Тело человека состоит из 30 триллионов клеток. Все они произошли из одной оплодотворённой яйцеклетки, но разброс в размерах огромен: объём самой маленькой клетки (сперматозоида) — всего 30 µm³, а самой большой (ооцита) — 4 000 000 µm³. Просто сказать «эволюция сделала их такими» — скучно. Гораздо интереснее разобраться, что говорит физика.
Первое серьёзное ограничение — соотношение площади поверхности к объёму. Если клетка примерно сферическая, объём растёт как куб радиуса, а площадь — как квадрат. Разница колоссальная. Через мембрану поступают питательные вещества и выводится мусор. Если внутренность становится слишком большой, клетка не успевает ни наесться, ни очиститься — метаболизм тормозит.
Второй фактор — диффузия. Внутри клетки всё решают случайные столкновения: ферменты встречаются с субстратами, рибосомы — с РНК, сигнальные молекулы — с рецепторами. Чем больше объём, тем реже такие встречи, если количество молекул не растёт. Цитоплазма при этом адски переполнена — белки постоянно врезаются в воду и другие молекулы. Средний белок вроде E. coli пробегает бактерию (около микро метра) за 0,01 секунды. А чтобы сдвинуться на миллиметр, ему нужно четыре минуты. На сантиметр — больше шести часов. Вот почему клетки в принципе такие крошечные.
Эритроциты, например, крошечные (8 микрометров) и сплюснутые как пончик — так они увеличивают площадь поверхности, чтобы быстрее обмениваться кислородом. А вот ооциты могут быть огромными, потому что они почти неактивны метаболически — они просто запасают ресурсы в ожидании оплодотворения. Эукариотические клетки вообще часто крупнее прокариот, потому что научились делить пространство на органеллы — внутри них молекулам проще сталкиваться.
Но и это не предел. Бактерия Thiomargarita magnifica вырастает до сантиметра в длину — видна невооружённым глазом. Она обманывает физику: 65–80% её внутреннего объёма занято пустой вакуолью, а всё нужное сконцентрировано у стенок. У рассеянной водоросли Valonia ventricosa — свой фокус.
Как писал Д'Арси Томпсон в 1917 году, «форма объекта — это диаграмма сил». Клетки — наглядная иллюстрация: их облик диктует неизбежная диффузия и вечный компромисс между объёмом и мембраной.