Komórki, będące podstawową jednostką budulcową i funkcjonalną organizmu, cechuje różnorodność kształtów i rozmiarów. Najczęściej jednak mają one kulisty lub sześcienny kształt i mikroskopijną wielkość.

Ludzkie erytrocyty mierzą ok. 6–8 μmum (czyt. mikrometrów) długości, krwinki białe – od 12 do 17 µm długości, a ludzki plemnik – blisko 6 μmum. Niektóre neurony (komórki nerwowe) mogą mieć nawet 1 m długości.

Poniższy rysunek przedstawia rozmiary różnych komórek, w tym komórek bakteryjnych i eukariotycznych, oraz poglądowo innych organizmów, cząsteczek i atomów.

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

Objętość takiej kostki wyliczymy według wzoru:

• wysokość × szerokość × długość × liczba kostek

Stosunek powierzchni do objętości wyliczymy według wzoru:

• pole powierzchni / objętość

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

podczas gdy jej objętość wynosi:

Stosunek powierzchni do objętości dużej komórki wynosi:

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:

podczas gdy ich sumaryczna objętość będzie równa:

Sumaryczny stosunek powierzchni do objętości tych komórek wynosi:

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

W cytoplazmie zachodzi wiele reakcji chemicznych, składających się na metabolizm 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 przez błonę komórkową, ograniczającą powierzchnię każdej żywej komórki. Więcej informacji na temat transportu substancji przez błony komórkowe znajdziesz w lekcji Transport substancji przez błony komórkowe.

Stosunek powierzchni komórki do jej objętości jest ważny, ponieważ błona komórkowa jest jedyną drogą, przez którą może się odbywać wymiana związków chemicznych z otoczeniem. Każdy fragment błony może wymieniać tylko określoną ilość danej substancji w danym czasie (na przykład ze względu na ograniczoną liczbę kanałów). Jeśli komórka nadmiernie urośnie (stosunek jej powierzchni do objętości będzie zbyt mały), błona komórkowa nie będzie mogła wystarczająco efektywnie przeprowadzać wymiany substancji. Dzieje się tak dlatego, że wraz ze zwiększaniem rozmiarów komórki jej objętość rośnie szybciej niż powierzchnia. Im większa objętość, tym mniej wydajny transport potrzebnych komórce substancji, ponieważ muszą one pokonać znacznie dłuższą drogę do miejsca przeznaczenia.

Jeśli stosunek powierzchni do objętości komórki jest zbyt mały, związki nie wnikną do komórki wystarczająco szybko, by zaspokoić zapotrzebowanie na nie. Zbędne metabolity – produkowane szybciej, niż można je wydalić – będą natomiast akumulowane. Dlatego też w miarę wzrostu komórki stosunek jej powierzchni do objętości spada, a wymiana składników odżywczych i metabolitów z otoczeniem staje się coraz trudniejsza.

Ponadto w miarę wzrostu komórek zwiększa się czas transportu substancji w ich wnętrzu. W związku z powyższym najkorzystniejsze jest, gdy komórka ma duży stosunek powierzchni do objętości, czyli osiąga niewielkie rozmiary. Jest to główny czynnik decydujący o rozmiarach komórek.

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. Podobnie jest z wielkością ciała zwierząt, w zależności od stref klimatycznych, w których żyją. Duże zwierzęta mają mniejszy stosunek powierzchni ciała do objętości i w konsekwencji wolniej tracą ciepło. 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. Dla przykładu, ciało pingwina magellańskiego żyjącego w cieplejszych rejonach osiąga znacznie mniejsze rozmiary niż ciało pingwina cesarskiego żyjącego w chłodniejszych obszarach.

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.

Niektóre komórki, aby mogły pełnić swoją funkcję, muszą zwiększyć rozmiar przy jednoczesnym zachowaniu dużego stosunku powierzchni do objętości. Jest to możliwe przez zmianę kształtu komórki ze sferycznego na wydłużony, wytworzenie wypustek lub zwiększenie liczby jąder komórkowych.

Ciekawostka

Niektóre części ciała zwierząt stałocieplnych (np. uszy) osiągają różne rozmiary, w zależności od warunków życia danego gatunku. Dla przykładu, uszy lisa polarnego zamieszkującego strefy o klimacie chłodnym są mniejsze niż uszy fenka pustynnego zamieszkującego strefy gorące. Różnice te mają charakter adaptatywny, ponieważ im krótsze są części wystające, tym mniej są narażone na utratę ciepła.

Rs8kzCUDxgDlC

Po lewej stronie znajduje się fotografia przedstawiająca lisa polarnego. Ma białą sierść oraz krótkie uszy. Po prawej stronie znajduje się fotografia przedstawiająca fenka pustynnego. Jest koloru rudo‑białego. Posiada długie spiczaste uszy.

Komórki nerwowe (na fotografii mikroskopowej poniżej) charakteryzują się znacznie wydłużonym kształtem, jednak średnica ich wypustek jest bardzo mała. Dzięki temu neuronyneuronneurony 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.

Innym sposobem zwiększenia powierzchni komórki jest wytworzenie wypustek, czego przykładem są mikrokosmki enterocytówenterocytenterocytów (fotografia poniżej). 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.

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.

Natomiast włókna mięśni poprzecznie prążkowanych mogą osiągać rozmiar kilku centymetrów i zawierać liczne jądra komórkowe, ponieważ powstały z zespolenia wielu komórek (fotografia poniżej). Dzięki temu miocytymiocytmiocyty mogą w każdej swojej części syntetyzować więcej RNA i białka niezbędnego do ich prawidłowego działania.

R1PjHOdwItZLZ

Na zdjęciu mikroskopowym widoczne są podłużne struktury w kolorze różowym. Są one warstwą równolegle, naprzemiennie ułożonych komórek. Są poprzecznie prążkowane. Znajdują się na nich wąskie, małe formy koloru fioletowego.

Słownik