معلومة

كيف تشعر الخلية بحجمها؟


تأتي الخلايا بجميع أنواع الأحجام. كيف ينظمون حجم خليتهم إلى النقطة التي يكون فيها لأنواع الخلايا المتشابهة توزيع حجم أحادي التشتت إلى حد ما؟

تم طلبه من http://www.quora.com/How-Does-a-Cell-Know-Its-Size


هذا سؤال كان محور الدراسة للقرن الماضي (على سبيل المثال ، Amodel لتنظيم حجم الخلية - Ycas et al، J. Theoret. Biol. (1965) 9، 444-470). قد يتم تحديد تنظيم حجم الخلية جزئيًا عن طريق النشاط الريبوزومي (من خلال تنظيم mTor) وهو نقطة تفتيش حاسمة في انقسام الخلية.

لكن كيف تستشعر الخلية حجمها غير مفهوم. في عام 2009 ، اقترح تقريران أن تدرجات البروتين يمكن أن تكون مسؤولة عن استشعار حجم الخلية. يمكنك قراءة تعليق حول تلك المقالات في التحكم في حجم الخلية: محكوم بتدرج مكاني. - الميدا وتايرز ، ديف. زنزانة. (2009) 17 (1) ، 3-4:

كانت ظاهرة التوازن في حجم الخلية ، حيث تنسق الخلايا النمو والانقسام للحفاظ على حجم خلية موحد ، قضية بارزة في بيولوجيا الخلية لعدة عقود. أظهرت دراستان حديثتان في Nature في الخميرة الانشطارية أن تدرج عامل القطبية Pom1 هو مستشعر لطول الخلية الذي يحدد بداية تنشيط Cdc2 والانقسام.

توضح هذه المقالات إحدى الطرق التي قد تشعر بها الخلايا بحجمها ، ولكن على الأرجح توجد عدة آليات أخرى في مكانها الصحيح.


ما يحد من حجم الخلية؟

القيد الأساسي للحجم الذي يمكن لخلية واحدة أن تنمو فيه هو مبدأ رياضي يسمى نسبة السطح إلى الحجم. مع نمو حجم الجسم ثلاثي الأبعاد ، يزداد حجمه بسرعة أكبر من سطحه ، مما يسبب مشاكل التمثيل الغذائي للخلايا. بالإضافة إلى ذلك ، فإن كمية السيتوبلازم التي يمكن أن تحتويها النواة والقيود الهيكلية على الخلية تمنعها من أن تكون أكبر أيضًا.

الخلايا عبارة عن وحدات استقلابية منفصلة. يجب أن يكونوا قادرين على أخذ الموارد وطرد النفايات والطاقة. المكان الوحيد الذي يمكن للخلية القيام بذلك هو على طول الغشاء الرقيق الذي يشبه الجلد المحيط بها. مع زيادة حجم الخلية في الحجم ، يجب أن تكتسب وتطرد المزيد من المواد ، ولكن نظرًا لأن الحجم ينمو بسرعة أكبر من مساحة السطح ، فهناك حد لمقدار الانتشار الذي يمكن أن يحدث داخل الخلية أو خارجها.

نواة الخلية هي في الأساس كرة صغيرة داخل كرة أكبر. نظرًا لأن النواة يجب أن تصبح أكبر للتحكم في خلية أكبر ، فإن النواة أيضًا عرضة لمشكلة نسبة السطح إلى الحجم. هذا يحد من حجم النواة ، والذي بدوره يحد من حجم الخلية بأكملها.

بينما يحمي الغشاء الخارجي للخلية الخلية جيدًا على المستوى المجهري ، تتطلب الخلايا الكبيرة أغشية سميكة بشكل استثنائي. نظرًا لأن هذه الأغشية سميكة بما يكفي لاحتواء خلايا أكبر ، فإنها تعاني من انخفاض النفاذية.


جدول البيانات: مقارنة حجم الخلية

2. احسب مساحة السطح الإجمالية لكل نموذج خلية بالصيغة التالية:

مساحة السطح = (الطول × العرض) × 6 جوانب

سجل مساحات السطح في ملف جدول البيانات.

3. احسب أحجام كل نموذج خلية بالصيغة التالية:

الحجم = الطول × العرض × الارتفاع

سجل الأحجام في ملف جدول البيانات.

4. احسب نسبة مساحة السطح إلى الحجم لكل نموذج خلية بالصيغة التالية:

النسبة = مساحة السطح
الصوت

سجل قيم النسبة في ملف جدول البيانات.
توضح هذه النسب عدد المرات التي تكون فيها مساحة السطح أكبر مقارنة بالحجم. لاحظ أنه يصبح أقل من واحد بسرعة كبيرة.

1. ما النموذج الذي يحتوي على أكبر مساحة سطحية؟

2. أي نموذج له الحجم الأكبر؟

3. أي نموذج له أكبر نسبة؟

4. للحفاظ على الحياة ، وتنفيذ الوظائف الخلوية ، يجب أن تكون المواد قادرة على التحرك داخل الخلية وخارجها. أيضًا ، يجب أن تكون المادة قادرة على التحرك داخل الخلية. ما هي ميزة وجود مساحة كبيرة؟


كيف تحد مساحة السطح إلى نسبة الحجم من حجم الخلية؟

تحدد مساحة السطح إلى نسبة الحجم (SA: V) حجم الخلية لأنه كلما زاد حجم الخلية ، قل مساحة السطح التي تحتوي عليها بالنسبة لحجمها.

تفسير:

هذا مهم إذا كنت خلية تعتمد على الانتشار عبر جدار الخلية للحصول على الأكسجين والماء والغذاء والتخلص من ثاني أكسيد الكربون والمواد المهدرة.

كلما كبرت ، أصبح الخارج غير قادر على مواكبة احتياجات الداخل.

يمكننا أن نرى ذلك بمكعبات أجار التي تم نقعها في محلول هيدروكسيد الصوديوم.

لقد انتشرت "العناصر الغذائية" على طول الطريق إلى مركز أصغر مكعب ، ولكن يتم "تجويع" أكبر مكعب في الغالب في المركز.

إذا كنت خلية مثل أكبر مكعب ، فإن SA: V الخاص بك أصبح صغيرًا جدًا لدرجة أن مساحة سطحك ليست كبيرة بما يكفي لتزويد العناصر المغذية إلى داخلك.

في هذه المرحلة ، يجب أن تنقسم إلى خلايا أصغر أو تموت.

لذا فإن حجمك مقيد بـ SA: V.


كيف تشعر الخلية بحجمها؟ - مادة الاحياء

كل منطقة داخلية للخلية يجب أن يخدمها جزء من سطح الخلية. عندما تكبر الخلية ، يتضخم حجمها الداخلي ويتوسع غشاء الخلية. لسوء الحظ ، يزداد الحجم بسرعة أكبر من مساحة السطح ، وبالتالي تتناقص الكمية النسبية من مساحة السطح المتاحة لتمرير المواد إلى وحدة حجم الخلية بشكل مطرد.

أخيرًا ، في مرحلة ما ، يتوفر سطح كافٍ فقط لخدمة كل الأجزاء الداخلية إذا كان للبقاء على قيد الحياة ، يجب أن تتوقف الخلية عن النمو.

مساحة السطح ل
حجم الحصة النقطة المهمة هي أن مساحة السطح إلى نسبة الحجم تصبح أصغر مع زيادة حجم الخلية.

وبالتالي ، إذا نمت الخلية إلى ما بعد حد معين ، فلن تتمكن مادة كافية من عبور الغشاء بسرعة كافية لاستيعاب الحجم الخلوي المتزايد. عندما يحدث هذا ، يجب أن تنقسم الخلية إلى خلايا أصغر ذات مساحة سطح / حجم مناسب ، أو أن تتوقف عن العمل.


مساحة السطح إلى نسبة الحجم

عندما تصبح النسبة أصغر ، يستغرق انتشار العناصر وقتًا أطول.

تفسير:

عندما يزداد حجم الخلية ، يزداد الحجم أسرع من مساحة السطح ، لأن الحجم مكعّب حيث تكون مساحة السطح مربعة.

عندما يكون هناك حجم أكبر ومساحة سطح أقل ، يستغرق الانتشار وقتًا أطول ويكون أقل فعالية. هذا بسبب وجود مساحة أكبر تحتاج إلى تلقي المادة المنتشرة ، ولكن مساحة أقل لتلك المادة لدخول الخلية فعليًا.

هذا في الواقع سبب انقسام الخلايا. عندما تصبح كبيرة جدًا وتستغرق وقتًا طويلاً لنقل المواد عبر الخلية ، فإنها تفقد الكفاءة وتنقسم إلى نصفين لرفع مساحة السطح إلى نسبة الحجم.

إجابة:

تحدد مساحة السطح إلى نسبة الحجم (SA: V) حجم الخلية لأنه كلما زاد حجم الخلية ، قل مساحة السطح التي تحتوي عليها بالنسبة لحجمها.

تفسير:

هذا مهم إذا كنت خلية تعتمد على الانتشار عبر جدار الخلية للحصول على الأكسجين والماء والغذاء والتخلص من ثاني أكسيد الكربون والمواد المهدرة.

كلما كبرت ، أصبح الخارج غير قادر على مواكبة احتياجات الداخل.

يمكننا أن نرى ذلك بمكعبات أجار التي تم نقعها في محلول هيدروكسيد الصوديوم.

لقد انتشرت "العناصر الغذائية" على طول الطريق إلى مركز أصغر مكعب ، ولكن يتم "تجويع" أكبر مكعب في الغالب في المركز.

إذا كنت خلية مثل أكبر مكعب ، فإن SA: V الخاص بك أصبح صغيرًا جدًا لدرجة أن مساحة سطحك ليست كبيرة بما يكفي لتزويد العناصر المغذية إلى داخلك.

في هذه المرحلة ، يجب أن تنقسم إلى خلايا أصغر أو تموت.

لذا فإن حجمك مقيد بـ SA: V.

إجابة:

يمكنك اعتبار الخلية على أنها كرة ويقومون بحسابها فقط

تفسير:

إذا كنت تعرف نصف القطر احسبه هكذا
# (4 * pi * r ^ 2) / ((4/3) * pi * r ^ 3 #
مع r نصف قطر الخلية

السؤال التالي: كيف تقيس نصف القطر هذا في المقام الأول؟

معظم الخلايا كروية في التعليق. أي عندما يتم تعليقها بحرية في وسط سائل ، فإنها تمارس نفس القوى في جميع الاتجاهات ، مما يجعلها كروية.

يمكنك التقاط صورة في مجهر مزود بكاميرا بتكبير معروف واستخدام شريط مقياس لقياس نصف قطر الخلية. هناك أيضًا طرق لأتمتة هذا من خلال معالجة الصور

ملاحظة: لا تنطبق هذه القاعدة على الخلايا النباتية (جدار الخلية الصلب) أو كرات الدم الحمراء (المسطحة) أو العديد من الخلايا البكتيرية التي تحتفظ بشكل مختلف. في هذه الحالات ، يمكنك تقريب الخلية لتكون أسطوانة ، قرص ، متوازي المستطيلات ، إلخ ، واستخدام الصيغ المعروفة ، أو إذا كان لديك وصول إلى مجهر متحد البؤر ، يمكنك الحصول على "شرائح" تشبه إلى حد كبير الفحص بالأشعة المقطعية ، ويمكنك بناء نموذج ثلاثي الأبعاد للخلية منه. لا ينبغي أن يكون حساب مساحة السطح والحجم صعبًا بعد ذلك.


06 - جولة في الزنزانة

  • الهيكل الخلوي عبارة عن شبكة من الألياف تمتد في جميع أنحاء السيتوبلازم.
  • ينظم الهيكل الخلوي هياكل وأنشطة الخلية.

يوفر الهيكل الخلوي الدعم والحركة والتنظيم.

  • يوفر الهيكل الخلوي الدعم الميكانيكي ويحافظ على شكل الخلية.
  • يوفر الهيكل الخلوي مرسى للعديد من العضيات والإنزيمات الخلوية.
  • الهيكل الخلوي ديناميكي ويمكن تفكيكه في جزء وإعادة تجميعه في جزء آخر لتغيير شكل الخلية.
  • يلعب الهيكل الخلوي أيضًا دورًا رئيسيًا في حركة الخلية ، بما في ذلك التغييرات في موقع الخلية والحركات المحدودة لأجزاء الخلية.
  • يتفاعل الهيكل الخلوي مع البروتينات الحركية لإنتاج الحركة.
    • تعمل عناصر الهيكل الخلوي والبروتينات الحركية مع جزيئات غشاء البلازما لتحريك الخلية بأكملها على طول الألياف خارج الخلية.
    • تؤدي البروتينات الحركية إلى حركات الأهداب والسوط من خلال إمساك مكونات الهيكل الخلوي مثل الأنابيب الدقيقة وتحريكها إلى ما وراء بعضها البعض.
    • نفس الآلية تسبب تقلص خلايا العضلات.
    • تتكون ألياف الأنابيب الدقيقة من بروتين التوبولين الكروي.
    • كل جزيء توبولين عبارة عن ثنائى يتكون من وحدتين فرعيتين.
    • يتغير طول الأنبوب الدقيق عن طريق إضافة أو إزالة ثنائيات التوبولين.
    • تقاوم هذه الأنابيب الدقيقة الضغط على الخلية.
    • قبل أن تنقسم الخلية ، تتكاثر المريكزات.
    • يتم دفع العديد من الكائنات حقيقية النواة أحادية الخلية عبر الماء بواسطة الأهداب والسوط.
    • يمكن أن تمتد الأهداب أو الأسواط من الخلايا داخل طبقة الأنسجة ، والضرب لتحريك السوائل على سطح النسيج.
      • على سبيل المثال ، الأهداب التي تبطن القصبة الهوائية تكتسح المخاط الذي يحمل الحطام المحاصر خارج الرئتين.
      • يبلغ قطرها حوالي 0.25 ميكرون وطولها 2-20 ميكرون.
      • يبلغ عرض فلاجيلا نفس عرض الأهداب ، لكن طوله يتراوح من 10 إلى 200 ميكرون.
      • السوط لديه حركة متموجة تولد القوة في نفس اتجاه محور السوط.
      • تتحرك الأهداب بشكل أشبه بالمجاديف ذات الطاقة المتناوبة وضربات الاسترداد التي تولد قوة عمودية على محور الهدب.
      • كلاهما يحتوي على لب من الأنابيب الدقيقة مغلف بغشاء البلازما.
      • تسعة أزواج من الأنابيب الدقيقة مرتبة في حلقة حول زوج في المركز. تم العثور على هذا النمط "9 + 2" في جميع أهداب وأسواط حقيقية النواة تقريبًا.
      • تربط "العجلات" المرنة من البروتينات المضاعفات الخارجية ببعضها البعض وبالأنابيب المركزية.
      • ترتبط المضاعفات الخارجية أيضًا بالبروتينات الحركية.
      • يتم تثبيت الهدب أو السوط في الخلية بواسطة جسم قاعدي ، يتطابق هيكله مع المريكز.
      • تؤدي إضافة وإزالة مجموعة الفوسفات إلى تغيرات في التشكل في الدينين.
      • تمسك أذرع Dynein بالتناوب وتحرك وتحرر الأنابيب الدقيقة الخارجية.
      • البروتين المتقاطع يحد من الانزلاق. نتيجة لذلك ، تتسبب القوى التي تمارسها أذرع الداينين ​​في انحناء الثنائيات ، مما يؤدي إلى ثني الهدب أو السوط.
      • تم بناء كل خيوط دقيقة كسلسلة مزدوجة ملتوية من وحدات فرعية أكتين.
      • يمكن أن تشكل الألياف الدقيقة شبكات هيكلية بسبب قدرتها على التفرع.
      • في خلايا العضلات ، يتم ترتيب الآلاف من خيوط الأكتين بالتوازي مع بعضها البعض.
      • تتشابك الشعيرات السميكة المكونة من الميوسين مع ألياف الأكتين الرقيقة.
      • تعمل جزيئات الميوسين كبروتينات حركية ، تمشي على طول خيوط الأكتين لتقصير الخلية.
      • يقسم الحزام المتعاقد من الخيوط الدقيقة سيتوبلازم الخلايا الحيوانية أثناء انقسام الخلية.
      • يؤدي الانكماش الموضعي الناجم عن الأكتين والميوسين أيضًا إلى حركة الأميبويد.
        • تتمدد الأرجل الكاذبة ، الامتدادات الخلوية ، وتتقلص من خلال التجميع القابل للانعكاس وانكماش وحدات الأكتين الفرعية في خيوط دقيقة.
          • تتجمع الألياف الدقيقة في شبكات تحول سول إلى هلام.
          • وفقًا لنموذج مقبول على نطاق واسع ، تتفاعل الخيوط القريبة من الحافة الخلفية للخلية مع الميوسين ، مما يؤدي إلى الانكماش.
          • يدفع الانكماش السائل الداخلي إلى الصوديوم الكاذب ، حيث تضعف شبكة الأكتين.
          • يمتد الصوديوم الكاذب حتى يتجمع الأكتين في شبكة.
          • هذا يخلق تدفقًا دائريًا من السيتوبلازم في الخلية ، مما يسرع من توزيع المواد داخل الخلية.
          • الخيوط الوسيطة مخصصة لتحمل التوتر.

          مفهوم 6.7 المكونات خارج الخلية والوصلات بين الخلايا تساعد في تنسيق الأنشطة الخلوية

          الخلايا النباتية مغلفة بجدران الخلايا.

          • جدار الخلية ، الموجود في بدائيات النوى والفطريات وبعض الطلائعيات ، له وظائف متعددة.
          • في النباتات ، يحمي جدار الخلية الخلية ويحافظ على شكلها ويمنع الامتصاص المفرط للماء.
          • كما أنه يدعم النبات ضد قوة الجاذبية.
          • يختلف سمك جدران الخلايا وتركيبها الكيميائي من نوع لآخر وبين أنواع الخلايا داخل النبات.
          • يتكون التصميم الأساسي من الألياف الدقيقة من السليلوز المدمجة في مصفوفة من البروتينات والسكريات الأخرى. هذا هو التصميم الأساسي للخرسانة المسلحة بالصلب أو الألياف الزجاجية.
          • يتكون جدار الخلية الناضج من جدار خلوي أولي ، ولاميلا وسطى بها عديدات سكريات لزجة تحافظ على تماسك الخلايا ، وطبقات من جدار الخلية الثانوي.
          • يتم ثقب جدران الخلايا النباتية بواسطة قنوات بين الخلايا المجاورة تسمى plasmodesmata.

          تعمل المصفوفة خارج الخلية (ECM) للخلايا الحيوانية في الدعم والالتصاق والحركة والتنظيم.

          • على الرغم من افتقارها إلى جدران الخلايا ، إلا أن الخلايا الحيوانية لديها مصفوفة متقنة خارج الخلية (ECM).
          • المكونات الأساسية للمصفوفة خارج الخلية هي البروتينات السكرية ، وخاصة ألياف الكولاجين ، المضمنة في شبكة من البروتينات البروتينية السكرية.
          • في العديد من الخلايا ، تتصل الألياف الضوئية الموجودة في ECM بإنتجرينات ، وهي بروتينات غشاء داخلية تمتد على الغشاء وترتبط على جانبها السيتوبلازمي بالبروتينات المرتبطة بالخيوط الدقيقة في الهيكل الخلوي.
            • تسمح الترابطات من وحدة التحكم في المحرك إلى الهيكل الخلوي عبر رابط فيبرونيكتين-إنتغرين بدمج التغييرات داخل الخلية وخارجها.
            • تهاجر الخلايا الجنينية على طول مسارات محددة عن طريق مطابقة اتجاه خيوطها الدقيقة إلى "حبيبات" الألياف في المصفوفة خارج الخلية.
            • يمكن للمصفوفة خارج الخلية أن تؤثر على نشاط الجينات في النواة عبر مجموعة من مسارات الإشارات الكيميائية والميكانيكية.
              • هذا قد ينسق سلوك جميع الخلايا داخل الأنسجة.

              تساعد الوصلات بين الخلايا على دمج الخلايا في مستويات أعلى من البنية والوظيفة.

              • غالبًا ما تلتصق الخلايا المجاورة في الأنسجة أو الأعضاء أو أنظمة الأعضاء وتتفاعل وتتواصل من خلال الاتصال الجسدي المباشر.
              • يتم ثقب الخلايا النباتية باستخدام plasmodesmata ، وهي قنوات تسمح للعصير الخلوي بالمرور بين الخلايا.
                • يمكن أن يمر الماء والمذابات الصغيرة بحرية من خلية إلى أخرى.
                • في ظروف معينة ، يمكن تبادل البروتينات والحمض النووي الريبي.
                • هذا يمنع تسرب السائل خارج الخلية.
                • الخيوط الوسيطة من الكيراتين تعزز الديسموسومات.
                • تحيط بروتينات غشائية خاصة بهذه المسام.
                • يمكن أن تمر الأيونات والسكريات والأحماض الأمينية والجزيئات الصغيرة الأخرى.
                • في الأجنة ، تسهل وصلات الفجوات الاتصال الكيميائي أثناء التطور.

                الخلية هي وحدة حية أكبر من مجموع أجزائها.

                • بينما تحتوي الخلية على العديد من الهياكل ذات الوظائف المحددة ، يجب أن تعمل كل هذه الهياكل معًا.
                  • على سبيل المثال ، تستخدم البلاعم خيوط الأكتين لتحريك وتوسيع الأرجل الكاذبة لالتقاط فريستها البكتيرية.
                  • يتم هضم فجوات الطعام بواسطة الجسيمات الحالة ، وهو أحد منتجات نظام الغشاء الداخلي لـ ER و Golgi.

                  مخطط محاضرة لبيولوجيا كامبل / ريس ، الإصدار السابع ، © Pearson Education، Inc. 6-1


                  الحجم مهم: كيف تتراكم الخلايا في الأنسجة الظهارية

                  ترتيب استنساخ الخلايا الطبيعي الذي تتجمع فيه معًا (أعلى ، أرجواني) ونسخ متحولة تتكون من خلايا أصغر منتشرة بشكل شاذ داخل النسيج الظهاري (أسفل). الائتمان: مختبر جيبسون ، معهد Stowers للأبحاث الطبية

                  استنساخ الخلايا الصغيرة في تكاثر الظهارة - الأنسجة التي تبطن جميع أسطح الجسم - تنظم بشكل مختلف تمامًا عن نظيراتها ذات الحجم الطبيعي ، وفقًا لدراسة حديثة من معهد Stowers Institute for Medical Research. تم النشر على الإنترنت في 5 سبتمبر 2019 ، باللغة الخلية التنموية، هذه النتائج من مختبر ماثيو جيبسون ، دكتوراه ، قد تسهم في فهم أفضل لكيفية تقدم بعض الأمراض البشرية.

                  يقول المؤلف الأول وزميل أبحاث ما بعد الدكتوراة سوبرامانيان ب. "ما هو غير معروف بالضبط هو ما إذا كان حجم الخلية التفاضلية هو المحرك لتطور السرطان أو نتيجة له."

                  عادة ما تكون الخلايا الموجودة في الصفيحة الظهارية متصلة بهياكل تشبه الفيلكرو تسمى الوصلات اللاصقة ولها توزيع شبه منتظم الحجم. نتيجة لذلك ، تميل الخلايا المرتبطة بالنسب إلى الالتصاق ببعضها البعض في بقع فسيفساء يُشار إليها باستنساخ الخلايا. في ذبابة الفاكهة ذبابة الفاكهة سوداء البطنيمكن لاستنساخ الخلايا الظهارية التي تحتوي على خلايا أصغر أن تفقد الاتصال ببعضها البعض وتنتشر بين جيرانها.

                  التشتت المذهل لخلايا صغيرة تحمل طفرات في جين يسمى تور تمت ملاحظته لأول مرة منذ أكثر من عقد من قبل جيبسون عندما كان باحثًا في مرحلة ما بعد الدكتوراه. يقول جيبسون: "لقد حيرت الأمر ، لكنني لم أستطع أن أفهم سبب تشتت الخلايا الطافرة داخل طبقة الخلية". ليس حتى عام 2015 ، عندما انضم راماناثان إلى المختبر ، بدأوا في تجميع العلم وراء هذه الملاحظة.

                  راماناثان لديه خلفية في الميكانيكا الحيوية لتقسيم الخلايا. يتذكر ، "لقد كنا متحمسين للغاية لإمكانية تطبيق اهتمامي بميكانيكا الخلية الواحدة في سياق كيفية تنظيم الخلايا الظهارية."

                  يقول جيبسون: "اعتقدنا في البداية أننا سنقوم بدراسة الانقسام الخلوي وعلاقته بتكوين الوصلات". "ولكن استنادًا إلى تجارب سوبرامانيان ، قررنا أن تور تنقسم الخلايا وتصنع تقاطعًا يصبح لاحقًا غير مستقر. كان قادرًا على استبعاد الهيكل الخلوي أو التفسيرات الفيزيائية الحيوية ، وأدى ذلك إلى معالجة رياضية للمشكلة ".

                  يقول راماناثان نقلاً عن D'Arcy Wentworth Thompson: "كانت لحظة eureka هي تجربة فقاعات الصابون" على النمو والشكل. "منذ حوالي مائة عام ، وثق طومسون التشابه بين كيفية تنظيم رغوة الصابون والأنسجة البيولوجية. تنمو خلايا الصابون وتنكمش بطريقة يمكن التنبؤ بها للغاية. وجدنا أن التقاطعات المشتركة بين خلايا الصابون الأصغر تنهار كثيرًا مما يفصل الخلايا الصغيرة. كان هذا مشابه بشكل لافت للنظر لما رأيناه في الأنسجة الطلائية "، كما يقول راماناثان.

                  استنتج راماناثان أن تشتت خلية Tor يمكن أن يكون نتيجة هندسية. يعترف: "كان علينا أن نقنع أنفسنا أن هذا ما كان يحدث". لاستكشافه في المحض في السيليكو في إطار العمل ، تواصلوا مع المؤلف المشارك ماتيج كراجنك ، دكتوراه ، من جامعة برينستون ، الذي لديه خبرة في هذه الأنواع من النماذج. "لقد كان متحمسًا لتعديل حجم الخلية ، لمعرفة ما إذا كان بإمكاننا رؤية أنماط مماثلة تظهر في السيليكو. وهذا بالفعل ما رأيناه ".

                  يعد تحويل الصفيحة الظهارية إلى هيكل ثلاثي الأبعاد متخصص وظيفيًا من أكثر الأعمال المذهلة في علم الأحياء التطوري. للقيام بذلك ، تعتمد الأنظمة الظهارية على التوحيد بين الخلايا. تشكل العمليات التنموية الظهارة ونحتها من خلال إنشاء خصائص خاصة بالمنطقة والتي من المفهوم تقليديًا أنها مدفوعة بمسارات جزيئية.

                  يقول جيبسون: "في جسم الإنسان ، الذي يتكون أساسًا من طبقات الخلايا الظهارية ، فإن الغالبية العظمى من الطفرات التي نراكمها ليست سلالة جرثومية ، بل هي بالأحرى جسدية ، وبالتالي ذات طبيعة نسيلية". "في سياق التسبب في المرض ، نظرًا لأن الطفرات تخلق تأثيرات نسيلية ، فليس لدينا إطار عمل للتفكير في كيفية تصرف استنساخ الخلايا عندما تكون مختلفة وراثيًا عن الخلايا البرية المحيطة ، ولكنها مهمة للغاية." يواصل مختبر جيبسون بناء هذه الدراسة والأعمال ذات الصلة لفهم التفاعل بين مجموعات الخلايا الظهارية غير المتجانسة جسديًا وجينيًا.


                  انتشار خلية أجار

                  تتطلب جميع الخلايا البيولوجية نقل المواد عبر غشاء البلازما إلى داخل الخلية وخارجها. عن طريق غرس مكعبات الآجار بمؤشر الأس الهيدروجيني ، ثم نقع المكعبات المعالجة في الخل ، يمكنك نمذجة كيفية حدوث الانتشار في الخلايا. بعد ذلك ، من خلال مراقبة المكعبات ذات الأحجام المختلفة ، يمكنك اكتشاف سبب احتياج الخلايا الأكبر حجمًا إلى مساعدة إضافية لنقل المواد.

                  الأدوات والمواد

                  • مسحوق أجار أجار
                  • مقياس رقمي
                  • تخرج الاسطوانة
                  • ماء
                  • خفقت أو شوكة
                  • وعاء أو وعاء قابل للتسخين في الميكروويف بحجم 500 مل على الأقل
                  • الميكروويف (غير معروض)
                  • وسادة ساخنة أو قفاز الفرن
                  • سطح آمن للحرارة
                  • مؤشر الأس الهيدروجيني ، مثل أزرق بروموثيمول أو الفينول فثالين
                  • الأمونيا
                  • صينية خبز زجاجية صغيرة أو قوالب مكعبات ثلج سيليكون على شكل مكعب
                  • مسطرة متري بلاستيكية واضحة
                  • سكين حاد
                  • حاوية شفافة لغمر مكعبات الآجار
                  • خل
                  • آلة حاسبة
                  • قلم رصاص وورقة
                  • ملعقة
                  • ورقة بيضاء أو لوحة
                  • الموقتات

                  المجسم

                  1. قم بقياس 1.6 جرام من أجار أجار و 200 مل من الماء. اخلطيهم معًا بمخفقة أو شوكة في وعاء كبير آمن للاستخدام في الميكروويف.
                  2. سخني المحلول في الميكروويف على حرارة عالية لمدة 30 ثانية. قم بإزالته إلى سطح آمن للحرارة باستخدام وسادة ساخنة أو قفازات الفرن ، وحركه ، ثم أعده إلى الميكروويف لمدة 30 ثانية. كرر هذه العملية حتى يغلي الخليط. (ابق عينك عليها لأنها يمكن أن تغلي بسهولة شديدة!) عند الانتهاء ، قم بإزالة الحاوية وضعها على حامل أو أي سطح آخر آمن للحرارة.
                  3. اختر مؤشرًا واحدًا للأس الهيدروجيني للعمل معه (إما أزرق البروموثيمول أو الفينول فثالين) وأضف بضع قطرات منه إلى محلول أجار.إذا كنت تستخدم الأزرق البروموثيمول، أضف مؤشرًا كافيًا حتى يتحول المزيج إلى اللون الأزرق. إذا كان لونه أخضر ، أضف قطرة من الأمونيا في كل مرة حتى يصبح لونه أزرق (انظر الصورة أدناه). إذا كنت تستخدم الفينول فثالين، أضف مؤشرًا كافيًا حتى يتحول المزيج إلى اللون الوردي الباهت. أضف الأمونيا قطرة قطرة حتى يتحول الخليط (ويبقى) بلون وردي فاتح (انظر الصورة أدناه).

                  ما يجب القيام به والإشعار

                  ضع بضعة مليليترات من مؤشر الأس الهيدروجيني في وعاء صغير (إما أزرق البروموثيمول أو الفينول فثالين). باستخدام قطارة ، أضف بضع قطرات من الخل. ماذا تلاحظ؟

                  يحتوي الخل كحمض على عدد كبير من أيونات الهيدروجين. عندما تتلامس أيونات الهيدروجين مع مؤشر الأس الهيدروجيني ، يتغير لون المحلول.

                  املأ وعاءً شفافًا بالخل حتى عمق 3 سم. ضع مكعب أجار واحد من كل حجم في الخل ، وتأكد من غمر الكتل. سيتم استخدام الكتل غير المعالجة (واحدة من كل حجم) للمقارنة. ما رأيك سيحدث لكل مكعب؟

                  حدد مساحة السطح وحجم كل مكعب. لإيجاد مساحة السطح ، اضرب طول أحد جوانب المكعب في عرض أحد جوانب المكعب. سيعطيك هذا مساحة وجه واحد من المكعب. اضرب هذا الرقم في 6 (عدد الوجوه على مكعب) لتحديد مساحة السطح الإجمالية. لإيجاد الحجم ، اضرب طول المكعب في عرضه في ارتفاعه. ثم حدد نسب مساحة السطح إلى الحجم بقسمة مساحة السطح على الحجم لكل مكعب.

                  كيف ستعرف ما إذا كانت أيونات الهيدروجين تتحرك في المكعب؟ كم من الوقت تعتقد أنه سيستغرق انتشار أيونات الهيدروجين بالكامل في كل مكعب من المكعبات؟ لماذا ا؟ كيف يمكنك معرفة ما إذا كان الخل قد اخترق المكعب بالكامل؟

                  بعد 5 دقائق ، أخرجي المكعبات من الخل بملعقة بلاستيكية ، وضعيها على ورق أبيض أو على طبق أبيض. قارن المكعبات المعالجة بالمكعبات غير المعالجة ولاحظ أي تغيرات في اللون.

                  ما مقدار الخل الذي تم امتصاصه بواسطة كل مكعب معالج؟ طريقة واحدة لقياس هذا هو حساب النسبة المئوية من حجم المكعب الذي اخترقه الخل. (تلميح: قد يكون من الأسهل أولاً التفكير في الحجم الذي لم يتم اختراقه بواسطة الخل - الجزء الذي لم يتغير لونه بعد.) هل تريد تعديل أي من تنبؤاتك لأوقات الانتشار؟ ما هي توقعاتك الجديدة؟

                  أعد بعناية كل المكعبات المعالجة إلى الخل. استمر في فحص المكعبات المنقوعة في الخل كل 5 دقائق عن طريق إزالتها لتحديد النسبة المئوية للمكعب الذي تم اختراقه بواسطة الخل. استمر في هذه العملية حتى يتغلغل الخل في المكعبات بالكامل. قم بتدوين الوقت الذي يحدث فيه هذا.

                  ما الذي تلاحظه في نسبة الاختراق لكل مكعب من المكعبات في فترات زمنية مختلفة؟ ما هي العلاقات التي تلاحظها بين مساحة السطح والحجم ونسبة مساحة السطح إلى الحجم ونسبة الاختراق؟ ماذا يقول هذا عن الانتشار عندما يكبر الجسم؟

                  ماذا يحدث هنا؟

                  لا يمكن للخلايا البيولوجية البقاء على قيد الحياة إلا إذا تمكنت المواد من الدخول والخروج منها. في هذه الوجبة الخفيفة ، استخدمت مكعبات أجار لتصور كيف يتغير الانتشار اعتمادًا على حجم الكائن الذي يتناول المادة.

                  يحدث الانتشار عندما تتحرك الجزيئات في منطقة ذات تركيز أعلى إلى منطقة ذات تركيز أقل. عندما تنتقل أيونات الهيدروجين من الخل إلى مكعب الأجار ، يتغير لون المكعب مما يسمح لك برؤية مدى انتشارها. بينما ستؤدي الحركة الجزيئية العشوائية إلى استمرار الجزيئات والأيونات الفردية في التحرك ذهابًا وإيابًا بين المكعب ومحلول الخل ، ستظل التركيزات الكلية في حالة توازن ، مع تركيزات متساوية داخل وخارج مكعب أجار.

                  كيف وجدت النسبة المئوية للمكعب الذي اخترقته أيونات الهيدروجين في فترات زمنية مختلفة؟ طريقة واحدة للقيام بذلك هي البدء بحجم المكعب الذي يحتوي على ليس تم اختراقه - بمعنى آخر ، الجزء الموجود في المركز الذي لم يتغير لونه بعد. لتحديد حجم هذا المكعب الداخلي ، قم بقياس طول هذا المكعب الداخلي واضربه في العرض والارتفاع. اطرح هذا من الحجم الأصلي للمكعب وستحصل على حجم المكعب الذي تم اختراقه. بقسمة هذا الرقم على الحجم الأصلي وضربه في 100٪ ، يمكنك تحديد نسبة الاختراق لكل مكعب.

                  ربما لاحظت أنه كلما زاد حجم المكعب المنقوع في الخل ، يزداد الوقت الذي يستغرقه انتشار الخل في المكعب أيضًا - ولكن ليس بطريقة خطية. بمعنى آخر ، إذا تضاعفت أبعاد المكعب ، فإن الوقت الذي تستغرقه أيونات الهيدروجين لتنتشر تمامًا بأكثر من الضعف. عندما تضاعف الحجم ثلاث مرات ، فإن الوقت اللازم للتشتيت يزيد كثيرًا عن ثلاثة أضعاف. لماذا يحدث هذا؟

                  كلما زاد حجم الكائن ، يزداد الحجم أيضًا ، ولكن بأكثر مما تعتقد. على سبيل المثال ، عندما يتضاعف المكعب من طول 1 سم إلى 2 سم ، تزداد مساحة السطح بمعامل أربعة ، من 6 سم 2 (1 سم × 1 سم × 6 جوانب) إلى 24 سم 2 ( 2 سم × 2 سم × 6 جوانب). ومع ذلك ، يزيد الحجم بمعامل ثمانية، زيادة من 1 سم 3 (1 سم × 1 سم × 1 سم) إلى 8 سم 3 (2 سم × 2 سم × 2 سم).

                  نظرًا لأن الحجم يتزايد بعامل أكبر من مساحة السطح ، تقل نسبة مساحة السطح إلى الحجم. كلما زاد حجم المكعب ، تقل نسبة مساحة السطح إلى الحجم (انقر لتكبير الجدول أدناه). لا يمكن للخل أن يدخل المكعب إلا من خلال سطحه ، وبهذا تتناقص هذه النسبة ، يزداد الوقت الذي يستغرقه الانتشار في جميع أنحاء الحجم بشكل كبير.

                  أي شيء يدخل الخلية (مثل الأكسجين والغذاء) أو يخرج منها (مثل النفايات) يجب أن ينتقل عبر غشاء الخلية. مع نمو الخلايا بشكل أكبر ، تقل نسبة مساحة السطح إلى الحجم بشكل كبير ، تمامًا كما هو الحال في مكعبات الآجار. لا يزال يتعين على الخلايا الأكبر حجمًا نقل المواد عبر أغشيتها ، ولكن لديها حجم أكبر لتزويدها ومساحة سطح أصغر نسبيًا يمكن من خلالها القيام بذلك.

                  الخلايا البكتيرية صغيرة نسبيًا ولها مساحة أكبر نسبيًا من مساحة السطح إلى الحجم. الخلايا حقيقية النواة ، مثل تلك الموجودة في النباتات والحيوانات ، أكبر بكثير ، ولكن لديها هياكل إضافية لمساعدتها على إجراء الكمية المطلوبة من النقل عبر الأغشية. توفر سلسلة من الهياكل المرتبطة بالغشاء المستمرة مع غشاء البلازما ، مثل الشبكة الإندوبلازمية ، مساحة سطح إضافية داخل الخلية ، مما يسمح بحدوث نقل كافٍ. حتى مع هذه الاستراتيجيات ، هناك حدود عليا لحجم الخلية.

                  الذهاب أبعد

                  بينما تبحث هذه الوجبة الخفيفة في كيفية تأثير حجم مكعب أجار على الانتشار ، يظل شكل كل مكعب ثابتًا. ومع ذلك ، فإن الخلايا البيولوجية تأتي في أشكال مختلفة. لمعرفة كيف تؤثر الأشكال المختلفة من "الخلايا" على معدلات الانتشار ، جرب أشكالًا مختلفة من المواد الصلبة أجار. يمكن العثور على قوالب مكعبات الثلج بشكل كروي وقضيب بالإضافة إلى المكعبات. كيف يؤثر الشكل على نسب المساحة إلى الحجم؟

                  نصائح تعليمية

                  تتناسب هذه الوجبة الخفيفة بشكل جيد مع سلسلة من التحقيقات حول التناضح والانتشار. سيسمح The Naked Egg Snack للطلاب باستكشاف كيف تعمل تدرجات التركيز على تحريك المواد داخل وخارج الخلايا. سيساعد The Cellular Soap Opera Snack الطلاب على التفكير في أنواع المواد التي تتحرك عبر أغشية الخلايا.

                  لمساعدة الطلاب على فهم مفاهيم مساحة السطح والحجم ونسبة السطح إلى الحجم بشكل أفضل ، اطلب منهم بناء نماذج بمكعبات بلاستيكية بالسنتيمتر. يمكن أن تساعد النماذج المادية في جعل هذه الأفكار أكثر واقعية. يمكن للطلاب أيضًا رسم بيانات الفصل بيانيًا لفهم العلاقات الرياضية المعنية بشكل أفضل.

                  إذا لم يكن هناك وقت كافٍ خلال فترة الفصل الدراسي لاختراق أكبر المكعبات بالكامل بواسطة أيونات الهيدروجين الموجودة في الخل ، فيمكن للطلاب تدوين النسبة المئوية للمكعب الذي تم اختراقه بواسطة الخل واستخدام هذه البيانات لاستقراء نتيجة. بدلاً من ذلك ، قد يتمكن الطلاب في الفترة التالية من ملاحظة وقت الفصل السابق.

                  يأتي Agar-agar كمسحوق ويمكن شراؤه عبر الإنترنت أو في الأسواق التي تعرض الأطعمة الآسيوية. يمكن استخدام الجيلاتين بدون نكهة كبديل ، ولكن يصعب التعامل معه. لعمل مكعبات من الجيلاتين ، أضف الماء المغلي (25٪ أقل من الكمية الموصى بها على العبوة) إلى مسحوق الجيلاتين ، وحركه ، ثم ضعه في الثلاجة طوال الليل. قد تحتاج إلى تجربة نسبة الماء إلى الجيلاتين لتحقيق الاتساق المثالي.

                  يمكن استخدام عصير الملفوف كبديل غير مكلف لحلول مؤشرات الأس الهيدروجيني التجارية. لعمل مؤشر لعصير الملفوف ، صب الماء المغلي فوق الملفوف الأحمر المفروم واتركه لمدة 10 دقائق. قم بتصفية الملفوف ، واستخدم الماء الأرجواني المتبقي لخلطه مع مسحوق أجار.


                  3. خلايا ميركل

                  خلايا ميركل هي أيضًا محولات طاقة لللمسة الخفيفة ، تستجيب لقوام وشكل الأشياء التي تسبب أثرًا للجلد. على عكس جسيمات Pacinian و Meissner ، فإنها لا تتكيف بسرعة مع منبه مستدام ، أي أنها تستمر في توليد نبضات عصبية طالما بقي المنبه.

                  توجد خلايا ميركل في الجلد غالبًا بالقرب من الشعر. إنها تتوسط تمييزًا ممتازًا من نقطتين في الجرذ ، تؤدي الحركة الخفيفة للشعر إلى إطلاق جهد مولد في خلية ميركل. إذا وصل هذا إلى العتبة ، فإن تدفق أيونات الكالسيوم عبر قنوات الكالسيوم ذات الجهد الكهربائي يولد إمكانات فعلية في خلية ميركل. هذه تسبب إطلاق النواقل العصبية عند المشبك مع الخلايا العصبية الحسية A & بيتا. (قد يكون لهذا العصبون أيضًا قنواته الأيونية ميكانيكيًا الخاصة به والقادرة على توليد إمكانات العمل بشكل أسرع مما يمكن لخلايا ميركل.)


                  شاهد الفيديو: Explain the importance of the surface area to volume ratio as a factor limiting cell size (كانون الثاني 2022).