Bakterier lika stora som en val
In och ut, in och ut.
Att hålla sig vid liv handlar om
Att göra saker.
I andra hand förbränner dina celler glukosmolekyler med syre för att göra energi tillgänglig, vilket håller dig vid liv i ytterligare ett värdefullt ögonblick. För att få syret till dina celler som du andas. Andning är ett svar på ett mycket svårt problem: Hur får du de resurser som dina celler behöver för att överleva, från utsidan till insidan av dina celler? Alla levande saker måste lösa detta problem och lösningen är förvånansvärt olika beroende på en av de viktigaste tillsynsmyndigheterna i livet: Storlek. Som vi har diskuterat: På olika skalor har universums fysiska lagar olika konsekvenser för dess invånare. Enkla saker som temperatur, mikrogravitation eller ytspänning kanske inte spelar någon roll för dig eller är en dödlig fara - beroende på hur stor du är. Levande saker behöver mycket olika material för att hålla sig igång. Och de måste på något sätt transportera dem från utsidan till insidan. Detta var ett stort problem för de första sakerna på väg att leva, för att göra någonting i vårt universum kräver energi. Och de första levande varelserna på jorden hade inte det överflöd av verktyg och tekniker som finns i livet idag efter miljarder år av evolution.
Så i början behövde livet hitta ett sätt att få bra saker inuti och dåliga saker utanför sig själv utan att använda energi. Lyckligtvis var de allra första livsformerna väldigt, väldigt små. Och eftersom de var så små kunde de använda en gratis transportform som baserades på en fysisk lag som kallades diffusion. Diffusion är universums regel att molekyler, särskilt i vätskor eller gaser, hela tiden rör sig i alla riktningar. Och eftersom de rör sig runt och stöter på varandra och andra molekyler, tenderar de att spridas. Till exempel, om du tappar en sockerbit i vatten så finns det mycket socker på ett ställe och på ett annat ställe finns det inget. När sockermolekyler löses upp i vattnet börjar de slumpmässigt stöta mot vattenmolekylerna och andra sockermolekyler. Långsamt kommer alla sockermolekyler att spridas och bilda flera faser med olika koncentrationer. Dessa slumpmässiga rörelser fortsätter oändligt, tills sockret någon gång sprids jämnt i vattnet. Det fantastiska med diffusion är att livet kan använda det gratis, det behöver inte energi.
Och livet älskar fria saker. Så allt liv på jorden är beroende av diffusion. Låt oss titta på den minsta levande varelsen på jorden, en bakterie. Specifikt dess ytor. Cellmembran möjliggör diffusion av vissa molekyler. Denna specifika bakterie förbrukar syre för att leva medan koldioxid produceras inuti, som en avfallsprodukt. Så inuti bakterien finns det inte mycket syre, men mycket koldioxid. På grund av diffusion sprids dessa molekyler så småningom jämnt, så koldioxiden diffunderar ut medan syre ständigt fylls på från utsidan. Men denna typ av "andning" fungerar bara för den mycket lilla världen. För bakterier, amöber eller dina celler och några mycket små djur.
Insekter har till exempel ett fint nätverk av luftstrupe, tunnlar med en tryckgradient, där luft mycket långsamt kan diffundera in och utbyta gaser med insektscellerna. Men även insekter verkar kunna dra ihop sig i luftstrupen och åtminstone vissa har till och med specialiserade andningsorgan som spiraklar och luftsäckar. Vid vissa skalor är diffusionen alldeles för långsam för att hålla cellerna vid liv. Det grundläggande problemet är att utbytet med miljön bara kan ske på ytan och spridning av material kan bara upprätthålla en viss mängd insida. Små levande saker har bara lite insida, volym och mycket utsida eller yta.
Men tänk om vi ville skapa en
Bakterie på storleken av en blåhval och hade en mycket bekväm förstoringsmaskin? vi skulle tyvärr bli trasslade av fyrkantiga kublagar.
I ett nötskal betyder det att om du gör något tio gånger större skulle dess utsida eller yta växa med 100 men dess insida, eller volymen växer med 1000 gånger. Om vi jämför bakterien Pseudomonas aeruginosa med en blåhval, ser vi att bakterien har 10 000 000 gånger mer yta i förhållande till sin volym än valen. Bakterien har många utsidor, medan valen har många insidor. Om vi gör en bakterie lika stor som en val - har våra jättebakterier nu för mycket insida och det mesta av dess insida är nu mycket långt ifrån dess yta.
Syret som vår bakterie behöver skulle aldrig nå insidan innan det skulle ta slut på syre. Vår jättebakterie skulle bara dö. Att vara större har ändå många uppgångar. Från att vara svårare att ätas till att göra det lättare att äta andra. Men cellens storlek begränsas av avståndet syre och näringsämnen kan effektivt diffundera för att ge insidan tillräckligt med resurser. Så livet undvek detta problem genom att bilda multicellulära strukturer -. Varelser som består av många celler istället för en. Eftersom diffusion fungerar bättre om du har många små enheter istället för en mycket större. Med tiden började cellkompisarna dela arbete och specialisera sig. Vissa celler koncentrerade sig på att känna av miljön, andra på matsmältningen, andra på rörelse.
Men det var fortfarande inte tillräckligt. Problemet med diffusion och yt- och energiproduktion kvarstod, vilket begränsade storleken dessa första flercelliga livsformer kunde uppnå. Så för att bli ännu större - livet löste diffusionsproblemet genom att ha hål och grottor och tunnlar och genom att vika in sig själv, så diffusion kunde lätt hända i var och en av cellerna. Ta dig själv: Vad du anser vara din utsida, din hud, har en yta på cirka 2 kvadratmeter. Men dina lungor har en yta på cirka 70 kvadratmeter. De är inte som ballonger, de är mer som svampar fyllda med många tätt packade små ballonger, omgivna av blodkärl. När du andas in fylls alla dessa små ballonger med frisk luft. Blod fyllt med CO2 pumpas runt ballongerna. Och sedan händer diffusions magi. Syret diffunderar in i blodet där det plockas upp av röda blodkroppar.
Och koldioxid sprids ut ur blodet och in i lungorna, där det kan andas ut igen. Ditt blod transporterar sedan syrerikt blod in i kroppens längsta hörn och plockar upp koldioxidavfallet. Diffusion i kroppen är effektiv ungefär en millimeter, så varje cell i din kropp är högst en milimeter från ett blodkärl. Så medelstora djur som du behöver många blodkärl för att nå varje cell i kroppen. Din kropp har cirka 100 000 kilometer kapillärer ensam, den minsta av dina blodkärl, med en yta på cirka 1000 kvadratmeter. Detta gäller för alla delar av dig som vill utbyta något med omvärlden. Din kropp behöver ytor för att ta in näringsämnen från maten, så din tarm har en yta på en halv badmintonbana, ungefär 40 kvadratmeter. Ju större du är, desto mer dolda ytor behöver du. Ta ett träd. Dess sätt att hålla sig vid liv är att skapa socker ur luften och solljus.
Så det behöver så mycket yta som möjligt. Ett apelsinträd med två tusen blad har en bladyta på 200 kvadratmeter. Men ytan inuti bladen där diffusion faktiskt sker är 6000 kvadratmeter. Detsamma med rötter, där vatten diffunderar från jorden till otaliga små hårstrån som maximerar ytan. Rötterna till en kvadratmeter gräs läggs till cirka 350 kvadratmeter yta! Om vi tittar på den fantastiska mångfalden av livet på denna planet verkar det som om allt är ganska annorlunda. Och det är. Men några grundläggande principer är desamma för alla och har inte förändrats väsentligt på miljarder år, om vi tittar på det väldigt små eller det väldigt stora: Avfall slocknar och färskt bränsle kommer in. Stora djur behöver bara mycket komplexa VVS för att göra det möjligt.