Bakterije velikosti kita

Noter in ven, noter in ven.

Če ostaneš živ, je treba delati stvari.

Ta trenutek vaše celice sežgajo molekule glukoze s kisikom, da dajo na voljo energijo, ki vas ohrani še en dragocen trenutek. Da pridete do kisika v celice, dihate. Dihanje je odgovor na zelo težko težavo: kako do virov, ki jih potrebujejo vaše celice za preživetje, od zunaj do notranjosti celic? Vsako živo bitje mora rešiti to težavo in rešitev je presenetljivo različna, odvisno od enega najpomembnejših regulatorjev življenja: velikosti. Kot smo že razpravljali v , imajo fizikalni zakoni vesolja v različnih merilih različne posledice za njegove prebivalce. Preproste stvari, kot so temperatura, mikrogravitacija ali površinska napetost, vam morda ne bodo pomembne ali bodo smrtno nevarne - odvisno od tega, kako veliki ste. Živa bitja potrebujejo veliko različnih materialov, da se obdržijo. In nekako jih morajo prevažati od zunaj navznoter. To je bil velik problem za prve stvari, ki so na meji, da bodo še živele, kajti kar koli v našem vesolju zahteva energijo. In prva živa bitja na zemlji niso imela na voljo dovolj orodij in tehnik, kot jih ima življenje danes po milijardah let evolucije.

Torej na samem začetku je življenje moralo najti način, kako dobiti dobre stvari znotraj in slabe stvari zunaj sebe, ne da bi porabilo energijo. Na srečo so bile prve oblike življenja zelo, zelo majhne. In ker so bili tako majhni, so lahko uporabili brezplačno obliko prevoza, ki je temeljila na fizikalnem zakonu, imenovanem difuzija. Difuzija je pravilo vesolja, da se molekule, zlasti v tekočinah ali plinih, nenehno gibljejo v vseh smereh. In ker se premikajo in trčijo drug v drugega in druge molekule, se navadno širijo. Če na primer kocko sladkorja spustite v vodo, je na enem mestu veliko sladkorja, na drugem mestu pa ga ni. Ko se molekule sladkorja raztopijo v vodi, se začnejo naključno zaletavati v molekule vode in druge molekule sladkorja. Počasi se vse molekule sladkorja razširijo in tvorijo več faz različnih koncentracij. Ta naključna gibanja se nadaljujejo neskončno, dokler se sladkor na neki točki ne bo enakomerno porazdelil po vodi. Odlična stvar difuzije je, da jo življenje lahko uporablja brezplačno, ne potrebuje energije.

In življenje ljubi brezplačne stvari. Vse življenje na zemlji je torej odvisno od difuzije. Poglejmo si najmanjše živo bitje na svetu, bakterijo. Natančneje njegove površine. Celične membrane omogočajo difuzijo nekaterih molekul. Ta specifična bakterija porabi kisik za življenje, medtem ko ogljikov dioksid nastaja znotraj odpadkov. Torej znotraj bakterije ni veliko kisika, ampak veliko ogljikovega dioksida. Zaradi difuzije se bodo te molekule sčasoma enakomerno širile, zato se ogljikov dioksid razprši, medtem ko se kisik nenehno polni od zunaj. Toda tovrstno "dihanje" deluje le za zelo majhen svet. Za bakterije, amebe ali vaše celice in nekaj zelo majhnih živali.

Insekti imajo na primer fino mrežo sapnika, rove z gradientom tlaka, kjer lahko zrak zelo počasi difundira in izmenjuje pline s celicami žuželk. Toda zdi se, da celo žuželke lahko skrčijo sapnik in imajo vsaj nekateri celo posebne dihalne organe, kot so spirale in zračne vreče. V nekaterih lestvicah je difuzija prepočasna, da bi celice ostale žive. Temeljni problem je, da se izmenjava z okoljem lahko zgodi le na površini, difuzija materialov pa lahko vzdržuje le določeno količino v notranjosti. Drobna živa bitja imajo le malo notranjosti ali prostornine in veliko zunanjosti ali površine.

Kaj pa, če bi želeli ustvariti bakterijo

V velikosti modrega kita in bi imeli zelo priročen stroj za povečanje? žal bi nas zmotil zakon kvadratne kocke.

Na kratko pomeni, da če naredite nekaj, kar je desetkrat večje, bi njegova zunanja ali površina narasla za 100, njegova notranjost ali prostornina pa bi se povečala za 1000-krat. Če bakterijo Pseudomonas aeruginosa primerjamo z modrim kitom, vidimo, da ima bakterija 10.000.000 krat več površine glede na prostornino kot kit. Bakterija ima veliko zunanjosti, medtem ko ima kit veliko notranjosti. Če naredimo bakterijo velikosti kita - ima naša velikanska bakterija preveč notranjosti in večina njene notranjosti je zdaj zelo daleč od njene površine.

Kisik, ki ga potrebuje naša bakterija, nikoli ne bi prišel v notranjost, preden bi mu zmanjkalo kisika. Naša velikanska bakterija bi kar umrla. Kljub temu pa ima biti večji veliko prednosti. Od tega, da vas je težje pojesti, da bi lažje pojedli druge. Velikost celic pa je omejena z razdaljo kisika in hranilnih snovi se lahko učinkovito razpršijo, da v notranjosti dobijo dovolj virov. Življenje se je torej temu problemu izognilo tako, da je oblikovalo večcelične strukture - bitja, sestavljena iz več celic namesto iz ene. Ker difuzija deluje bolje, če imate veliko majhnih enot namesto ene veliko večje. Sčasoma so celični prijatelji začeli deliti delo in se specializirati. Nekatere celice so se osredotočile na zaznavanje okolja, druge na prebavo, druge na gibanje. A to še vedno ni bilo dovolj.

Problem difuzije ter površinske in energetske proizvodnje je ostal, kar omejuje velikost teh prvih večceličnih oblik življenja. Da bi torej postalo še večje - je življenje difuzijsko težavo rešilo tako, da je imelo luknje, jame in rove ter da se je zložilo vase, tako da bi se difuzija zlahka zgodila v vsaki od celic. Vzemite si: Kar mislite, da je vaša zunanjost, vaša koža, približno 2 kvadratna metra. Toda vaša pljuča imajo površino približno 70 kvadratnih metrov. Niso kot baloni, bolj kot gobice, napolnjene s številnimi tesno zapakiranimi drobnimi baloni, obkroženimi s krvnimi žilami. Ko vdihnete, se vsi ti majhni baloni napolnijo s svežim zrakom. Okoli balonov se črpa kri, napolnjena s CO2. In potem se zgodi čarovnija difuzije. Kisik se razprši v kri, kjer ga poberejo rdeče krvne celice. In CO2 difundira iz krvi v vaša pljuča, kjer ga lahko spet izdihnemo.

Nato kri prenaša kri, bogato s kisikom, v najbolj oddaljene kote telesa in pobira odpadke CO2. Difuzija v telesu je učinkovita približno en milimeter, zato je vsaka celica v telesu oddaljena največ en milimeter od krvne žile. Torej srednje velike živali, kot ste vi, potrebujejo veliko krvnih žil, da dosežejo vsako celico v telesu. Samo vaše telo ima približno 100.000 kilometrov kapilar, najmanjših krvnih žil, s površino približno 1000 kvadratnih metrov. To velja za vse dele vas, ki želite nekaj zamenjati z zunanjim svetom. Vaše telo potrebuje površine, da iz hrane vnese hranila, zato ima vaše črevo površino polovice igrišča za badminton, približno 40 kvadratnih metrov. Večji kot ste, več skritih površin potrebujete. Vzemi drevo. Njegov način, da ostane živ, je ustvarjanje sladkorja iz zraka in sončne svetlobe. Torej potrebuje čim več površin.

Pomarančno drevo z dva tisoč listi ima površino listov 200 kvadratnih metrov. Toda površina znotraj listov, kjer dejansko pride do difuzije, je 6000 kvadratnih metrov. Enako je s koreninami, kjer se voda iz tal razprši v nešteto drobnih dlačic, ki površino povečajo. Korenine enega kvadratnega metra trave sestavljajo približno 350 kvadratnih metrov površine! Če pogledamo osupljivo raznolikost življenja na tem planetu, se zdi, da je vse precej drugače. In je. Toda nekatera osnovna načela so enaka za vse in se že milijarde let niso bistveno spremenila, če pogledamo zelo majhne ali zelo velike: odpadki gredo ven in vstopi sveže gorivo. Velike živali potrebujejo le veliko vodovod, da to omogoči.