Вопрос: Почему одноклеточность накладывает ограничения на размеры организма? Если можете, приведите примеры очень крупных одноклеточных и объясните, как им удается ослабить эти ограничения
Категория: школьный раздел
Ответы:
Размер одноклеточного организма ограничивают сверху следующие факторы:
А. Возможность обмена с окружающей средой, т.к. при увеличении линейных размеров объем возрастает пропорционально кубу, а поверхность - лишь квадрату линейных размеров.
Б. Так как скорость диффузии молекул не зависит от размеров клетки, то у крупных клеток возникают сложности с доставкой необходимых веществ в нужную точку, т.е. с транспортом.
В. Ядро может "обслужить" своими продуктами ограниченную часть цитоплазмы, и ядерно-цитоплазматическое соотношение довольно постоянно в больших таксонах организмов.
Г. Сложность поддержания формы - чем больше клетка, тем больше механические напряжения в ней и слабее действие сил поверхностного натяжения окружающей жидкости, которые в значительной степени поддерживают округлокаплевидную форму мелких организмов. Одновременно с увеличением размеров возрастает опасность повреждения внешних покровов, которое чревато гибелью всего организма /а не отдельной части, как у многоклеточных/.
Д. Сложности с движением, поскольку мощность движителей должна увеличиваться в соответствии с увеличением массы /объема/ в кубической степени, а площадь приложения движущих сил /она же площадь размещения многих движителей - напр., жгутиков, она же площадь поверхности/ увеличивается пропорционально квадрату, да еще используется для обмена со средой (заметим в скобках, что увеличение скорости движения улучшает обмен, поскольку преодолевая за единицу времени вдвое большее расстояние организм как бы имеет за ту же единицу времени вдвое большую поверхность). В связи с этим линейные размеры движителей должны увеличиваться диспропорционально увеличению линейных размеров клетки в целом, а это не так то просто, в частности потому, что многие их структурные элементы /микротрубочки, базальные тельца жгутиков и др./ имеют фиксированное строение у всех организмов в соответствии с уникальными механизмами их молекулярной сборки в клетке. С возрастанием массы уменьшается также плавучесть, позволяющая двигаться с токами жидкости /пассивно/. Возрастают также удельные затраты энергии на движение.
Е. Возникают также трудности с передачей сигналов и вообще с координированным действием частей оольшой клетки-организма.
Ж. Более общим путем преодоления указанных затруднений является формирование у одноклеточных колониальности, оптимизирующей положение клеток в пространстве, и многоклеточности, связанной также с дифференцировкой. Из 27 типов простейших по одной из последних классификаций в 16 наряду с "истинно" одноклеточными формами присутствуют также более или менее колониальные или многоклеточные формы, некоторые из которых по уровню интеграции клеток не уступают, например, губкам. Но в вопросе спрашивается именно о крупных одноклеточных, их то мы и рассмотрим. При этом одноклеточным следует считать организм, цитоплазма которого едина, причем если ядер много, то они потенциально способны к миграции по всем частям организма, содержащим ядра. К числу очень крупных форм среди одноклеточных /от 2 мм и более, до нескольких см/ можно отнести хитридиомицетов, оомицетов, часть зигомицетов, большинство миксомицетов (все эти формы обычно относят к грибам); всех миксоспоридий; немногие жгутиконосцы из динофлагеллят /напр., ночесветка/; наиболее крупные грегарины, амебы, радиолярии, солнечники, фораминиферы и инфузории; некоторые сифоновые /ацетабулярия, бриопсис, галицистис/ и вошериевые /единственный род - Vauscheria/ водоросли. Необходимую информацию о них можно почерпнуть из книг: Догель В.А. Зоология беспозвоночных. М.: Высш. школа, 1981 г., Курс низших растений. Под ред. М.В.Горленко. М., Высшая школа, 1981 г.; К.Хаусман. Протозоология: Пер. с нем.- М.,Мир, 1988 г.
Здесь приводятся только основные пути ослабления ограничений на размеры:
А. Сокращение относительной поверхности тела отчасти восполняется тонкими цитоплазматическими выростами и общим уплощением тела клетки /саркодовые, грибы/, высокой скоростью движения /инфузории/ или очень высокой плотностью хлоропластов в пристеночном слое /ботридиум/.
Б. Создание специальных токов цитоплазмы в клетке с затратой энергии АТФ /с помощью цитоскелета/, транспорт таким же способом митохондрий и пластид; другие способы решения проблемы приведены ниже.
В. Разные формы усиления функции ядра: много одинаковых ядер /опалины, амебы, примитивные инфузории, грибы, водоросли/, одно высокополиплоидное ядро /ацетабулярия, радиолярии/, разноядерность у инфузорий, при которой микронуклеусы обеспечивают сохранение и передачу информации, а макронуклеусы состоят из большого /до миллиона/ - числа копий генов, необходимых для обслуживания клетки (они составляют небольшой % от имеющихся в микронуклеусе генов). Распределение ядер по клетке решает отчасти проблемы транспорта и передачи сигналов.
Г. Разные типы внутреннего и внешнего скелетов: аксостили, пелликула, белковые, целлюлозные, хитиновые, кремнеземные, известковые и гликопротеидные панцыри и раковины. Сочетание быстрого движения и наличия пелликулы при гетеротрофности привело к возникновению у инфузорий "рта" /цитостома/. Раковина фораминифер пронизана цитоплазматическими выростами; это, наряду с внешними разветвленными ризоподами, компенсирует уменьшение открытой поверхности тела, позволяя достигать огромных размеров /до 145 мм в диаметре раковины/.
Д. Проблема движения решается по разному: полимеризацией двигательных структур /инфузории, опалиниды/, паразитическим образом жизни /миксоспоридии, грегарины/, отказом от больших горизонтальных перемещений в пользу вертикального путем изменения плавучести /радиолярии, фораминиферы, солнечники, которые увеличивают плавучесть выростами скелета и цитоплазмы, запасанием веществ легче воды, созданием в раковине воздушных камер и пр./, постоянным врастанием в среду и разветвленностью тела /грибы/. Рост растений и очень медленное движение амеб также можно рассматривать как врастание в среду.
Е. Для передачи сигналов используются "быстрые" способы типа поляризации. мембран. Вместе с тем создаются условия для самостоятельного реагирования каждым участком /например, грибы при возникновении повреждений в участке мицелия обычно просто отгораживают поврежденный участок от остального мицелия клеточной стенкой/.