Velikost buněk

- V tomto videu se chci zamyslet nad velikostí buňky, hlavně nad tím, jak malé mohou buňky být a také nad tím, jaké faktory limitují, do jaké velikosti mohou vyrůst. A nějaké obrázky buněk tady mám, přímo tady mám obrázek bakterie pseudomonas, všechny tyhle věci ve tvaru pilulky jsou buňky bakterie. A jen abyste si udělali představu o správném měřítku, šířka této pilulky je jeden mikrometr. Takže tohle je přibližně jeden mikrometr, což je vlastně jedna miliontina metru. Nebo si to můžete představit jako tisícinu milimetru, cokoli, abyste měli nějakou představu. A pak délka, tady, to je přibližně pět mikrometrů. Tohle je přibližně pět mikrometrů. No a tady mám obrázky nějakých buněk, které byste mohli najít v lidském těle, tohle jsou červené krvinky, ty mají průměr asi sedm mikrometrů. A vidíte, že podobný rozměr mají i tyhle bílé krvinky a nějaké další věci tady. A tady vidíme lidskou spermii, která se chystá proniknout do lidského vajíčka. A lidské vajíčko je jedna z největších buněk, které existují, obzvlášť pokud mluvíme o sférických buňkách. A tahle buňka tady bude mít průměr přibližně sto mikrometrů. Takže první otázka... A je fajn, že všechny tyhle obrázky mají skoro stejné měřítko, takže je možné je skoro i porovnávat... Ale první otázka, kterou si položíme, je: Jak malá může buňka být? A zamyslete se - buňka je živá věc, je vlastně docela složitá. Musí nést informace, má DNA, musí být schopná replikace, má metabolické ústrojí. No a já jsem si něco načetl a nejmenší pozorovaná buňka... A myslím, že už jsme v době, kdy můžeme pozorovat nejmenší buňky, i když je možné, že v budoucnu budou objeveny ještě menší buňky. …nejmenší je v řádu stovek nanometrů. Nezapomeňte, že 1000 nanometrů je šířka téhle pilulky, takže pár set nanometrů, tohle by bylo asi 300 nanometrů, to jsou zatím nejmenší objevené buňky. Jsou to bakteriální buňky, byly objeveny na univerzitě Berkeley v Kalifornii, a myslíme si, že jsou velmi blízko k nejmenší možné velikosti, protože jak už jsem zmínil, musí se tam vejít veškeré genetické informace a celé buněčné ústrojí. A všechno je to složité a proto je nemůžou být o moc menší. Ale jak je to s největšími buńkami? Jeden z možných limitujících faktorů a samozřejmě je jich mnohem více, je poměr objemu a povrchu. A proč záleží na poměru objemu a povrchu? Protože povrch je to, co propojuje buňku s jejím okolím. Musí přijímat živiny a vylučovat odpad, takže každá část povrchu musí zpracovávat přijímané a vydávané látky pro určitý objem buněk, respektive určitý objem buňky. A jak uvidíme, když buňka roste, její objem a povrch se nezvětšují stejnoměrně, objem se zvětšuje rychleji než povrch. Takže jak buňka roste, každá část povrchu musí zpracovat látky z okolního prostředí pro více a více buněčného objemu a v určitou chvíli už to prostě nezvládne, nestíhá přijímat živiny a zbavit se odpadu dost rychle. Pro lepší představu se nad tím zamyslíme matematicky. Takže objem... Objem sférické buňky... Tohle je sférická buňka, pojďme to udělat trojrozměrné... Pokud to má poloměr "r", její objem bude 4/3πr³. Povrch bude... Povrch bude 4πr². Pojďme spočítat poměr objemu a povrchu, protože to nás teď zajímá. Poměr objemu a povrchu je... Povrch chci udělat žlutě... Poměr objemu a povrchu se rovná (4/3)πr³ lomeno 4πr. A naštěstí se to snadno zjednoduší, 4 děleno 4 je 1, π děleno π je 1, r³ děleno r² je jen "r", takže se to krásně zjednoduší na r/3. A kdyby nám záleželo na jednotkách, byly by to krychlové jednotky dělené čtverečními jednotkami, ať už je to jakákoli jednotka. Takže tohle je r/3. Pojďme tohle použít, abychom se zamysleli nad tím, co se stane, když se buňka výrazně zvětší. Pro zjednodušení se zaměříme na bílé krvinky a abychom je zjednodušili matematicky, budeme předpokládat, že mají poloměr 3 mikrometry. Udělám to barevně, ať to jde vidět, 3 mikrometry. Takže v tom případě, pro tuto buňku, poměr objemu k povrchu bude 3... Mohli bychom říct 3 mikrometry děleno třemi, ale já tam dám... Mohli bychom říct 3 mikrometry děleno třemi, což bude samozřejmě 1 mikrometr. Ale mít jednotku 1 mikrometr pro poměr objemu a povrchu nedává moc smysl. Ekvivalentní jednotka by byla 1 krychlový mikrometr na 1 čtvereční mikrometr, na čtvereční mikrometr, protože je to objem ku povrchu. Samozřejmě pokud zkrátíte jednotky a uděláte rozměrovou analýzu, zbyde vám pouze ten 1 mikrometr. Ale tohle nám pomáhá udělat si lepší představu, protože to říká, že každý čtvereční mikrometr musí obstarat 1 krychlový mikrometr buněčného objemu. Takže každý čtvereční mikrometr, čtvereční mikrometr této věci tady bude asi takhle velký, musí průměrně obstarat přibližně 1 krychlového mikrometru buněčného objemu. Dobře, to se zdá rozumné a je to rozumná velikost pro buňku. Ale co kdybychom si to zvětšili tisíckrát, nebo bychom zvětšili poloměr tisíckrát? A samozřejmě to nekreslím v měřítku, ale pojďme si říct, že najdeme nový organismus, nebo se nad ním teoreticky zamyslíme, a bude mít buněčný poloměr, místo 3 mikrometrů to bude 3000 miliontin metru. A jen aby bylo jasno, tohle není obrovské, v našem měřítku by to byly 3 milimetry. Byly by to 3 milimetry, což by bylo okem viditelné, a práh pro viditelnost lidským okem je asi 1/10 milimetru, což je 100 mikrometrů. Tohle je přibližně 1/10 milimetru. Takže za správných podmínek byste mohli vidět buňku lidského vajíčka. Ale tohle tady by bylo stále příliš malé v na naše měřítko, ale pojďme se podívat na to, co se stane s poměrem objemu a povrchu. 3000 mikrometrů děleno třemi... 3000 mikrometrů děleno třemi... Zbyde nám tady 1000 mikrometrů, nebo ještě lépe, můžeme to přepsat jako 1000 krychlových mikrometrů na 1 metr čtvereční. Takže teď, každý čtvereční mikrometr... Tady musí obsloužit krychlový mikrometr objemu, ale tady musí obsloužit 1000 krychlových mikrometrů objemu. Takže se musí postarat o mnohem větší objem. A to se rozbije, nezvládne to vyměnit plyny, živiny, zbavit se odpadu dost rychle na to, aby tato buňka fungovala. Takže poměr objemu a povrchu je pro buňky velmi důležitý, a koneckonců... No já budu mluvit jen o buňkách celkově. Vlastně to bývá docela zajímavé, protože hodně věcí roste. Poměr objemu k povrchu nebo hmoty, a je tam i hodně dalších zajímavých poměrů. Ale tohle je jeden z nich. Dalším faktorem, který bude hrát roli, je, že jak buňka roste, její ústrojí musí překonat větší vzdálenost, musíte dopravit věci na velkou vzdálenost, cože také může způsobovat problémy. Ale poměr objemu a povrchu je opravdu zajímavý faktor ke zvážení, protože opravdu nenalezneme velké a hlavně sférické buňky. A důvod, proč zdůrazňuji sférické buňky, je, že lze nalézt buňky, které jsou delší než tohle měřítko, jako například nervové buňky. A s tím tvarem fungují, jsou na to přizpůsobeny, a jedna z adaptací je, že jsou opravdu tenké a dlouhé. A to je jeden způsob, jak maximalizují svůj povrch. Třeba takhle, tohle je nervová buňka. Existují i jiné způsoby, jak zvětšit povrch, třeba budou mít hodně věcí, které prostě trčí z buňky, aby zvětšily povrch, takže buňky nejsou jednoznačně všechny sférické. Takže mohou mít další věci, které tahle zvětšují povrch. Existuje mnoho adaptací, ale obecně, a ukazovat jako příklad buňky sférickou není šílené a tohle jsou hlavní důvody, proč nenacházíme větší buňky než lidské vajíčko.