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Trascrizione

Dentro e fuori, dentro e fuori.

Rimanere in vita significa fare le cose. In questo preciso istante , le tue cellule stanno bruciando le molecole di glucosio con l’ossigeno

per rendere disponibile l’energia, che ti tiene in vita per un altro prezioso momento.

Per portare l’ossigeno alle tue cellule stai respirando.

La respirazione è una risposta a un problema molto difficile: come si ottengono le risorse di cui le cellule hanno bisogno per sopravvivere,

dall’esterno all’interno delle cellule? Ogni essere vivente deve risolvere questo problema

e la soluzione è sorprendentemente diversa a seconda di uno dei più importanti regolatori della vita: le

dimensioni.

Come abbiamo discusso in altri video:

a scale diverse, le leggi fisiche dell’universo hanno conseguenze diverse per i suoi abitanti.

Cose semplici come la temperatura, la microgravità o la tensione superficiale potrebbero non essere importanti per te o essere un pericolo mortale

, a seconda di quanto sei grande.

Gli esseri viventi hanno bisogno di molti materiali diversi per andare avanti.

E in qualche modo hanno bisogno di trasportarli dall’esterno all’interno.

Questo era un grosso problema per le prime cose sul punto di essere vivi, perché fare qualsiasi cosa nel nostro universo richiede energia.

E i primi esseri viventi sulla terra non avevano l’abbondanza di strumenti e tecniche disponibili

che la vita ha oggi dopo miliardi di anni di evoluzione.

Quindi, all’inizio, la vita aveva bisogno di trovare un modo per ottenere cose buone dentro

e cose cattive fuori di sé senza usare energia.

Fortunatamente, le primissime forme di vita erano molto, molto piccole.

E poiché erano così piccoli, potevano utilizzare una forma di trasporto gratuita

basata su una legge fisica chiamata diffusione.

La diffusione è la regola dell’universo secondo cui le molecole, specialmente nei liquidi o nei gas,

si muovono costantemente in tutte le direzioni.

E poiché si muovono e si scontrano tra loro e con altre molecole, tendono a diffondersi.

Ad esempio, se metti una zolletta di zucchero nell’acqua, allora c’è molto zucchero in un punto

e in un altro non ce n’è.

Quando le molecole di zucchero si dissolvono nell’acqua, inizieranno a urtare casualmente contro le molecole d’acqua

e altre molecole di zucchero.

Lentamente tutte le molecole di zucchero si diffonderanno e formeranno più fasi di diverse concentrazioni.

Questi movimenti casuali continuano all’infinito, finché ad un certo punto lo zucchero si sarà diffuso

uniformemente nell’acqua.

Il bello della diffusione è che la vita può usarla gratuitamente, non richiede energia.

E la vita ama le cose libere. Quindi tutta la vita sulla terra si basa sulla diffusione.

Guardiamo il più piccolo essere vivente sulla terra, un batterio. In particolare le sue superfici.

Le membrane cellulari consentono la diffusione di alcune molecole.

Questo specifico batterio consuma ossigeno per vivere, mentre l’anidride carbonica viene prodotta all’interno,

come prodotto di scarto.

Quindi all’interno del batterio non c’è molto ossigeno, ma molta anidride carbonica.

A causa della diffusione, queste molecole alla fine si diffonderanno in modo uniforme, quindi l’anidride carbonica si diffonde,

mentre l’ossigeno viene costantemente reintegrato dall’esterno.

Ma questo tipo di “respiro” funziona solo per il mondo molto piccolo.

Per batteri, amebe o cellule e alcuni animali molto piccoli.

Gli insetti ad esempio hanno una fitta rete di trachea, tunnel con un gradiente di pressione,

dove l’aria molto lentamente può diffondersi e scambiare gas con le cellule degli insetti.

Ma anche gli insetti sembrano essere in grado di contrarre la trachea

e almeno alcuni hanno anche organi respiratori specializzati come spiracoli e sacchi d’aria.

A certe scale la diffusione è troppo lenta per mantenere in vita le cellule.

Il problema fondamentale è che lo scambio con l’ambiente può avvenire solo in superficie

e la diffusione dei materiali può sostenere solo una certa quantità di interno.

I piccoli esseri viventi hanno solo un po ‘di interno, o volume e molto esterno

o superficie.

Ma cosa succederebbe se volessimo creare un batterio delle dimensioni di una balenottera azzurra

e avessimo una macchina ingranditrice molto conveniente?

Saremmo purtroppo incasinati dalla legge del cubo quadrato.

In poche parole, significa che se si crea qualcosa di dieci volte più grande, il

suo esterno, o superficie, crescerà di 100 ma i suoi interni, o il volume, cresceranno di 1000 volte.

Se confrontiamo il batterio Pseudomonas aeruginosa con una balenottera azzurra,

vediamo che il batterio ha una superficie 10.000.000 volte superiore rispetto al suo volume rispetto alla balena.

Il batterio ha molti esterni, mentre la balena ha molti interni.

Se creiamo un batterio delle dimensioni di una balena, il nostro batterio gigante ora ha troppe parti interne

e la maggior parte del suo interno è ora molto lontano dalla sua superficie.

L’ossigeno di cui il nostro batterio ha bisogno non raggiungerebbe mai l’interno prima di esaurire l’ossigeno.

Il nostro batterio gigante morirebbe e basta. Tuttavia, essere più grandi ha molti vantaggi.

Dall’essere più difficile da mangiare al rendere più facile mangiare gli altri.

Ma la dimensione delle cellule è limitata dalla distanza che ossigeno e sostanze nutritive possono diffondersi efficacemente

per fornire al suo interno risorse sufficienti.

Quindi la vita ha evitato questo problema formando strutture multicellulari -

Esseri composti da molte cellule invece di una.

Perché la diffusione funziona meglio se hai molte unità piccole invece di una molto più grande.

Col tempo i compagni di cella iniziarono a condividere il lavoro ea specializzarsi.

Alcune cellule si sono concentrate sulla percezione dell’ambiente, altre sulla digestione, altre sul movimento.

Ma non era ancora abbastanza.

Rimaneva il problema della diffusione e della produzione superficiale ed energetica,

limitando le dimensioni che queste prime forme di vita multicellulari potevano raggiungere.

Quindi, per diventare ancora più grande, la

vita ha risolto il problema della diffusione avendo buchi, grotte e tunnel e ripiegandosi su se stessa,

così la diffusione poteva avvenire facilmente in ciascuna delle cellule.

Prendi te stesso: quello che consideri il tuo esterno, la tua pelle, ha una superficie di circa 2 mq.

Ma i tuoi polmoni hanno una superficie di circa 70 metri quadrati.

Non sono come palloncini, sono più simili a spugne piene di tanti palloncini minuscoli strettamente imballati,

circondati da vasi sanguigni.

Quando inspiri, tutti questi minuscoli palloncini si riempiono di aria fresca.

Il sangue riempito di CO2 viene pompato intorno ai palloncini.

E poi avviene la magia della diffusione.

L’ossigeno si diffonde nel sangue dove viene raccolto dai globuli rossi.

E la CO2 si diffonde dal sangue e nei polmoni, dove può essere espirata di nuovo.

Il tuo sangue quindi trasporta sangue ricco di ossigeno negli angoli più remoti del tuo corpo

e raccoglie i rifiuti di CO2.

La diffusione nel corpo è efficace a circa un millimetro,

quindi ogni cellula del tuo corpo è al massimo a un millimetro di distanza da un vaso sanguigno.

Quindi gli animali di taglia media come te hanno bisogno di molti vasi sanguigni per raggiungere ogni cellula del corpo.

Il tuo corpo ha solo circa 100.000 chilometri di capillari,

il più piccolo dei tuoi vasi sanguigni, con una superficie di circa 1000 metri quadrati.

Questo è vero per tutte le parti di te che vogliono scambiare qualcosa con il mondo esterno.

Il tuo corpo ha bisogno di superfici per assorbire i nutrienti dal cibo,

quindi il tuo intestino ha la superficie di mezzo campo da badminton, circa 40 metri quadrati.

Più sei grande, più superfici nascoste ti servono.

Prendi un albero. Il suo modo per sopravvivere è creare zucchero dal nulla e dalla luce solare.

Quindi ha bisogno di quanta più superficie possibile.

Un arancio con duemila foglie ha una superficie fogliare di 200 metri quadrati.

Ma la superficie all’interno delle foglie dove effettivamente avviene la diffusione è di 6000 metri quadrati.

Lo stesso con le radici, dove l’acqua si diffonde dal terreno in innumerevoli minuscoli peli che

massimizzano la superficie.

Le radici di un metro quadrato di erba raggiungono circa 350 metri quadrati di superficie!

Se guardiamo alla diversità mozzafiato della vita su questo pianeta, sembra che tutto sia abbastanza diverso.

E questo è.

Ma alcuni principi di base sono gli stessi per tutti e non sono cambiati in modo significativo per miliardi di anni,

se guardiamo al molto piccolo o molto molto grande: i

rifiuti escono ed entra carburante fresco. I grandi animali hanno solo bisogno di molto complesso l’impianto idraulico per renderlo possibile.

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