har et bladoverflate på 200 kvadratmeter. Men overflaten inne i bladene der diffusjon faktisk forekommer er 6000 kvadratmeter. Det samme med røtter, der vann diffunderer fra jorden til utallige små hår som maksimerer overflatearealet. Røttene til en kvadratmeter gress legger opp til rundt 350 kvadratmeter overflate! Hvis vi ser på det fantastiske mangfoldet i livet på denne planeten, virker det som om alt er ganske annerledes. Og det er. Men noen grunnleggende prinsipper er de samme for alle og har ikke endret seg nevneverdig i milliarder av år, hvis vi ser på de veldig små eller de veldig store: Avfall slukkes og ferskt drivstoff kommer inn. Store dyr trenger bare mye kompleks rørleggerarbeid for å gjøre det mulig.