Buněčná Teorie, Velikost a Ekologie

Názor na definici buňky se vyvíjel dlouhá léta. Do dnešních dnů je nejuznávanější tzv. buněčná teorie, která vznikla v 19. století.

Historie Výzkumu Buňky

První, kdo vyslovil její základy, byl J. E. Purkyně roku 1837 (Zrnéčková teorie). Jeho teorie ale nebyla dokonalá, proto není považován za autora buněčné teorie. Purkyně si myslel, že buňky vznikají de novo (z neživé hmoty).

V letech 1838-1839 Schleiden a Schwann potvrdili, že buňky jsou základní jednotkou všech rostlin a živočichů. Nakonec v roce 1855 R. Janssen 1590 - zkonstruoval 1.

Základní Definice Buňky

Buňka je tedy základní funkční a morfologickou jednotkou živých organismů, je dále nedělitelná na jednodušší složky, které by měly základní znaky živé soustavy, tzn., nejsou schopny se samy udržovat. Je to minimální jednotka strukturní, funkční, reprodukční.

Buňka je základní stavební a funkční jednotkou živých organismů. Organismy mohou být v základu jednobuněčné či mnohobuněčné. U mnohobuněčných organismů soubory buněk tvoří tkáně (u rostlin též označované jako pletiva), z tkání se skládají orgány (např.

Čtěte také: Environmentální a nativistické teorie: Podrobný rozbor

Srovnání Organismů

Bakterie jsou jednobuněčné (či jejich buňky tvoří kolonie). Rostliny, živočichové, houby či prvoci/protisté patří mezi tzv. eukaryotní organismy, které v buňkách mají pravé jádro ohraničené membránou.

Struktura Eukaryotické Buňky

• Jádro (a) - Je ohraničené jadernou membránou. Je v něm uložena genetická informace ve formě DNA. DNA je návod na tvorbu bílkovin (proteinů). Ty ovlivňují, jak organismy budou vypadat (jsou např. stavebním materiálem) a fungovat (tvoří např.
• Cytoplazmatická membrána (b) - Ohraničuje buňku, zajišťuje výměnu látek s okolím a komunikaci.
• Buněčná stěna (c; není u živočichů) - Vně cytoplazmatické membrány. Je propustná, zpevňuje buňku. Můžeme získat energii např.
• Vakuoly (e; v živočišných buňkách nemusejí být) - Jsou skladištěm různých látek (např. voda, cukry, barviva…). Např. květenství chrpy je modré, protože ve vakuolách jeho buněk jsou barviva anthokyany.

Cytosol je polotekutý vodný roztok, v němž jsou uloženy buněčné součásti (organely). Mitochondrie a chloroplasty pravděpodobně vznikly v průběhu evoluce pohlcením bakterie (u chloroplastu konkrétně sinice). Samostatně se dělí a ponechávají si část své původní DNA.

Cytoskelet (5) - Zajišťuje rozmístění organel, transport látek a průběh buněčného dělení. U rostlin se kromě chloroplastů nachází např.

Kompartmentizace

Jádro s jadérkem, membránou a jadernými póry; uvnitř je tzv. - kompartmentizace (kompartment = okrsek) = rozdělení organel u E. buněk (v P.

Rozdíl ve stavbě bičíku - bičík ukotven v tzv. - P. - E. nejjednodušší tvar má např. buňky odbourávající kostní tkáň mívají až 100 jader; mnohojaderné útvary vznikají např.

Čtěte také: Příčiny znečištění Země

Vnitřek je vyplněn polotekutou hmotou = karyoplazma, v níž se nacházejí vláknité útvary - chromozomy, které obsahují DNA (v době, kdy se buňka nedělí je jádro tvořeno zrnitými chromatiny, při dělení buňky pozorujeme chromozomy = barvitelná tělíska pentlicovitého tvaru, sloužící jako buněčný „archiv“ - uložena gen.

Je složena z dvojvrstvy fosfolipidů uspořádaných tak, že řetězce mastných kyselin (hydrofobní konce) směřují k sobě a fosfátové části (hydrofilní konce) směřují od sebe (viz. Odmaturuj str.

Viskózní koncentrovaný roztok obsahující molekuly organických i anorganických látek, vyplňuje celý obsah buňky, často obsahuje kapénky nebo krystalky odpadních nebo zásobních látek, tzv.

Uvnitř rostlinných buněk se mohou ukládat některé často nápadné součásti - produkty jejich metabolismu jako např.: škrobová zrna, mikrokapénky tuků, krystalické inkluze (např.

Obsahuje molekuly org. i anorg. může obsahovat kapénky nebo krystalky odpad. nebo zásob. látek (tzv.

Čtěte také: Nová teorie pro krajinu

U sinic: více molekul tvoří DNA, tzv. např.

Ekologie a Teorie Buněčné Velikosti

Biologové a fyzikové z Nového Mexika aspirují na vytvoření nové teorie, která vychází ze základních principů fyziky, chemie a biologie, a měla by postihnout většinu rozmanitosti a fungování organizmů.

Nejnápadnější vlastností života je jeho rozmanitost. Množství způsobů, jimiž organizmy čelí nástrahám prostředí, je tak ohromné, až se zdá, že pokusy nějak se v tom vyznat musí nutně selhat. Každá skupina rostlin nebo živočichů totiž dostala do vínku jiná omezení, která určují, jak se budou jejich životní strategie vyvíjet.

A tak dosud jediná úspěšná obecná biologie je ta, která se zabývá molekulami a jejich fungováním v buňce, poněvadž to je to jediné, co mají všechny organizmy více či méně společné. Na druhou stranu víme, že různé vlastnosti organizmů spolu nějak souvisejí. Například větší organizmy se často dožívají vyššího věku, ale mívají méně potomků než ty menší. Takových vzájemných souvislostí známe spoustu, donedávna to však byly právě jen známé korelace.

Fyzika a Biologie

Vše začalo v polovině devadesátých let 20. století v Santa Fe Institutu v Novém Mexiku. 1) Částicový fyzik Geoff rey West si jednou posteskl, že ho na stará kolena začíná čím dál tím víc zajímat, proč mají různí tvorové tak odlišnou délku života - proč my lidé začínáme rychle stárnout v nějakých sedmdesáti, zatímco želva sloní je v tom věku ještě mladicí. Kolegové jej upozornili, že podobnými otázkami se zabývá o pouhých šedesát mil jižněji, na univerzitě v Albuquerque, ekolog Jim Brown. Ten byl v té době již značně proslulý jako otec makroekologie, tedy oboru zabývajícího se ekologickými procesy a jevy pozorovatelnými na velkých časových a prostorových měřítkách. G. We st s J.

Fyzikální přístup se totiž od biologického značně liší. Zatímco biologové sledují a popisují nejrozmanitější jevy a procesy probíhající v živé přírodě, fyzikové se snaží nacházet obecná, co nejjednodušší a kvantitativně vyjádřitelná pravidla, která by platila nezávisle na kontextu. Tomu v biologii na první pohled brání nesmírná složitost živých systémů. Jenže ve skutečnosti existuje řada fyzikálních systémů, které nejsou méně složité, ale fyzikové je dovedou zjednodušit tak, že vystihnou to podstatné a zanedbají nepodstatné.

První, čím se G. West s J. Brownem začali zabývat, byla rychlost metabolizmu. Ta je pro život klíčová, poněvadž - zjednodušeně řečeno - rozhoduje o tom, jak rychle daný organizmus žije, kolik si toho z prostředí bere a kolik toho dává zpět.

O rychlosti metabolizmu se vědělo, že těsně souvisí s tělesnou velikostí: větší zvířata mají rychlejší metabolizmus, ale nikoli proporcionálně - vztaženo na jednotku hmotnosti jej mají naopak pomalejší než menší zvířata (viz rámeček 2 ). To se dříve vysvětlovalo poměrem povrchu a objemu: větší zvířata mají relativně menší povrch těla vůči objemu, a tedy teoreticky nižší tepelné ztráty. Tohle vysvětlení by znamenalo, že rychlost metabolizmu bude úměrná hmotnosti umocněné na dvě třetiny (neboť povrch je dvojrozměrný a objem trojrozměrný), ale není to tak: mocnina té funkce se pohybuje někde velmi blízko tří čtvrtin. To znamená, že metabolizmus roste s rostoucí hmotností čím dál tím pomaleji, ale ne zas tak pomalu, aby se to dalo vysvětlit jednoduchou geometrií.

Co je Organismus

Organizmus se liší od kusu neživé hmoty v několika ohledech. Zaprvé se stará o sebe, tedy dělá to, co je pokud možno prospěšné pro předání svých vlastností do dalších generací. Zadruhé se (přestože tvoří celek) skládá z mnoha částí, z nichž každá v určitém smyslu žije a je důležitá. Každá buňka dělá něco pro celý organizmus, ale o každou buňku se ten organizmus taky musí starat.

A teď přijdou značná zjednodušení. Prvním je, že nejdůležitější děje v organizmu probíhají na površích - ať už jde o respiraci, která v posledku probíhá na membránách mitochondrií, nebo o výměnu plynů na povrchu plic či vstřebávání látek v trávicí soustavě.

Pokud tedy chceme docílit co největší rychlosti metabolizmu (a to chceme, poněvadž jsme organizmus, který se o sebe stará), chtěli bychom mít také co největší příslušné povrchy, neboť jinak budeme odkázáni na zmíněnou dvoutřetinovou zákonitost pro vztah povrchu a objemu. Můžeme to udělat vcelku jednoduše; nejlíp tak, že zachováme velikost nějakých základních jednotek, na jejichž povrchu příslušné děje probíhají, a velikost těla budeme zvětšovat pouze zvyšováním jejich počtu (což je v podstatě případ buněk). Jejich celkový povrch pak bude růst lineárně s objemem.

Jenže to má jednu vadu. Vzhledem k tomu, že organizmus není jen souborem buněk, ale i tím celkem, je třeba nějak zprostředkovat přísun a odsun látek, o něž v metabolizmu jde. Jinými slovy jde nejen o to maximalizovat povrchy, ale také optimalizovat systémy zprostředkující vztah mezi celkem a konečnými povrchy, ale také optimalizovat systémy zprostředkující vztah mezi celkem a konečnými jednotkami metabolizmu, tedy třeba cévní, dýchací nebo vylučovací soustavu.

Otázka tedy zní: Jak maximalizovat metabolizmus, máme-li k dispozici jednotky konstantní velikosti, jimiž chceme zaplnit většinu objemu organizmu, a přitom potřebujeme minimalizovat ztráty způsobené transportem látek ve fraktálně se větvících systémech?

Optimální fraktální rozvodné sítě musí ve svých koncových větvích dosahovat ke všem buňkám, ale přitom musí být co nejkratší a zároveň dobře průchodné (tj. například by se neměly větvit v příliš ostrých úhlech).

G. West a J. Brown spolu s botanicky zaměřeným Brianem Enquistem dokázali, že za těchto okolností nelze dosáhnout lepšího výsledku, než je právě ten, pro nějž je charakteristický mocninný vztah mezi hmotností organizmu a rychlostí metabolizmu, kde v oné mocnině jsou tři čtvrtiny.

Rostliny a Fraktální Rozvodné Systémy

Dosud jsme mluvili o zvířatech, ale jak je to s rostlinami? Rostliny - alespoň ty větší, jako jsou stromy, keře a také mnohé byliny - jsou v jistém smyslu zvířata naruby. I u nich najdeme fraktální rozvodné systémy, ty ale nejsou uzavřeny dovnitř, nýbrž otevřeny ven. To pochopitelně souvisí s naprosto odlišným způsobem výživy, konkrétně s pohlcováním rozptýlených látek přímo z okolí namísto pohlcování kousků potravy (ostatně různí přisedlí živočichové, kteří se živí podobně, také vypadají spíš jako rostliny).

Přitom když si odmyslíme tento rozdíl, jde kupodivu o podobnou situaci jako u živočichů - zase zde jsou nějaké koncové jednotky v principu konstantní velikosti (listy), které je potřeba v prostoru nějak rozmístit a zároveň pro ně najít co nejlepší rozvodné struktury.

A opravdu, celý model lze uplatnit i na rostliny, tedy přinejmenším na stromy a keře; u trav nebo pampelišky už by to bylo o dost obtížnější. Horší je, že u rostlin mnohem hůře definujeme jedince. Naštěstí zde máme obrovskou výhodu, spočívající právě v tom, že rozvodné systémy můžeme uchopit jako fraktály, tedy útvary soběpodobné na různých prostorových měřítkách.

Díky tomu se ukazuje, že model funguje, i když třeba místo jednotlivých stromů budeme považovat za jedince jejich jednotlivé větve - ty jsou funkčně zcela rovnocenné stromům příslušné velikosti.

Růst, Množení a Umírání

Rychlost metabolizmu podmiňuje rychlost všech biologických procesů. Můžeme proto formulovat předpovědi pro vztah mezi velikostí těla a frekvencí tepu a dýchání (viz rámeček 3 ), ale třeba i rychlostí produkce potomstva (a tedy očekávanou rychlostí populačního růstu).

Téže zákonitosti podléhá i délka života. Tím se vyjasňuje prastará záhada, jak je možné, že počet úderů srdce za život zůstává u různých druhů lišících se délkou života přibližně stejný.

Můžeme dokonce uvažovat o dvou příčinách, které se navzájem doplňují. První by byla fyziologická (stárnutí organizmu je způsobeno jeho opotřebováním, které je přímo úměrné rychlosti metabolizmu), druhá populačněbiologická: ve víceméně stabilních populacích musí být dlouhodobě vyrovnána porodnost s úmrtností, a pokud produkce potomstva předvídatelně závisí na metabolizmu, potom na něm musí stejně záviset i úmrtnost - jenomže s opačným znaménkem. Menší zvířata (s rychlejší frekvencí tepu) tedy produkují v průměru relativně více potomstva, ale musí o to dříve umírat.

Zajímavou aplikací metabolické teorie je univerzální model individuálního růstu. 3) Každé zvíře roste nejprve rychle, a pak se jeho růst zpomaluje, přičemž některé taxony rostou během života neustále (ryby), jiné ukončí růst velmi brzy a dále se jejich velikost nemění (ptáci).

West, Brown a Enquist ukázali, že růst všech živočichů lze charakterizovat jednou jedinou křivkou odvozenou ze základních parametrů buněčného metabolizmu, přičemž organizmy s neukončeným růstem zkrátka nedožijí do doby, kdy se křivka začíná zakřivovat (obrázek).

Teplota a Evoluce

Tělesná velikost není jediným faktorem ovlivňujícím rychlost metabolizmu. Neméně významná je i teplota, poněvadž ta ovlivňuje rychlost všech chemických reakcí, tedy i těch biochemických (viz rámeček 4 ).

Vliv teploty na rychlost metabolizmu je opět věc dobře známá, nicméně jeho kvantitativní postižení má zajímavé důsledky. Už se asi nebudeme příliš divit tomu, že teplota předpověditelně ovlivňuje rychlost individuálního vývoje organizmů 4) nebo jejich populačního růstu. 5) Zdá se však, že stejně na teplotě závisí i rychlost evoluce.

Přinejmenším molekulární hodiny, charakterizované četností selekčně neutrálních mutací za jednotku času, budou podle teorie tikat rychleji u organizmů žijících v teplejším prostředí (anebo teplokrevných) a taky u těch menších, které mají vyšší rychlost metabolizmu na jednotku hmotnosti. Tím by se mohly rozřešit spory mezi paleontology a molekulárními fylogenetiky týkající se datování evolučních událostí.

Molekulární hodiny totiž datují mnohé evoluční události, jako jsou třeba základní rozrůznění ptáků, savců nebo všech mnohobuněčných živočichů, mnohem hlouběji do minulosti, než ukazují fosilní doklady.

Možná je to jen tím, že standardně se molekulární hodiny kalibrují na základě fosilně zachycených událostí týkajících se poměrně velkých zvířat, žijících navíc v mírném pásu (poněvadž v tropech, kde žije nejvíc druhů, se fosilie špatně zachovávají).

Z uvedené souvislosti rychlosti evoluce s teplotou je také zřejmé, jak obrovskou výhodu přinesla savcům a ptákům teplokrevnost. Zatímco vnitřní biologický čas studenokrevných tvorů je omezen vnějším prostředím, teplokrevní živočichové jsou z tohoto omezení vyvázáni a jejich vnitřní hodiny tikají poměrně pravidelně a nezávisle na okolí - a navíc vesměs rychleji než u těch studenokrevných.

Ekosystémy a Ekologická Sukcese

Ekosystémová ekologie se věnuje koloběhu látek a toku energie v ekosystémech. Po jejím rozkvětu v šedesátých a sedmdesátých letech minulého století nastal jistý úpadek (viz Vesmír 81, 127, 2002/3; 81, 29, 2002/3; 81, 130, 2002/3; 81, 250, 2002/5).

Víme sice do nejmenších detailů, jaká je produkce nejrůznějších typů prostředí, jak se na ní podílejí rostliny, živočichové a houby, víme také, jaké množství uhlíku a dusíku kde protéká - jenže nevíme, čím a zda je to vlastně zajímavé. Chybí nám totiž teorie, která by říkala, co máme očekávat, co je banální a co zvláštní. To se teď možná změní.

Víme-li jak spočítat metabolizmus jedince z jeho velikosti a tělesné teploty, mělo by jít spočítat, jaký bude metabolizmus celého ekosystému, pouze na základě klimatických údajů a rozložení populačních početností a tělesných velikostí různých druhů. 6) Jistě, není to tak jednoduché, poněvadž třeba fixace vzdušného uhlíku je jinak citlivá na teplotu než jeho uvolňování do okolí, nicméně pokud o těchto procesech něco víme, dostaneme překvapivě přesné předpovědi třeba koloběhu uhlíku v různých typech prostředí, aniž se potřebujeme dívat na detaily jejich uspořádání.

Podobně je to s vývojem ekosystémů, tedy s ekologickou sukcesí. Už dlouho se ví, že na začátku sukcese převládají rychle rostoucí organizmy s „plýtvavou“ životní strategií, které jsou postupně nahrazovány většími a déležijícími organizmy, přičemž se koloběhy látek a toky energie zpomalují. Bývalo to vysvětlováno téměř mystickým vyzráváním ekosystému až ke konečnému optimálnímu a stabilnímu stadiu nazývanému klimax.

Jenže když si uvědomíme, že pro sukcesi je charakteristické hlavně zvětšování průměrné velikosti jedinců spolu s ubýváním jejich počtu, přestaneme se postupnému zpomalování rychlosti metabolizmu celého ekosystému divit.

Biodiverzita a Její Trendy

Asi nejpodivnější předpovědi metabolické teorie se týkají rozdílů v počtu druhů mezi prostředími s různou teplotou. Podivné je na tom to, že není žádný zjevný důvod, proč by se prostředí, pro něž je charakteristická různá rychlost metabolizmu (a tedy spotřebovávání a recyklace zdrojů), měla lišit počtem druhů.

tags: #teorie #buněčné #velikosti #ekologie

Oblíbené příspěvky:

• Aktivity ochránců přírody v Ústí
• Definice environmentální turistiky
• Vibrační třídičky odpadu: konstrukční detaily
• Metodika hlášení odpadů
• Recenze sušičky LG RC82EU2AV4W