Какого размера может достичь бактерия? Физика ставит жесткий предел

Все живые существа должны дышать, но способ доставки кислорода зависит от размера. Бактерии полагаются на диффузию — бесплатный, но медленный процесс. Однако закон квадрата-куба делает диффузию бесполезной для крупных организмов. Чтобы вырасти, пришлось изобретать легкие, жабры и кровеносную систему.

Первые живые существа на Земле были крошечными. И это не случайно. Чтобы выжить, им нужно было получать ресурсы из окружающей среды, не тратя на это энергию. Единственный способ сделать это — диффузия. Молекулы кислорода и питательных веществ сами проникают сквозь клеточную мембрану, если снаружи их концентрация выше, чем внутри. Это работает без насосов, без мышц, без затрат.

Бактерии до сих пор живут по этому принципу. Их крошечные размеры позволяют кислороду быстро достигать любой точки клетки. Углекислый газ так же легко выходит наружу. Но стоит бактерии вырасти хотя бы в несколько раз, и диффузия перестает справляться. Внешние слои будут получать кислород, а центр задохнется.

Здесь вступает в силу закон квадрата-куба. При увеличении размера объем растет быстрее, чем поверхность. Клетке нужно все больше кислорода, а площадь мембраны, через которую он поступает, увеличивается медленнее. В какой-то момент наступает предел.

Эволюция нашла несколько способов обойти это ограничение. Первый — стать многоклеточным. Клетки объединяются, но каждая остается маленькой. Они могут специализироваться: одни отвечают за питание, другие за движение, третьи за размножение. Но проблема доставки ресурсов к внутренним клеткам никуда не девается.

Второй способ — создать внутри организма систему транспорта. Животные изобрели легкие и жабры, которые увеличивают площадь поверхности для газообмена. Легкое — это по сути губка из миллионов крошечных пузырьков, окруженных кровеносными сосудами. Кровь разносит кислород по всему телу, добираясь до самых глубоких тканей.

Растения пошли другим путем. Они увеличивают площадь поверхности снаружи: листья и корни покрыты тысячами микроскопических волосков. Вода диффундирует из почвы в корни, а углекислый газ — из воздуха в листья. Но и тут без транспорта не обойтись: сосудистая система доставляет воду к вершинам самых высоких деревьев.

Так что размер живого существа — это не прихоть эволюции, а жесткое инженерное ограничение. Крошечные бактерии могут позволить себе диффузию. Всем остальным приходится строить сложные внутренние магистрали. И чем крупнее организм, тем сложнее его инженерия. Голубой кит — это не просто много клеток, это чудо инженерной мысли, победившее законы физики.

Читайте также

«Оземпик» продлил жизнь старым мышам на 100 дней

«Оземпик» продлил жизнь старым мышам на 100 дней

Ученых шокировала змея, охотящаяся с помощью фальшивого паука на хвосте

Ученых шокировала змея, охотящаяся с помощью фальшивого паука на хвосте

Стартап Hylenr Technologies заявил об обнаружении 32 элементов после эксперимента с ядерным синтезом

Стартап Hylenr Technologies заявил об обнаружении 32 элементов после эксперимента с ядерным синтезом

ООН предупредила: глобальное потепление вскоре превысит критический порог в 1,5 °C

ООН предупредила: глобальное потепление вскоре превысит критический порог в 1,5 °C

Фотон от мощнейшего космического взрыва мог указать на нарушение законов Эйнштейна

Фотон от мощнейшего космического взрыва мог указать на нарушение законов Эйнштейна

Глубоководная рыба умеет ходить по дну задом наперед

Глубоководная рыба умеет ходить по дну задом наперед

Археологи раскрыли истинные причины каннибализма в неолитической Европе

Археологи раскрыли истинные причины каннибализма в неолитической Европе

Ученые выяснили, почему воспоминания не исчезают даже при потере связей в мозге

Ученые выяснили, почему воспоминания не исчезают даже при потере связей в мозге

Состоялся запуск новейшего космического телескопа NASA

Состоялся запуск новейшего космического телескопа NASA

20 лет назад Плутон перестал быть планетой — почему с этим до сих пор не все согласны?

20 лет назад Плутон перестал быть планетой — почему с этим до сих пор не все согласны?

15 технологий древности, которыми человечество пользуется до сих пор

15 технологий древности, которыми человечество пользуется до сих пор

Семь самых больших машин в истории: гиганты весом в тысячи тонн и длиной в километры

Семь самых больших машин в истории: гиганты весом в тысячи тонн и длиной в километры

В МГУ научились предсказывать разрушение вертолетных лопастей

В МГУ научились предсказывать разрушение вертолетных лопастей

Виртуальный мозг мухи научили торговать криптовалютой

Виртуальный мозг мухи научили торговать криптовалютой

Почему роботы умеют делать сальто, но до сих пор не могут нормально сложить рубашку

Почему роботы умеют делать сальто, но до сих пор не могут нормально сложить рубашку

NASA и IBM создали ИИ для поиска льда и неизвестных объектов на Луне

NASA и IBM создали ИИ для поиска льда и неизвестных объектов на Луне