Kształt, wielkość i objętość komórek

Komórki przybierają różnorodne kształty i rozmiary. Tylko niektóre można zobaczyć gołym okiem, podczas gdy większość widoczna jest jedynie pod mikroskopem. Do największych komórek należy strusie jajo, którego żółtko może osiągać średnicę 15 cm. Długością natomiast wyróżniają się włókna u niektórych gatunków konopi, osiągając imponującą długość nawet 50 cm. Z kolei najmniejsze komórki mają niektóre bakterie – ich wielkość wynosi zalewie 2μmum, czyli 2/10 000 części milimetra! Jest to tak mało, że są one ledwo widoczne na największych powiększeniach mikroskopu świetlnego.

R1GzJwSDXoSxG

Na zdjęciu przedstawiono komórki w skali logarytmicznej. Cząsteczka atomu ma 0,1 nanometra. Składa się on z trzech elips, które się przecinają. Komórki lipidów z dwoma wiciami, około 4 nanometry. Komórka białka o podłużnym kształcie, około 8 nanometrów. Wirus grypy o kulistym kształcie, 100 nanometrów. Mitochondrium o nerkowatym kształcie, 1 mikrometr. Bakteria o podłużnym kształcie, z jedną długą wicią na czubku oraz krótkimi rzęskami pokrywającymi całe ciało, 1 mikrometr. Kwadratowa komórka roślinna z widoczną wakuolą i pozostałymi organellami, 50 mikrometrów. Komórka zwierzęca o owalnym kształcie, widocznym jądrem komórkowym i pozostałymi organellami, 50 mikrometrów. Ludzka komórkowa jajowa o ziarnkowym kształcie, około 400 mikrometrów. Komórka jajowa żaby o kulistym kształcie z mniejszą kulistą formą w środku, 1 milimetr. Jajo kurze o eliptycznym kształcie, około 50 milimetrów. Jajo strusia o eliptycznym kształcie, około 90 milimetrów. Sylwetka dorosłej kobiety, trochę powyżej metra.

Ciekawostka

Komórką o niezwykłym kształcie, a zarazem imponującej wielkości jest komórka parasolowca (Acetabularia) tworząca całe ciało glonu o długości do 10 cm.

R1FTbaM6opFyZ

Ilustracja przedstawia glony z gromady zielenic. Widoczne są okrągłe formy. Z każdej z nich zwisa pojedyncza, bardzo wąska linia przypominająca nitkę. Formy mają kształt parasola. Jedna z nich jest koloru brązowego. Pozostałe są zielone i rudawe. Wypełnienie jest prążkowane. Formy są rozmieszczone w jednej linii, nie stykając się ze sobą.

Wielkość i objętość komórek

Komórka, będąc trójwymiarową bryłą, podczas wzrostu zwiększa zarówno swoją objętość, jak i powierzchnię. Objętość i powierzchnia nie zwiększają się jednak równomiernie: objętość rośnie szybciej, przez co stosunek powierzchni do objętości maleje. To właśnie ten stosunek jest głównym czynnikiem, który wyznacza, jak bardzo komórka może urosnąć.

Ważne!

Zakładając, że model komórki to bryła w kształcie sześcianu, możemy z łatwością porównać jej powierzchnię oraz objętość.

R1OKpcndyYu0R

Ilustracja przedstawia mały sześcian A o krawędzi 1u, duży sześcian B o krawędzi 3u oraz mały sześcian o krawędzi 1u wraz z dużym sześcianem o krawędzi 3u podpisanymi literą C. Mały sześcian podpisany literą C jest wycięty z dużego sześcianu podpisanego literą C. Są koloru zielonego

Jeśli mała sześcienna kostka A ma długość oraz szerokość jednej jednostki (u), to jej całkowite pole powierzchni można wyliczyć według wzoru:

• wysokość × szerokość × liczba ścianek × liczba kostek

$1u\times 1u\times 6\times 1=6u^2$

Objętość takiej kostki wyliczymy według wzoru:

• wysokość × szerokość × długość × liczba kostek

$1u\times 1u\times 1u\times 1=1u^3$

Stosunek powierzchni do objętości wyliczymy według wzoru:

• pole powierzchni / objętość

$\frac{6}{1}=6$

Model większej komórki B ma szerokość i długość 3 jednostek, więc całkowite pole jej powierzchni wynosi:

$3u\times 3u\times 6\times 1=54u^2$

podczas gdy jej objętość wynosi:

$3u\times 3u\times 3u\times 1=27u^3$

Stosunek powierzchni do objętości dużej komórki wynosi:

$\frac{54}{27}=2$

Jeśli teraz zamienimy jedną dużą komórkę o 3 jednostkach długości na kilka mniejszych komórek, odpowiadających sumarycznie takiej samej objętości (rys. C), to możemy wypełnić tę samą przestrzeń 27 komórkami o szerokości jednej jednostki.

Całkowite pole powierzchni komórek wyniesie:

$1u\times 1u\times 6\times 27=162u^2$

podczas gdy ich sumaryczna objętość będzie równa:

$1u\times 1u\times 1u\times 27=27u^3$

Sumaryczny stosunek powierzchni do objętości tych komórek wynosi:

$\frac{162}{27}=6$

Obliczenia dowodzą, że zastąpienie jednej dużej komórki kilkoma mniejszymi pozwala na znaczne zwiększenie stosunku powierzchni komórki do objętości.

Znaczenie stosunku powierzchni komórki do jej objętości dla metabolizmu

W cytoplazmie zachodzi wiele reakcji chemicznych, składających się na metabolizmmetabolizmmetabolizm komórki. Aby reakcje chemiczne mogły zachodzić bez zakłóceń, związki, które w nich uczestniczą, muszą być dostarczane do wnętrza komórki, a zbędne produkty przemiany materii muszą być z niej usuwane. Cząsteczki są wprowadzane do komórki i z niej wyprowadzane tylko przez błonę komórkową, która otacza każdą żywą komórkę.

Każdy fragment błony może wymieniać ze środowiskiem tylko określoną ilość danej substancji w danym czasie. Jeśli komórka nadmiernie urośnie (stosunek jej powierzchni do objętości będzie zbyt mały), błona komórkowa nie będzie mogła wystarczająco efektywnie przeprowadzać wymiany substancji. W rezultacie substancje potrzebne komórce, nie wnikną do niej wystarczająco szybko, by zaspokoić zapotrzebowanie na nie. Z kolei zbędne, często toksyczne metabolity będą w komórce akumulowane.

RzgL3tfsR7kQj

Ilustracja przedstawia dwa zielone sześciany, po lewej mniejszy o długości krawędzi wynoszącym 1 mm, a drugi większy (po prawej) o długości krawędzi wynoszacym2 mm. W ich wnętrzu znajdują się czerwone kule (w każdym sześcianie po jednej kuli takiego samego rozmiaru)

Stosunek powierzchni do objętości komórki ma również wpływ na produkcję oraz utratę ciepła – jeśli jest zbyt mały, komórka może ulec przegrzaniu. Dzieje się tak, gdy ciepło jest wydzielane podczas reakcji chemicznych szybciej, niż może być oddane poza komórkę.

Ważne!

Stosunek powierzchni do objętości jest ważny nie tylko dla pojedynczych komórek, ale również całych organizmów. Na przykład, duże zwierzęta mają mniejszy stosunek powierzchni ciała do objętości i w konsekwencji wolniej tracą ciepło niż zwierzęta małe. Jest to jedno z przystosowań do życia w chłodnym klimacie. Natomiast małe zwierzęta mają duży stosunek powierzchni ciała do objętości, więc szybciej oddają ciepło z organizmu, co pozwala im żyć w cieplejszym klimacie.

Rrris9GrLP8iG

Ilustracja przedstawia po lewej stronie pingwina magellańskiego. Jego głowa jest czarna za wyjątkiem białej pętli biegnącej od nasady dzioba ponad okiem przez boki szyi do gardła. Dziób czarny. Wierzch ciała czarno‑szary. Na piersi szeroka, czarna przepaska, poniżej wąski, czarny pas, idący wzdłuż boków ku nogom. Reszta spodu ciała w większości biała. Po prawej stronie znajduje się fotografia przedstawiająca dwa dorosłe osobniki pingwina cesarskiego i jednego młodego osobnika. Mają opływowy kształt ciała. U dorosłych osobników ciało z wierzchu jest ciemne, a od spodu białe z pomarańczowymi prześwitami w górnej części ciała. Skrzydła przekształcone są w płetwy, czarne z wierzchu, białe od spodu. Głowa cała czarna. Młody osobnik posiada głowę białą. Górna część głowy jest czarna. Posiada czarne oczy i dziób. Całe jego ciało jest koloru szarego.

Dla przykładu, ciało pingwina magellańskiego żyjącego w cieplejszych rejonach osiąga znacznie mniejsze rozmiary niż ciało pingwina cesarskiego żyjącego w chłodniejszych obszarach.

Sposoby na zwiększenie powierzchni komórek

Niektóre komórki, aby mogły pełnić swoją funkcję, muszą mieć znaczne rozmiary  przy jednoczesnym zachowaniu dużego stosunku powierzchni do objętości. Jest to osiągane poprzez:

• zmianę kształtu komórki ze sferycznego na wydłużony

• wytworzenie wypustek

Komórki nerwowe charakteryzują się znacznie wydłużonym kształtem, jednak średnica ich wypustek jest bardzo mała. Dzięki temu neurony dorosłego człowieka mogą osiągać długość nawet jednego metra przy zachowaniu dużego stosunku powierzchni do objętości.

RMa3djZXdaMfp

Fotografia mikroskopowa przedstawia wąskie struktury o wydłużonym kształcie. Są koloru rudawego. Mają one licznie rozgałęzione wypustki o małej średnicy w tym samym kolorze.

Komórki nabłonka wyścielającego jelito cienkie są odpowiedzialne za wchłanianie substancji odżywczych. Aby mogły wykonywać to zadanie efektywnie, konieczne jest zwiększenie ich powierzchni bez wzrostu objętości, co osiągane jest przez wytworzenie mikrokosmków na ich powierzchni.

R14bx8ggeB6Og

W dolnej połowie zdjęcia mikroskopowego widoczna jest ziemista struktura, na której rozmieszczone jest kilka owalnych, nieregularnych form. W górnej połowie widoczny jest natomiast rząd długich, wąskich, pionowo i ściśle do siebie ustawionych struktur. Zdjęcie jest w szaro‑czarnej kolorystyce.

Podsumowanie

• Podczas wzrostu komórki jej objętość rośnie szybciej niż powierzchnia.

• Komórki duże mają niekorzystny stosunek powierzchni do objętości (małą powierzchnię względem objętości), co powoduje utrudnienie w transporcie substancji do komórki oraz usuwaniu do środowiska substancji zbędnych i szkodliwych.

• Zbyt mała powierzchnia komórki w stosunku do objętości utrudnia oddawanie ciepła, co przyczynia się do wzrostu temperatury w komórce i upośledza procesy przemiany materii.

• Zmiana kształtu komórki ze sferycznego na wydłużony oraz tworzenie wypustek wpływają na zwiększenie powierzchni w stosunku do objętości.

Ćwiczenia utrwalające