Физические способы ускорения обмена веществ

В процессе эволюции из простейших одноклеточных организмов образовались многоклеточные. При этом размеры клеток остались в пределах одного порядка величин. Почему размеры клеток так малы (1−20 мкм)? В чем выгода деления клеток вместо роста их размеров? Во многом причины чисто физические, обусловленные объективным действием физических законов.

Все живые организмы стремятся ускорить обмен веществ — это способствует быстрому росту, достижению половой зрелости и воспроизводству, го есть выживанию вида в целом. Обмен веществ зависит от двух факторов: от скорости подхода питательных веществ к клетке и от скорости химических реакций в клетке. Эксперимент показывает, что скорость реакций внутри клетки обычно выше скорости подхода питательных веществ. Каким образом одноклеточные организмы могут увеличить скорость подхода необходимых продуктов питания?

Рассмотрим простую модель неподвижного одноклеточного организма в виде закрепленной сферы (см. рис. 132). Если клетка неподвижна, то основным процессом транспорта является диффузия. По определению это направленный поток молекул данного сорта, вызванный градиентом их концентрации. В отличие от упорядоченного механического перемещения, диффузия поддерживается тепловым хаотическим.

Рис. 132. Схема встречной диффузии веществ

движением всех молекул окружающей среды. Пока есть различие концентраций внутри организма и вне его, диффузионный транспорт питательного вещества (например сахара) к клетке происходит. В результате частичного усвоения образуются отходы (шлаки), это может быть просто вода и углекислый газ (как при окислении сахара или глюкозы), аммиак, мочевина, угольная кислота Н₂СОз, продукты распада гемоглобина (урохром) и других белков. В окружающей клетку среде концентрация таких веществ мала и возникает встречная диффузия шлаков из объема клетки.

Рис. 133. Бактерия со жгутиком

Что будет происходить вокруг неподвижной клетки? Во-первых, обеднение слоя питательных веществ, во-вторых, накопление в приповерхностном (наружном) слое молекул отходов. Это приводит к уменьшению соответствующих градиентов концентраций, и потоки веществ уменьшаются. Клетка начинает голодать и отравляться шлаками. Простейший способ избежать подобной ситуации — использование механического перемещения. Некоторые простейшие организмы «предпочли» двигаться сами в окружающей их среде, другие выработали приспособления для активного влияния на среду: реснички, ворсинки, жгутики, с их помощью создается движение среды в приповерхностном слое, вызывающее приток питательных и рассеяние отработанных веществ. У многих простейших организмов имеются жгутики, окончания которых вращаются с угловой скоростью 50 оборотов за секунду (рис. 133). Эта величина сопоставима со скоростью вращения валов макроскопических моторов — 3000 оборотов в минуту! Так как масса клетки мала, жгутик может создавать значительное ускорение при небольшой силе тяги.

Бактериальные жгутики представляют собой тонкие полые нити длиной 15−20 нм, стенки которых образованы молекулами белка флагелина, жгутик прикреплен к базальному тельцу в мембране клетки. Считают, что оно приводит жгутик во вращение за счет разности потенциалов на поверхности мембраны. Если диффузию можно назвать пассивным видом транспорта веществ, то механическое движение создает транспорт активный.

Необходимость движения диктуется ещё одним обстоятельством — энсрговыделенисм клетки. Оно может быть значительным, если сравнивать удельные величины. Подсчитано, что на единицу объема бактерия выделяет больше энергии, чем Солнце! Этот результат получается просто потому, что объем бактерии очень мал, при делении на малую величину результат получается значительным, даже от выделения небольшой энергии химических реакций.

Законы термодинамики едины для неживого и живого, и коэффициент полезного действия биологической машины не может достигать единицы. Часть энергии обязательно преобразуется в тепловыделение, без достаточного теплообмена с внешней средой клетка будет перегреваться до такой степени, что это будет несовместимо с её жизнью (из-за денатурации белков например). Механическое движение в среде усиливает теплообмен и снижает температуру одноклеточных организмов.

Однако для процессов теплообмена критическим параметром является отношение объема (в котором находятся источники тепла) к поверхности теплообмена. Мы приняли сферическую модель простейшего организма, для неё это отношение равно максимально возможному (наибольший объем к наименьшей поверхности). С точки зрения теплообмена это самый плохой вариант (из-за малости площади обмена). Для цилиндра ситуация становится лучше — при равных объемах поверхность цилиндра в 1,6 раз больше. Поэтому форма клеток эритроцитов (красных кровяных телец) ближе к цилиндрической, чем к сферической. Эритроциты имеют форму круглой «лепешечки», несколько вдавленной в средней её части.

При любой геометрической форме тел их объемы растут пропорционально кубу характеристического размера, а поверхность растет пропорционально его квадрату. Можно сказать, что поверхность «не успевает» за ростом объема, когда с течением времени масса одноклеточного организма возрастает (особенно при хорошем питании). К чему это приводит?

Как теплообмен, так и обмен потоками веществ происходит через поверхность клетки. Если величина поверхности отстает от оптимального размера, то клетка начинает голодать. Кроме того, будет затруднен вывод шлаков, некоторые из них в большом количестве действуют как отравляющие вещества (к примеру аммиак). Выход из кризисного состояния подсказывают законы природы: чтобы продолжался процесс накопления массы живого вещества, клетка должна радикально изменить форму, то есть разделиться. Простые арифметические расчеты покажут Вам, что при условии М = М + М₂ отношение суммарной площади двух капель к суммарному их объему будет больше, чем для одной большой капли.

Так что можно сказать, что ограничение характеристических размеров клеток микронным уровнем является объективным требованием законов физики, химии и геометрии. Они должны действовать как на Земле, так и на других планетах, где созданы подходящие для жизни условия. В качестве иллюстрации к сказанному на рис. 134 показана форма простейших бактерий. Сначала это сферы — кокки, затем происходит удвоение до диплококков, потом появляются стрептококки и далее — бациллы, вибрионы, спирохеты.

Рис. 134. Форма простейших организмов — бактерий.

Слева направо: кокки, диплококки, стрептококки, бациллы, диплобациллы, вибрионы, спириллы, спирохеты

Задания для самостоятельной работы

• 1. Перечислите названия планет Солнечной системы, начиная от Солнца. Знаете ли Вы об исключении Плутона из числа планет Солнечной системы (переведен в группу малых планет, куда входят Сесна, Куазуоар и другие малые небесные тела)?
• 2. Перечислите, какие отдельные слои выделяют в атмосфере Земли в порядке их удаления от поверхности Земли.
• 3. В качестве антисептического мероприятия в операционных палатах производят их освещение ультафиолстовой лампой. Как Вы думаете, почему?
• 4. Запишите в рабочей тетради какую-либо фразу из 5−6 слов. Вставьте между ними «ингроны» в видеингрон№ 1- интрон № 2 — и т. д. Затем имитируйте процедуру альтернативного сплайсинга, «вырезая» из текста интроны так, чтобы сшивались слова фразы по разным вариантам. Не переставляйте местами слова фразы, вырезайте все последующие слова вместе с «нитронами». Сколько вариантов Вы сможете получить в итоге?