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Transkript

Ein und aus, Ein und aus.

Am Leben zu bleiben bedeutet, Dinge zu tun. In dieser Sekunde verbrennen Ihre Zellen Glukosemoleküle mit Sauerstoff

, um Energie zur Verfügung zu stellen, die Sie für einen weiteren kostbaren Moment am Leben hält.

Um den Sauerstoff in Ihre Zellen zu bringen, atmen Sie.

Das Atmen ist eine Antwort auf ein sehr schwieriges Problem: Wie erhalten Sie die Ressourcen, die Ihre Zellen benötigen, um

von außen nach innen zu überleben ? Jedes Lebewesen muss dieses Problem lösen

und die Lösung ist überraschend unterschiedlich, abhängig von einem der wichtigsten Regulatoren des Lebens: der

Größe.

Wie wir in anderen Videos besprochen haben:

In verschiedenen Maßstäben haben die physikalischen Gesetze des Universums unterschiedliche Konsequenzen für seine Bewohner.

Einfache Dinge wie Temperatur, Mikrogravitation oder Oberflächenspannung sind für Sie möglicherweise nicht wichtig oder stellen eine tödliche Gefahr dar

• je nachdem, wie groß Sie sind.

Lebewesen brauchen viele verschiedene Materialien, um sich selbst am Laufen zu halten.

Und sie müssen sie irgendwie von außen nach innen transportieren.

Dies war ein großes Problem für die ersten Dinge, die kurz vor dem Leben standen, denn alles in unserem Universum zu tun, erfordert Energie.

Und die ersten Lebewesen auf der Erde verfügten nicht über die Fülle an Werkzeugen und Techniken, die

das Leben heute nach Milliarden von Jahren der Evolution zur Verfügung hat.

Am Anfang musste das Leben einen Weg finden, um gute und innere Dinge aus sich

herauszuholen, ohne Energie zu verbrauchen.

Zum Glück waren die ersten Lebensformen sehr, sehr klein.

Und weil sie so klein waren, konnten sie ein freies Transportmittel nutzen

, das auf einem physikalischen Gesetz namens Diffusion beruhte.

Diffusion ist die Regel des Universums, dass sich Moleküle, insbesondere in Flüssigkeiten oder Gasen,

ständig in alle Richtungen bewegen.

Und weil sie sich bewegen und gegeneinander und gegen andere Moleküle stoßen, neigen sie dazu, sich auszubreiten.

Wenn Sie beispielsweise einen Zuckerwürfel in Wasser fallen lassen, gibt es an einer Stelle viel Zucker

und an einer anderen Stelle keine.

Wenn sich Zuckermoleküle im Wasser auflösen, stoßen sie zufällig gegen die Wassermoleküle

und andere Zuckermoleküle.

Langsam breiten sich alle Zuckermoleküle aus und bilden mehrere Phasen unterschiedlicher Konzentration.

Diese zufälligen Bewegungen setzen sich endlos fort, bis sich der Zucker irgendwann

gleichmäßig im Wasser verteilt.

Das Tolle an der Diffusion ist, dass das Leben sie kostenlos nutzen kann und keine Energie benötigt.

Und das Leben liebt freie Dinge. Alles Leben auf der Erde beruht also auf Diffusion.

Betrachten wir das kleinste Lebewesen der Erde, ein Bakterium. Speziell seine Oberflächen.

Zellmembranen ermöglichen die Diffusion bestimmter Moleküle.

Dieses spezifische Bakterium verbraucht zum Leben Sauerstoff, während im Inneren Kohlendioxid

als Abfallprodukt entsteht.

Im Bakterium gibt es also nicht viel Sauerstoff, sondern viel Kohlendioxid.

Aufgrund der Diffusion breiten sich diese Moleküle schließlich gleichmäßig aus, sodass das Kohlendioxid herausdiffundiert,

während der Sauerstoff von außen ständig nachgefüllt wird.

Diese Art des „Atmens“ funktioniert jedoch nur für die sehr kleine Welt.

Für Bakterien, Amöben oder Ihre Zellen und einige sehr kleine Tiere.

Insekten haben zum Beispiel ein feines Netz von Luftröhren, Tunneln mit einem Druckgradienten, in

denen Luft sehr langsam eindringen und Gase mit den Insektenzellen austauschen kann.

Aber selbst Insekten scheinen in der Lage zu sein, ihre Luftröhre zusammenzuziehen,

und zumindest einige haben sogar spezielle Atemorgane wie Spirakel und Luftsäcke.

In bestimmten Maßstäben ist die Diffusion einfach zu langsam, um die Zellen am Leben zu erhalten.

Das grundlegende Problem besteht darin, dass der Austausch mit der Umwelt nur an der Oberfläche stattfinden kann

und die Diffusion von Materialien nur eine bestimmte Menge von innen aufrechterhalten kann.

Winzige Lebewesen haben nur wenig Innen- oder Volumen und viel Außen-

oder Oberfläche.

Aber was wäre, wenn wir ein Bakterium von der Größe eines Blauwals erzeugen wollten

und eine sehr praktische Vergrößerungsmaschine hätten?

Das Quadratwürfelgesetz würde uns leider durcheinander bringen.

Kurz gesagt bedeutet dies, dass wenn Sie etwas zehnmal größer machen,

seine Außenseite oder Oberfläche um 100, aber seine Innenseiten oder sein Volumen um das 1000-fache wachsen würden.

Wenn wir das Bakterium Pseudomonas aeruginosa mit einem Blauwal vergleichen, sehen

wir, dass das Bakterium im Verhältnis zu seinem Volumen 10.000.000 Mal mehr Oberfläche hat als der Wal.

Das Bakterium hat viele Außenseiten, während der Wal viele Innenseiten hat.

Wenn wir ein Bakterium von der Größe eines Wals herstellen, haben unsere riesigen Bakterien jetzt zu viele Innenseiten

und der größte Teil ihres Inneren befindet sich jetzt sehr weit von seiner Oberfläche entfernt.

Der Sauerstoff, den unser Bakterium benötigt, würde niemals ins Innere gelangen, bevor ihm der Sauerstoff ausgeht.

Unser riesiges Bakterium würde einfach sterben. Größer zu sein hat jedoch viele Vorteile.

Von schwerer zu essen zu sein, um es einfacher zu machen, andere zu essen.

Die Größe der Zellen ist jedoch durch den Abstand begrenzt, in dem Sauerstoff und Nährstoffe effektiv diffundieren können

, um das Innere mit genügend Ressourcen zu versorgen.

Das Leben hat dieses Problem vermieden, indem es mehrzellige Strukturen gebildet hat -

Wesen, die aus vielen Zellen statt aus einer bestehen.

Weil die Diffusion besser funktioniert, wenn Sie viele kleine Einheiten anstelle einer viel größeren haben.

Im Laufe der Zeit begannen die Zellenfreunde, ihre Arbeit zu teilen und sich zu spezialisieren.

Einige Zellen konzentrierten sich auf die Wahrnehmung der Umwelt, andere auf die Verdauung, andere auf die Bewegung.

Aber das war immer noch nicht genug.

Das Problem der Diffusion sowie der Oberflächen- und Energieerzeugung blieb bestehen und

begrenzte die Größe, die diese ersten mehrzelligen Lebensformen erreichen konnten.

Um noch größer zu werden,

löste das Leben das Diffusionsproblem, indem es Löcher, Höhlen und Tunnel hatte und sich in sich zusammenfaltete,

sodass die Diffusion in jeder der Zellen leicht stattfinden konnte.

Nehmen Sie sich selbst: Was Sie als Ihre Außenseite betrachten, Ihre Haut, hat eine Oberfläche von etwa 2 Quadratmetern.

Aber Ihre Lungen haben eine Oberfläche von etwa 70 Quadratmetern.

Sie sind nicht wie Luftballons, sondern eher wie Schwämme, die mit vielen dicht gepackten winzigen Luftballons gefüllt sind

und von Blutgefäßen umgeben sind.

Wenn Sie einatmen, füllen sich all diese winzigen Luftballons mit frischer Luft.

Mit CO2 gefülltes Blut wird um die Ballons gepumpt.

Und dann passiert die Magie der Verbreitung.

Der Sauerstoff diffundiert in das Blut, wo er von roten Blutkörperchen aufgenommen wird.

Und das CO2 diffundiert aus dem Blut in Ihre Lunge, wo es wieder ausgeatmet werden kann.

Ihr Blut transportiert dann sauerstoffreiches Blut in die äußersten Ecken Ihres Körpers

und nimmt den CO2-Abfall auf.

Die Diffusion im Körper ist bei etwa einem Millimeter wirksam,

sodass jede Zelle in Ihrem Körper höchstens einen Millimeter von einem Blutgefäß entfernt ist.

Mittelgroße Tiere wie Sie benötigen also viele Blutgefäße, um jede Zelle im Körper zu erreichen.

Ihr Körper hat allein rund 100.000 Kilometer Kapillaren,

das kleinste Ihrer Blutgefäße, mit einer Oberfläche von rund 1000 Quadratmetern.

Dies gilt für alle Teile von Ihnen, die etwas mit der Außenwelt austauschen möchten.

Ihr Körper benötigt Oberflächen, um Nährstoffe aus Ihrer Nahrung aufzunehmen.

Ihr Darm hat also die Oberfläche eines halben Badmintonplatzes, ungefähr 40 Quadratmeter.

Je größer Sie sind, desto mehr versteckte Oberflächen benötigen Sie.

Nimm einen Baum. Der Weg, um am Leben zu bleiben, besteht darin, Zucker aus dünner Luft und Sonnenlicht zu erzeugen.

Es braucht also so viel Oberfläche wie möglich.

Ein Orangenbaum mit zweitausend Blättern hat eine Blattfläche von 200 Quadratmetern.

Die Oberfläche innerhalb der Blätter, auf der die Diffusion tatsächlich stattfindet, beträgt jedoch 6000 Quadratmeter.

Das gleiche gilt für Wurzeln, bei denen Wasser aus dem Boden in unzählige winzige Haare diffundiert,

die die Oberfläche maximieren.

Die Wurzeln von einem Quadratmeter Gras summieren sich auf rund 350 Quadratmeter Fläche!

Wenn wir uns die atemberaubende Vielfalt des Lebens auf diesem Planeten ansehen, scheint alles ziemlich anders zu sein.

Und es ist.

Aber einige Grundprinzipien sind für alle gleich und haben sich seit Milliarden von Jahren nicht wesentlich geändert,

wenn wir uns die sehr, sehr kleinen oder sehr, sehr großen ansehen:

Abfall geht aus und frischer Kraftstoff kommt herein. Große Tiere brauchen nur viel Komplexität Sanitär, um es möglich zu machen.

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