اسم الصورة: نسبة مساحة السطح إلى الحجم في الخلايا

اسم الصورة: نسبة مساحة السطح إلى الحجم في الخلايا

6-1

النمو الخلوي
Cellular Growth

الفكرة الرئيسة تنمو الخلايا لتصل إلى أقصى حجم لها، ثم تتوقف عن النمو أو تنقسم.

الربط مع الحياة إذا شكلت أنت وزميلك فريقًا في مباراة للتنس الأرضي مقابل لاعبين آخرين فقد تشعران بأنكما قادران على تغطية نصف الملعب الخاص بكما من الملعب. أما إذا كان الملعب كبيرًا جدًّا، فستواجهان صعوبة في الوصول إلى الكرات بالشكل المناسب. لذا يجب أن يكون حجم الملعب مناسبًا للمهمة، وكذلك يجب أن يكون حجم الخلية محدودًا لضمان تلبية حاجاتها.

الأهداف
تفسر لماذا تكون للخلايا أحجام متباينة.
تلخص المراحل الأساسية من دورة الخلية.
تصف مراحل الطور البيني.

مراجعة المفردات
النفاذية الاختيارية: خاصية يسمح فيها غشاء بمرور بعض المواد من خلاله، ويبقي بعضها الآخر خارجه.

المفردات الجديدة
دورة الخلية
الطور البيني
الانقسام المتساوي
انقسام السيتوبلازم
الكروموسوم
الكروماتين

Cell Size Limitations
حدود حجم الخلية

يبلغ قطر معظم الخلايا أقل من 100 µm (100 × 10-6 m)، أي أصغر كثيرًا من النقطة التي في نهاية هذه الجملة. فلماذا تكون معظم الخلايا صغيرة جدًّا؟ يبحث هذا القسم في العوامل التي تؤثر في حجم الخلية.

Ratio of surface area to volume
نسبة مساحة السطح إلى الحجم

العامل الرئيس الذي يحدد حجم الخلية هو نسبة مساحة سطحها إلى حجمها. ومساحة السطح هي المساحة التي يغطيها الغشاء البلازمي.

الربط مع الرياضيات لتوضيح نسبة مساحة السطح إلى الحجم، لاحظ المكعب الموضح في الشكل 6-1، والذي يبلغ طول كل ضلع منه 1 µm، وهذا هو حجم الخلية البكتيرية تقريبًا. ولحساب مساحة سطح المكعب نضرب الطول في العرض في عدد أوجه المكعب (1 µm × 1 µm × 6 أوجه)، والتي تساوي 6 µm2. ولحساب حجم الخلية، نضرب الطول في العرض في الارتفاع (1 µm × 1 µm × 1 µm) والذي يساوي 1 µm3. إذن نسبة مساحة السطح إلى الحجم هي 6:1.

الشكل 6-1 تقل نسبة مساحة السطح إلى الحجم كلما ازداد حجم الخلية. يمثل المكعب الأصغر نسبة 6:1؛ أي يمثل المساحة 6 µm2 لحجم 1 µm3، إلى الحجم (1 µm × 1 µm × 1 µm)، في حين أن أكبر المكعب له نسبة 96:64، أي 3:2.

1 µm
النواة
2 µm
النواة
4 µm
النواة

إذا نمت الخلية المكعبة بمقدار 2 µm من كل جانب، كما في الشكل 6-1، فتصبح مساحة سطح الخلية 24 µm2، والحجم 8 µm3، وتصبح نسبة مساحة السطح إلى الحجم 3:1، وهي أقل مما كانت عليه عندما كانت الخلية أصغر.

أما إذا استمرت الخلية في النمو فستستمر نسبة مساحة السطح إلى الحجم في الانخفاض. كما هو الحال في المكعب الثالث في الشكل 6-1، ومع نمو الخلية يزداد حجمها مقارنة بمساحة سطحها، وهذا يعني الصعوبة في الحصول على المواد المغذية، أو في التخلص من الفضلات. أما إذا بقيت صغيرة، فتكون نسبة مساحة سطحها إلى حجمها عالية، وبذلك تستطيع الحفاظ على بقائها بسهولة.

ماذا قرأت؟ فسر ماذا تعني النسبة الكبيرة بين مساحة الخلية إلى حجمها ذا فائدة للخلية؟

اسم الصورة: تجربة استقصاء حجم الخلية

تجربة 6-1

استقص حجم الخلية

هل يمكن أن تتنبأ بالإجابة على نحوك لمحيط مدرستك؟ فماذا يحدث إذا تضاعف حجم الفيل على مستوى المخلوق الحي؟ لا يمكن أن يستمر الفيل ليصل إلى هذا الحجم؛ بسبب عدم قدرته على تحمل الزيادة في كتله. هل تنطبق هذه المبادئ والحدود على المستوى الخلوي؟ احسب ذلك رياضيًّا.

خطوات العمل

• املأ بطاقة السلامة في دليل التجارب العملية.
• اعمل جدول بيانات يتضمن بيانات مساحة السطح والحجم لخمس خلايا افتراضية.
• افترض أن الخلية مكعبة الشكل (الأبعاد الستة الواحدة الوجه من المكعب).

الخلية 1 = 0.0002 m (وهو متوسط قطر معظم الخلايا الحقيقية النوى).
الخلية 2 = 0.001 m (قطر خلية عصبية عملاقة في الحبار).
الخلية 3 = 2.5 cm
الخلية 4 = 30 cm
الخلية 5 = 15 m

• احسب مساحة سطح كل خلية باستخدام المعادلة التالية: الطول × العرض × عدد الأوجه (6).
• احسب حجم كل خلية باستخدام المعادلة التالية: الطول × العرض × الارتفاع.

التحليل

• السبب والنتيجة. بناءً على حساباتك، وضح لماذا لا تصبح الخلايا كبيرة جدًّا؟
• استنتج. هل تضاعف حجم بعض المخلوقات الحية - مثل الفيل وشجر الخشب الأحمر - يعود إلى احتوائها على خلايا ضخمة بدلاً من أنها تضاعف خلاياها معًا، أم إلى حجم عادي أو أنها تطيل؟

اسم الصورة: دورة الخلية

الشكل 6-2 تظهر دورة الخلية ثلاث مراحل، هي: الطور البيني والانقسام المتساوي وانقسام السيتوبلازم. ينقسم الطور البيني إلى ثلاث مراحل فرعية.
كون فرضية: لماذا يمثل انقسام السيتوبلازم أقصر فترة في دورة الخلية؟

مرحلة النمو الأول G1
تنمو الخلية وتقوم بوظائفها الطبيعية

S
مرحلة بناء DNA وتضاعفه

مرحلة النمو الثاني G2
تهيأ الخلية للانقسام

الطور البيني
(G1, S, G2)

الانقسام المتساوي M

انقسام السيتوبلازم C

Cellular communication
الاتصال الخلوي

هناك عامل آخر يحدد حجم الخلية هو حاجة الخلية في الحصول على إشارات للخلايا المجاورة، وبعض آخر، يؤثر الحجم في قدرة الخلية على إيصال التعليمات للقيام بالوظائف الخلوية. فإذا أصبحت الخلية كبيرة جدًّا يصبح من المستحيل القيام بالتواصل الخلوي، الذي يشمل حركة المواد والإشارات المرسلة للعضيات المختلفة، لنتج بروتين مثلاً على أن يتم بناؤه. فعندما لا تصل الإشارات التي تحفز بناء البروتين بسرعة كافية إلى الريبوسوم حتى يتم بناء البروتين اللازم لبقاء الخلية.

Cell Cycle
دورة الخلية

عندما تصل الخلية إلى أقصى حجم لها فإنها أن تنقسم أو تتوقف عن النمو. وفي النهاية تنقسم أكثر الخلايا؛ فالانقسام لا يمنع الخلية من زيادة حجمها كثيرًا فقط، بل هو يمثل آلية التكاثر في الخلية. وتتكاثر الخلايا عبر دورة نمو وانقسام، ودورة الخلية cell cycle. وتمر الخلية في كل مرة بدورة كاملة تنقسم خليتين، وعند تكرار دورة الخلية باستمرار تكون النتيجة استمرار إنتاج الخلايا الجديدة. ويوضح الشكل 6-2 دورة الخلية.

تمر دورة الخلية بثلاث مراحل، هي: الطور البيني interphase، ويتضمن نمو الخلية وقيامها بالوظائف الخلوية وتضاعف مادتها الوراثية DNA استعدادًا للمرحلة التالية من الدورة. ويقسم الطور البيني إلى ثلاث مراحل فرعية، الشكل 6-2. والمرحلة الثانية الانقسام المتساوي mitosis، وفي تلك المرحلة من دورة الخلية التي تنقسم فيها نواة الخلية ومادتها النووية، وتقسم مرحلة الانقسام المتساوي إلى أربعة مراحل فرعية.

أما عملية انقسام السيتوبلازم cytokinesis وهي طريقة ينقسم بها سيتوبلازم الخلية مكونًا خلية جديدة، فيبدأ قبل نهاية الانقسام المتساوي.

المفردات
أصل الكلمة

Cytokinesis انقسام السيتوبلازم
من الكلمة اليونانية Cyto وتعني "الوعاء الحاوي"، و kinesis التي تعني "بدء الحركة".

الصفحة 157

اسم الصورة: نواة الخلية في حالة الراحة

الشكل 6-3 إن المظهر اللفظ لنواة في خلية كبد الفأر هو الكروماتين، وهي المادة الوراثية في حالة ارتخاء قبل تكون الكروموسومات.

تختلف فترة دورة حياة الخلية، اعتمادًا على الخلية التي تنقسم، فبعض الخلايا الحقيقية النوى قد تكمل دورتها في ثماني دقائق، في حين تستغرق خلايا أخرى عامًا كاملاً. إلا أن معظم الخلايا الحيوانية الطبيعية والنشطة تستغرق 12-24 ساعة تقريبًا لإتمام دورتها. ومن المثير للدهشة أن تعرف أن بعض خلايا جسمك تنمو دورة كل يوم ولا تحتاج كثيرًا.

The stages of interphase
مراحل الطور البيني

تنمو الخلية في أثناء الطور البيني لتصبح خلية ناضجة ونشطة، وتتضاعف مادتها الوراثية (DNA) وتستعد للانقسام. ويقسم الطور البيني إلى ثلاث مراحل فرعية، الشكل 6-2، هي: طور النمو الأول (G1)، وطور بناء DNA، وطور النمو الثاني G2.

المرحلة الفرعية الأولى من الطور البيني (G1)، هي فترة ما بعد انقسام الخلية مباشرة، وفي هذه المرحلة تنمو الخلية، وتقوم بوظائفها الطبيعية، وتهيئ الخلية لتضاعف DNA. وبعض الخلايا مثل الخلايا العضلية والخلايا العصبية تنتهي دورتها عند هذه المرحلة ولا تنقسم مرة أخرى.

أما المرحلة الفرعية الثانية وهي مرحلة بناء DNA أو مرحلة (S)، فهي الفترة التي تقوم فيها الخلية بنسخ مادتها الوراثية (DNA) استعدادًا لانقسام الخلية.

والكروموسومات chromosomes تراكيب تحوي المادة الوراثية (DNA) التي تنتقل من جيل إلى جيل آخر من الخلايا. أما الكروماتين chromatin فهو كتيبة قليلة من المادة الوراثية (DNA) توجد في نواة الخلية. وعند صبغ الخلية في أثناء الطور البيني، تظهر النواة باللون المرقط، كما في الشكل 6-3، وذلك نتيجة وجود خيوط فردية من الكروماتين لا تظهر بالمجهر الضوئي المركب دون صبغها.

أما طور النمو الثاني G2 الذي يلي مرحلة البناء فهو الفترة التي تستعد فيها الخلية لانقسام نواتها. وفي هذا الوقت يبدأ بناء البروتين الذي ينتج الأنيبيبات الدقيقة اللازمة لانقسام الخلية. وفي أثناء مرحلة G2 تستعد الخلية للدخول في عملية الانقسام المتساوي، وعند إتمام هذه النشاطات تبدأ الخلية المرحلة التالية من دورة الخلية، وهي الانقسام المتساوي.

Mitosis and cytokinesis
الانقسام المتساوي وانقسام السيتوبلازم

تحدث مراحل الانقسام المتساوي وانقسام السيتوبلازم بعد مرحلة الطور البيني مباشرة. ففي الانقسام المتساوي تنقسم المواد النووية في الخلية وتنفصل وتنتقل إلى طرفي الخلية المتقابلين. وتنقسم الخلية في أثناء انقسام السيتوبلازم إلى خليتين جديدتين تحتويان على نوى متطابقة.

Prokaryotic cell division
انقسام الخلايا بدائية النوى

تمر الخلايا حقيقية النوى بدورة الخلية حتى تتكاثر. أما الخلايا بدائية النوى فتتكاثر بطريقة تسمى الانشطار الثنائي.

اسم الصورة: التقويم 6-1

التقويم 6-1

الخلاصة

• نسبة مساحة السطح إلى الحجم: تصف مساحة الغشاء البلازمي إلى حجم الخلية.
• يحدد نقل المواد والمعلومات التواصل الصادر عن النواة حجم الخلية.
• دورة الخلية هي عملية التكاثر الخلوي.
• تقضي الخلية معظم حياتها في الطور البيني.

فهم الأفكار الرئيسة

• الفكرة الرئيسة اربط حجم الخلية مع وظائفها، ثم فسر كيف أن حجم الخلية محدد؟
• لخص مراحل الرئيسة في دورة الخلية.
• صف ما يحدث للمادة الوراثية DNA في أثناء مرحلة بناء DNA - مرحلة (S) من الطور البيني.
• ارسم شكلاً تخطيطيًّا لمراحل دورة الخلية، وصف ما يحدث في كل منها.

التفكير الناقد

• كون فرضية. ماذا يحدث إذا تمكنت خلية كبيرة من الانقسام، على الرغم من نموها إلى ما يفوق حجمها المثالي؟

• الرياضيات في علم الأحياء إذا كان مكعب طول أحد جوانبه 5 µm يمثل خلية، فاحسب نسبة مساحة سطحه إلى حجمه، ثم فسر هل يعد هذا الحجم مناسبًا للخلية أم لا؟