Ändert sich die Innentemperatur der Zelle als Reaktion auf eine Änderung der Außentemperatur?

Hintergrund

Einige Arten sind homöotherm (die Innentemperatur wird durch eine Änderung der Außentemperatur nicht beeinflusst) und andere sind poikilotherm (die Innentemperatur ändert sich als Reaktion auf die Außentemperatur). Diese Konzepte gelten für einzelne Ebenen.

Wie sieht es mit Zellen (Einzeller sowie Zelle in einem vielzelligen Organismus) aus? Ich weiß, dass Zellen auf Temperaturänderungen reagieren. Beispielsweise kann die Menge an Cholesterin in der Zellmembran als Reaktion auf die Temperatur variieren, um eine Membranfluidität ungefähr konstant zu halten ( Ref .). Aber das verhindert nicht, dass sich die Innentemperatur ändert.

Frage

Wenn sich die Außentemperatur der Zelle ändert, wirkt sich dies auf die Innentemperatur aus? Ich hoffe, dass der Prozess allgemein genug ist, so dass ich keinen bestimmten Organismus spezifizieren muss. Wenn es notwendig ist, über einen bestimmten Organismus zu sprechen, dann denken Sie zum Beispiel an eine Hefe. Wie ändert sich die Innentemperatur einer Hefe bei einer Änderung der Außentemperatur?

BEARBEITEN

Da meine Kenntnisse in Physik sehr begrenzt sind, habe ich nicht einmal an das Fourier-Gesetz gedacht, bevor ich die Antwort und den Kommentar von @Eli Korvigo und den Kommentar von @AMR gelesen habe. Machen wir also ein paar Berechnungen:

Betrachten wir eine kugelförmige Fläche 4 π r 2 , wo r der Radius ist, dann ist der Wärmeverlust 4 π r 2 ⋅ Δ T ⋅ K ( Fouriersches Gesetz ), wo Δ T ist die Temperaturdifferenz und K ist die Wärmeleitfähigkeit. Dann das Verhältnis der Wärmeerzeugung H über der Wärmeleitfähigkeit K (Um mit dieser Änderung umzugehen Δ T °C) ist H K = 4 π r 2 Δ T . Wenn r = 10 − 6 Meter und Δ T = 2 °C also H K ≈ 10 − 11 . Habe ich recht?

Ist dieses Verhältnis für eine Zelle wirklich nicht realistisch? Die Wärmeleitfähigkeit für Wasser ist k = 0,56 W m ⋅ K ( Ref. ) und die Wärmeerzeugung pro Zelle ist 34 ⋅ 10 − 12 W ( Ref. ). Das Verhältnis liegt also in der Größenordnung von 10 − 11 auch! Habe ich recht?

Ist es also wirklich unmöglich, dass eine Zelle ihre Temperatur reguliert?

Wenn Sie Zell-/Gewebekulturen durchführen, lernen Sie, schnell zu arbeiten, damit Sie Ihre Kulturen nicht sehr lange außerhalb des Inkubators lassen. Stellen Sie sicher, dass es auf 37* eingestellt ist und dass Ihre CO2-Aufnahme nicht auf leer ist. Kurz gesagt, Zellen sind an die Umgebung angepasst, in der sie sich entwickelt haben. Säugetierzellen reagieren nicht gut auf trockene, zu kalte oder zu heiße Umgebungen und Sauerstoff und etwa 5 % CO2 auf Kultur. Bakterien sind ziemlich robust und haben einen größeren Bereich, in dem sie überleben können, aber sie wachsen im Allgemeinen nicht außerhalb ihres idealen Bereichs. Für E. coli dagegen 37*, da sie sich im Verdauungstrakt von Säugetieren entwickelt haben.
Denken Sie so darüber nach. Wenn die Nacht im Januar hereinbricht, erreichen Sie einige hundert Meter vom Gipfel des Matterhorns entfernt. Übernachten kann man exponiert, im Zelt, oder im Zelt im Cocoon-Schlafsack, oder im Zelt mit Schlafsack und ein paar Kletterpartnern. Option 1, Sie werden morgens wahrscheinlich stark unterkühlt oder möglicherweise tot sein. Mit Option 2 werden Sie wahrscheinlich nicht viel besser dran sein. Option 3: Sie sollten in Ordnung sein, obwohl Sie vielleicht Bedenken haben, die Tasche morgens zu öffnen. Option 4 Die Temperatur des Zeltes wird wahrscheinlich auch wärmer sein als die Umgebungstemperatur draußen.
Ich verstehe, dass Zellen (einzellig oder nicht) ihre ökologische Nische haben. Aber es liegt nicht daran, dass Sie eine solche Nische haben, dass Sie sich nicht weiterentwickeln werden, um Ihre Innentemperatur zu regulieren, um sich über diese Nische auszudehnen (wie es zum Beispiel Säugetiere tun). Ich denke also, die Frage bleibt (sind Zellen (zum Beispiel Hefe) in der Lage, ihre Innentemperatur zu regulieren).
Ich würde sagen, dass es eine Reihe von Reaktionen auf die Umweltveränderungen gibt, die die Zelle erfährt, aber keine einzelne Zelle hat die Fähigkeit, die Temperatur zu regulieren. Sie können auf die Änderung reagieren, aber Sie brauchen Systeme, um die Temperatur tatsächlich zu kontrollieren. Mehrzellige Organismen sind größer als die Summe ihrer Teile, und obwohl wir (warmblütige Tiere) systemisch Änderungen an der Stoffwechselaktivität vornehmen können, die die Kerntemperatur regulieren, ist dies mehr das Ergebnis der kollektiven Reaktion als das einer einzelnen Zelle.
Und das bezieht sich nur auf Säugetiere. Es gibt einige sehr große Reptilien, die nicht in der Lage sind, ihre Körpertemperatur aufrechtzuerhalten, obwohl sie die kritische Masse dafür haben. Ihre Reaktion auf Kälte ist Winterschlaf oder, im Falle der ganz großen Dinosaurier, das Aussterben.
Und ich weiß, dass Sie sich dieser Dinge bewusst sind, aber ich denke, dass Sie sich so auf die technischen Besonderheiten Ihrer Frage konzentrieren, dass Sie vergessen, was Sie darüber wissen, warum Mehrzeller überhaupt entstanden sind. Es kann argumentiert werden, dass prokaryotische Zellwände Anpassungen an die Extreme der Umgebungen sind, die sie erleben, aber bedeutet das, dass sie die Situation aktiv managen oder einfach an ein breiteres Spektrum von Umgebungen angepasst sind, da sie es alleine schaffen müssen, zum größten Teil überleben und ihre Gene weitergeben?

Antworten (1)

Homöothermische vielzellige Organismen haben spezielle Gewebe, die Ressourcen verbrennen, um sich aufzuwärmen (normalerweise beinhaltet dies das Unterbrechen der Elektronentransportkette in den Endstadien der Atmung, um die gesamte chemische Energie in thermische Energie umzuwandeln). Und sie haben spezielles Gewebe (Fett) und genügend Körpermasse (hier geht es eher um das Verhältnis von Volumen zu Fläche), um zu verhindern, dass sich diese Energie auflöst. Wenn Sie sich an die Physik erinnern, hat jeder einzellige Organismus nicht genügend Körpermasse, um Wärmeenergie für eine wahrnehmbare Zeitspanne zu akkumulieren, daher ist es sinnlos, Ressourcen zu verbrennen, die er für die Anpassung an niedrigere Temperaturen aufwenden kann, dh Kälteschockproteine ​​​​synthetisieren, Membranen modifizieren, restrukturieren Stoffwechsel. Dies ist im Grunde derselbe Grund, warum kleine Säugetiere und Vögel ständig fressen müssen, um am Leben zu bleiben.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Wie Sie sehen können, müssen Sie umso mehr Energie verbrennen, je kleiner Sie werden (daher erhöhen Ö 2 Verbrauch), um die Körpertemperatur aufrechtzuerhalten. Deshalb sehen wir keine wirklich homöothermen Insekten (einige von ihnen können sich für kurze Zeit erwärmen) oder andere kleine Tiere.

Vielen Dank für Ihre Antwort +1 Sie sagten 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, dass die Innentemperatur auf zellulärer Ebene im Vergleich zur extrazellulären Temperatur absolut nicht kontrolliert werden kann. Ist das richtig? Das wäre toll, wenn du eine Referenz hättest.
@Remi.b Ich meine nicht, dass das unmöglich ist, aber thermodynamisch irrational. Diese Aussage folgt direkt aus dem Fourierschen Gesetz . Eine Zelle ist einfach zu klein, daher verpufft die zum Aufwärmen aufgewendete Energie sofort. Vergessen Sie nicht die Energiekapazität des Wassers.
Elis Antwort macht Sinn, aber hier ist ein Beispiel. Wenn Sie eine beträchtliche Menge Hefe in ein Fass mit zerdrückten Trauben oder Würze geben, wird die Gärung eingeleitet, um Alkohol für Bier oder Wein zu produzieren. Wenn Sie sich eine Temperatur ansehen, ist die Temperatur innerhalb des Bottichs höher als die Umgebungstemperatur. Mit genügend Masse erzeugt die Hefe genug Wärme, um den Behälter zu erwärmen, in dem sie sich befindet. Eine Kultur auf einer Petrischale würde jedoch wahrscheinlich nicht genügend Wärme erzeugen, um die Auswirkungen der Umgebungstemperatur der Umgebung zu überwinden.
Vielen Dank auch für die Kommentare. Ich habe ein paar Zahlen in das Fourrier-Gesetz gesteckt, um zu sehen, ob es plausibel ist, dass eine Zelle ihre Temperatur reguliert (siehe Bearbeiten). Bitte lassen Sie mich wissen, ob das für Sie richtig klingt und ob Sie immer noch der Meinung sind, dass es unmöglich ist, dass eine Zelle ihre eigene Temperatur reguliert.
@AMR genau With ENOUGH MASS, the yeast produce enough heat to warm the container that they are in. In der Tat kann eine Kultur erheblich warm werden, deshalb haben viele Bioreaktoren Kühlsysteme, aber eine Kultur ist kein einzelliger Organismus :)
@Remi.b Es gibt zwei mögliche Fehler in Ihren Schätzungen (ich kann mich irren, da ich gerade keine Zeit für eine gründliche Analyse habe): 1. Sie haben eine 1D-Näherung auf einen 3D-Fall angewendet; 2. Sie beziehen heat production per cellsich während des Wachstums auf eine Kultur (=> viele freie Ressourcen zum Verbrennen) - der Wert ist für eine isolierte Zelle nicht relevant (und das ist das Modell, über das wir sprechen, soweit ich glaube). Wie Sie vielleicht bemerkt haben Over an 8.5 h period, cell numbers increased by 9% and heat production per cell by 18%, korreliert die Wärmeproduktion pro Zelle mit der Anzahl der Zellen.
Das zweite ist in der Tat ein potenzielles Problem in meinen Berechnungen (+1).
@Remi.b Gerne. Was den mathematischen Teil betrifft, können Sie diese lineare Annäherung nicht auf einen 3D-Fall anwenden. Will man den Wärmeverlust wirklich abschätzen, muss man die Integralform lösen.
Ändert sich die Innentemperatur der Zelle als Reaktion auf eine Änderung der Außentemperatur?
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