ما الذي يحدث؟
الخلايا الحيوية يمكنها العيش فقط إذا كان باستطاعة المواد الانتقال إلى داخلها وخارجها. في هذه الوجبة الخفيفة استخدمت مكعبات الآجار لتصور تغيُّر الانتشار حسب مقاس الشيء الذي يمتص المادة.
يحدث الانتشار عندما تتحرك الجزيئات الموجودة في مساحة ذات تركيز عالٍ إلى مساحة ذات تركيزٍ أقل. وعندما تنتقل أيونات الهيدروجين من الخل إلى مكعب الآجار يتغير لون المكعب؛ ما يسمح لك برؤية مدى انتشارها. وبينما تتسبب حركة جزيئية عشوائية في استمرار انتقال جزيئات وأيونات منفردة ذهابًا وإيابًا بين المكعب ومحلول الخل، فإن التركيزات العامة ستظل في توازن، بتساوي التركيز داخل مكعب الآجار وخارجه.
كيف وجدت نسبة المكعب الذي تغلغلت فيه أيونات الهيدروجين على الفترات الزمنية المختلفة؟ إحدى الطرق لعمل هذا؛ البدء بحجم المكعب الذي لم يحدث فيه تغلغل (أي الجزء المركزي الذي لم يتغير لونه بعد). لمعرفة حجم هذا المكعب الداخلي، قِس طوله واضربه في عرضه وارتفاعه؛ اخصم هذا من الحجم الأصلي للمكعب وستصل إلى حجم المكعب الذي حدث فيه تغلغل. بقسمة هذا الرقم على الحجم الأصلي وضربه في 100٪ يمكنك تحديد نسبة التغلغل لكل مكعب.
قد تكون لاحظت أنه كلما كبر مقاس المكعب المنقوع في الخل فإن الوقت الذي يحتاج إليه الخل لينتشر داخل المكعب يزيد أيضًا، ولكن ليس خطيًّا. بمعنى آخر، إذا تضاعفت مقاسات المكعب فإن الوقت الذي تستغرقه أيونات الهيدروجين للانتشار تمامًا يزيد على الضعف. وعندما تضاعف المقاس ثلاث مرات فإن وقت الانتشار يكون أكبر بكثير من ثلاثة أضعاف الوقت الأصلي. لماذا يحدث هذا؟
كلما زاد مقاس الشيء، زاد الحجم أيضًا، ولكن أكثر مما قد تتصور. على سبيل المثال، عندما يتضاعف المكعب من طول 1 سم إلى طول 2 سم، تزيد مساحة السطح بمعامل أربعة، من 6 سم2 (1 سم * 1سم * 6 جوانب) إلى 24 سم2 (2 سم * 2 سم * 6 جوانب)؛ ولكن الحجم يزيد بمعامل ثمانية، من 1 سم3 (1 سم * 1 سم * 1 سم) إلى 8 سم3 (2 سم * 2 سم * 2 سم).
لأن الحجم يزيد بمعامل أكبر من المساحة السطحية، فإن نسبة المساحة السطحية إلى الحجم تقل؛ فكلما زاد مقاس المكعب، قلت نسبة المساحة السطحية إلى الحجم. ويمكن للخل دخول المكعب فقط من خلال سطحه، لذلك كلما قلت النسبة فإن الوقت الذي يستغرقه الخل لحدوث الانتشار خلال الحجم كله يزيد كثيرًا.
|
طول جانب المكعب
|
المساحة السطحية
|
الحجم
|
نسبة المساحة السطحية إلى الحجم
|
|
1 سم
|
6 سم2
|
1 سم3
|
6 سم-1
|
|
2 سم
|
24 سم2
|
8 سم3
|
3 سم-1
|
|
3 سم
|
54 سم2
|
27 سم3
|
2 سم-1
|
كل ما يدخل الخلية (مثل الأكسجين والغذاء) أو يخرج منها (مثل المخلفات) يجب أن ينتقل عبر غشاء الخلية. وكلما كبرت الخلية، قلت نسبة المساحة السطحية إلى الحجم كثيرًا، مثلما الحال في مكعبات الآجار الخاصة بك. فلا يزال على الخلايا الأكبر نقل المواد عبر أغشيتها، ولكن حجمها يستلزم تغذيةً أكبر بينما مساحة سطحها أصغر نسبيًّا لتلبية ذلك.
الخلايا البكتيرية صغيرة إلى حدٍ ما، ولها نسبة مساحة سطحية إلى حجم أكبر بالمقارنة. في حين أن الخلايا حقيقية النواة، مثل تلك الموجودة في النباتات والحيوانات، أكبر كثيرًا؛ ولكن لديها هياكل إضافية تساعدها في إجراء الكمية اللازمة من النقل عبر الأغشية. فتوفر سلسلة من الهياكل المرتبطة بالغشاء المستمرة مع الغشاء البلازمي، مثل الشبكة الإندوبلازمية، مساحة سطحية إضافية داخل الخلية؛ ما يسمح بحدوث ما يكفي من التنقل. ولكن حتى في وجود هذه الإستراتيجيات هناك حدود عليا لمقاس الخلية.
|