Изменяется ли внутренняя температура клетки в ответ на изменение внешней температуры?

Фон

Некоторые виды являются гомойтермными (внутренняя температура не зависит от изменения внешней температуры), а некоторые - пойкилотермными (внутренняя температура изменяется в ответ на внешнюю температуру). Эти концепции применимы к отдельным уровням.

Как насчет клеток (одноклеточных клеток, а также клеток в многоклеточном организме)? Я знаю, что клетки реагируют на изменение температуры. Например, количество холестерина в клеточной мембране может варьироваться в зависимости от температуры, чтобы поддерживать текучесть мембраны примерно постоянной ( ссылка ). Но это не мешает внутренней температуре изменяться.

Вопрос

Когда внешняя температура ячейки изменяется, влияет ли это на внутреннюю температуру? Я надеюсь, что процесс достаточно общий, чтобы мне не нужно было указывать конкретный организм. Если нужно говорить о конкретном организме, то рассмотрим, например, дрожжи. Как изменяется внутренняя температура дрожжей при изменении внешней температуры?

РЕДАКТИРОВАТЬ

Мои познания в физике очень ограничены, и я даже не подумал о законе Фурье, пока не прочитал ответ и комментарий @Eli Korvigo и комментарий @AMR. Итак, произведем некоторые расчеты:

Если мы рассмотрим сферическую ячейку площадью 4 π р 2 , куда р радиус, то потери тепла равны 4 π р 2 ⋅ Δ Т ⋅ К ( закон Фурье ), где Δ Т разница температур и К это теплопроводность. Тогда коэффициент теплопродукции ЧАС по теплопроводности К (чтобы справиться с этим изменением Δ Т °С) ЧАС К знак равно 4 π р 2 Δ Т . Если р знак равно 10 − 6 метров и Δ Т знак равно 2 °С, то ЧАС К ≈ 10 − 11 . Я прав?

Действительно ли это соотношение нереалистично для клетки? Теплопроводность воды равна к знак равно 0,56 Вт м ⋅ К ( исх. ), а производство тепла на ячейку равно 34 ⋅ 10 − 12 Вт ( ссылка ). Таким образом, соотношение имеет порядок 10 − 11 также! Я прав?

Так действительно ли клетка не может регулировать свою температуру?

Когда вы занимаетесь культивированием клеток/тканей, вы учитесь работать быстро, чтобы ваши культуры не оставались вне инкубатора слишком долго. Убедитесь, что он установлен на 37 * и что ваш расход CO2 не пуст. Короче говоря, клетки адаптируются к среде, в которой они эволюционировали. Клетки млекопитающих плохо реагируют на сухую, слишком холодную или слишком горячую среду и кислород и около 5% CO2 для культивирования. Бактерии довольно крепкие и имеют более широкий диапазон, в котором они могут выжить, но, как правило, они не будут расти за пределами своего идеального диапазона. Для E.coli это 37*, поскольку они эволюционировали в пищеварительном тракте млекопитающих.
Подумайте об этом таким образом. Вы достигаете нескольких сотен метров от вершины Маттерхорна, когда наступает ночь в январе. Вы можете спать на открытом воздухе, в палатке, или в палатке в спальном мешке-коконе, или в палатке со спальным мешком и несколькими напарниками. Вариант 1, вы, вероятно, сильно переохладитесь утром или, возможно, умрете. Вариант 2 вам, вероятно, не будет намного лучше. Вариант 3: у вас все должно быть в порядке, хотя вы можете бояться расстегивать сумку утром. Вариант 4 температура в палатке, скорее всего, также будет выше, чем температура окружающей среды снаружи.
Я понимаю, что клетки (одноклеточные или нет) имеют свою экологическую нишу. Но это не потому, что у вас есть такая ниша, что вы не будете эволюционировать, чтобы регулировать внутреннюю температуру, чтобы расширить эту нишу (как это делают, например, млекопитающие). Поэтому я думаю, что вопрос остается (могут ли клетки (например, дрожжи) регулировать свою внутреннюю температуру).
Я бы сказал, что существует ряд реакций на изменения окружающей среды, которые испытывает клетка, но ни одна отдельная клетка не способна регулировать температуру. Они могут отреагировать на изменение, но вам нужны системы для фактического контроля температуры. Многоклеточные организмы больше, чем сумма их частей, поэтому, хотя систематически мы (теплокровные животные) можем вносить изменения в метаболическую активность, регулирующую внутреннюю температуру, это результат скорее коллективного ответа, чем реакции любой отдельной клетки.
И это только с учетом млекопитающих. Есть некоторые очень крупные рептилии, которые не способны поддерживать температуру своего тела, даже если они имеют для этого критическую массу. Их реакция на холод — впадение в спячку или, в случае очень крупных динозавров, вымирание.
И я знаю, что вы знаете об этих вещах, но я думаю, что вы настолько сосредоточены на технической специфике своего вопроса, что забываете то, что знаете о том, почему вообще возникла многоклеточность. Можно привести аргумент, что клеточные стенки прокариот являются адаптацией к экстремальным условиям окружающей среды, с которыми они сталкиваются, но означает ли это, что они активно управляют ситуацией или просто адаптированы к более широкому диапазону условий, поскольку им приходится действовать в одиночку? по большей части выжить и передать свои гены?

Ответы (1)

Гомеотермные многоклеточные организмы имеют специальные ткани, которые сжигают ресурсы для разогрева (обычно это связано с разрывом электрон-транспортной цепи на заключительных стадиях дыхания для преобразования всей химической энергии в тепловую). И у них есть специальные ткани (жир) и достаточная масса тела (это больше касается соотношения объем/площадь), чтобы эта энергия не рассеивалась. Если вспомнить физику, то масса тела любого одноклеточного организма недостаточна для накопления тепловой энергии в течение сколько-нибудь ощутимого промежутка времени, поэтому бесполезно сжигать ресурсы, которые он может потратить на адаптацию к более низким температурам, т.е. синтезировать белки холодового шока, модифицировать мембраны, реструктурировать метаболизм. По сути, это та же самая причина, по которой мелкие млекопитающие и птицы должны все время есть, чтобы выжить.

введите описание изображения здесь

Как видите, чем меньше вы получаете, тем больше энергии вам нужно сжечь (следовательно, увеличьте О 2 потребления) для поддержания температуры тела. Вот почему мы не видим по-настоящему теплокровных насекомых (некоторые из них могут согреваться в течение коротких промежутков времени) или других мелких животных.

Спасибо за ваш ответ +1 Вы сказали any unicellular organism has insufficient body mass to accumulate thermal energy for any perceptible amount of time, hence it's useless to burn resources that it can spend to adapt to lower temperatures, что это означает, что нет абсолютно никакого контроля над внутренней температурой на клеточном уровне по сравнению с внеклеточной температурой. Это правильно? Было бы здорово, если бы у вас была ссылка.
@ Remi.b Я не имею в виду, что это невозможно, но термодинамически иррационально. Это утверждение прямо следует из закона Фурье . Ячейка просто слишком мала, поэтому любая энергия, потраченная на разогрев, тут же рассеется. Не забывайте об энергетической емкости воды.
Ответ Эли имеет смысл, но вот пример. Если вы поместите значительную массу дрожжей в бочку с дробленым виноградом или суслом, они инициируют брожение для получения спирта для пива или вина. Если вы посмотрите на температуру, температура внутри чана будет выше, чем температура окружающей среды. Имея достаточную массу, дрожжи производят достаточно тепла, чтобы нагреть контейнер, в котором они находятся. Однако культура в чашке Петри, вероятно, будет выделять недостаточно тепла, чтобы преодолеть влияние температуры окружающей среды.
Большое спасибо и за комментарии. Я подставил несколько чисел в закон Фурье, чтобы увидеть, правдоподобно ли для клетки регулировать свою температуру (см. редактирование). Пожалуйста, дайте мне знать, если это звучит правильно для вас, и считаете ли вы все еще невозможным для клетки регулировать свою собственную температуру.
@AMR точно With ENOUGH MASS, the yeast produce enough heat to warm the container that they are in. Действительно, культура может сильно нагреться, поэтому во многих биореакторах есть системы охлаждения, но культура - это не одноклеточный организм :)
@ Remi.b в ваших оценках есть два возможных недостатка (я могу ошибаться, так как у меня сейчас нет времени на тщательный анализ): 1. Вы применили одномерное приближение к трехмерному случаю; 2. вы ссылаетесь heat production per cellна культуру во время роста (=> много лишних ресурсов для сжигания) - значение не относится к изолированной клетке (и это модель, о которой мы говорим, насколько я полагаю). Как вы могли заметить Over an 8.5 h period, cell numbers increased by 9% and heat production per cell by 18%, производство тепла на клетку коррелирует с количеством клеток.
Второй действительно потенциальные проблемы в моих расчетах (+1).
@Remi.b С удовольствием. Что касается математической части, вы не можете применить это линейное приближение к трехмерному случаю. Если вы действительно хотите оценить потери тепла, вам нужно решить интегральную форму.
Изменяется ли внутренняя температура клетки в ответ на изменение внешней температуры?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v