Размер на клетките

В това видео ще говорим за размера на клетките и в частност колко малки могат да бъдат, както и кои фактори определят колко големи могат да бъдат те. Ето няколко снимки на клетки. Тук вдясно имаме снимка на бактериите Псевдомонас. Всяко едно от тези наподобяващи хапчета неща е бактериална клетка. И за да имаш представа за мащаба – диаметърът на това хапче е около един микрометър. Значи това тук е приблизително един микрометър, което се равнява на една милионна част от метъра. Или пък една хилядна от милиметъра – избери това, което ти помага да си го представиш по-добре. Дължината на тази клетка е около 5 микрометра. Това тук е приблизително 5 микрометра. Вляво виждаме снимка на клетки от човешкото тяло – червени кръвни телца. Те са с диаметър около 7 микрометра. И белите кръвни телца са в подобен мащаб. Да разгледаме нещо друго. Тук можем да видим човешки сперматозоид, който всеки момент ще проникне в човешка яйцеклетка. Човешките яйцеклетки са едни от най-големите клетки, особено измежду сферичните клетки. Тази клетка е с диаметър от порядъка на 100 микрометра. Много e готино, че всички тези снимки са в приблизително един и същ мащаб така че можеш да ги сравниш по големина. Първият въпрос, който трябва да си зададем, е колко малка може да бъде една клетка. Помисли си: клетката е жив организъм и всъщност е доста сложно устроена. Трябва да разполага с информация, има си ДНК, трябва да бъде способна да се дели – разполага с всички тези метаболитни механизми. Наскоро четох, че най-малките наблюдавани клетки, а защо не и най-малките клетки изобщо, макар че в бъдеще може би ще бъдат открити дори по-малки клетки, са с размер около няколкостотин нанометра. Не забравяй, че ширината на това хапче е 1000 нанометра, така че няколкостотин нанометра биха изглеждали така. 300 нанометра – такъв е размерът на най-малките клетки, познати на науката към момента, които са бактериални клетки, открити в Калифорнийския университет, Бъркли. Смятаме, че техният размер е доста близо до долната граница, защото, не забравяй, че в тях трябва да се съхранява цялата генетична информация и клетъчните механизми. Всичко това е сложно и би било трудно клетката да бъде по-малка. А колко голяма би могла да бъде? Един от факторите, определящи максималния размер на дадена клетка, наред с други фактори, е съотношението между обем и площ. Защо е от значение съотношението между обем и площ? Защото повърхността на клетката я свързва с това, което се намира около нея. Повърхността отговаря за приема на вещества и отделянето на непотребни продукти, затова всяка единица от площта трябва да преработва приходящите и изходящите вещества за определен обем от клетката. Както ще видим по-нататък, с растежа на клетката обемът и площта ѝ не нарастват равномерно – обемът расте по-бързо от площта на клетката. Колкото по-голяма става клетката, всяка единица площ трябва да обработва вещества за все повече и повече обем. В даден момент не може да се справи с тази задача – не може да поеме хранителни вещества и да се освободи от ненужните продукти достатъчно бързо. И за да си го представиш още по-добре, нека помислим по този въпрос от математическа гледна точка. Нека си представим, че имаме една сфера – чакай да я нарисувам малко по-триизмерна. Ако радиусът ѝ е r, обемът ѝ ще бъде (4/3)πr³. Нейната площ ще бъде равна на 4πr². Хайде сега да изчислим съотношението между обем и площ, защото всъщност точно то ни интересува. Площта ще бъде в жълто – значи отношението обем към площ ще бъде равно на (4/3)πr³ върху 4πr². За щастие, лесно можем да опростим тази дроб. 4 делено на 4 прави 1, π делено на π прави 1, r³ делено на r² ще бъде просто r, и така получаваме r/3. Ако обърнем внимание на мерните единици, всъщност става дума за кубични единици обем или кубични единици обем върху квадратни единици. Което прави r/3. Ще използваме това, за да видим какво се случва, когато клетката увеличи размера си многократно. За по-просто, нека се фокусираме върху това бяло кръвно телце и за да улесним сметките, нека приемем, че радиусът ѝ е 3 микрометра. Ще използвам различен цвят, за да е по-ясно, 3 микрометра. В този случай, съотношението между обема и площта на клетката ще бъде 3 микрометра, делено на 3, което дава 1 микрометър. Единица от 1 микрометър за обем на площ няма много смисъл. Еквивалентна единица би била 1 кубичен микрометър на квадратен микрометър, защото делим обема на площта и е ясно, че ако съкратим единиците и направим размерен анализ, ще ни остане този микрометър. Това ни помага да си го представим още по-добре, защото означава, че всеки квадратен микрометър трябва да се справя с един кубичен микрометър клетъчен обем. Значи квадратният микрометър за тази клетка ще бъде горе-долу с този размер и ще трябва да обработва средно един кубичен микрометър обем. Изглежда приемливо и наистина това е приемлив за клетка размер. Но какво би се случило, ако увеличим размера ѝ 1000 пъти, увеличавайки радиуса на клетката 1000 пъти? Очевидно тук мащабът не е същият като за предишната клетка, но да кажем, че намерим някакъв нов организъм или си измислим такъв, чийто клетъчен радиус, вместо да бъде 3 микрометра, (това тук беше 3 микрометра), ще бъде 3000 милионни от метъра. Имай предвид, че това не е огромен размер от човешка гледна точка, а е равно на 3 милиметра. Би могло да се види с просто око, тъй като човешкото око може да различи обекти с размер до една десета от милиметъра, което прави 100 микрометра. Това е приблизително 1/10 от милиметъра. При нормални условия ти едва можеш да видиш човешка яйцеклетка. Тази клетка тук също не би ни се сторила много голяма, но да видим какво се случва със съотношението между обем и площ. 3000 микрометра делено на 3 прави 1000 микрометра, или 1000 кубични микрометра на квадратен микрометър. Тоест всеки квадратен микрометър трябва да обработи един кубичен микрометър обем. Сега обаче имаме не един, а 1000 кубични микрометра обем, тоест много по-голям обем. Клетката ще се разпадне, защото няма да може да обменя газове, хранителни вещества и отпадъчни продукти достатъчно бързо, за да функционира. Така че съотношението обем-площ е изключително важно за клетките. Когато клетката расте, съотношението между обем и площ или маса е интересно, изобщо много съотношения са интересни и това е само едно от тях. Другият фактор, който е от значение при увеличаване размера на клетката, са големите разстояния, на които се пренасят вещества. Това също би могло да забави процесите, протичащи в клетката. Но съотношението между обем и площ е причината, поради която рядко се срещат много големи сферични клетки. Наблягам на сферичните клетки, тъй като съществуват много дълги клетки, като например нервните клетки. Те успяват да компенсират големия си размер чрез различни приспособителни механизми. Един от тях е просто да бъдат изключително тънки и дълги, така че това е един от механизмите, който им позволява да се възползват максимално от своята площ. Ето това е нервна клетка. Друг такъв механизъм е наличието на придатъци, които имат същата функция. С две думи, не всички клетки са сферични и разполагат с други адаптационни механизми, благодарение на които да използват максималния потенциал на площта си. Съществуват различни такива механизми, но изобразяването на клетката под формата на сфера не е странно и това е причината, поради която не се срещат клетки много по-големи от човешка яйцеклетка.