Tế bào phần lớn chỉ cỡ 1–30 micromét vì mọi thứ ra vào đều phải đi qua màng bao ngoài, mà màng tăng theo bình phương còn phần ruột cần nuôi tăng theo lập phương. Thêm vào đó, oxy và chất dinh dưỡng tự lan trong nước chỉ nhanh ở quãng ngắn: đi 10 micromét mất vài phần trăm giây, đi 1 cm mất cả buổi. Tế bào to quá sẽ đói ở giữa.
Thế giới tế bào: cỡ nào là cỡ thường
Một micromét là một phần nghìn milimét. Sợi tóc người dày khoảng 50–100 micromét.
| Tế bào | Kích thước gần đúng | So với sợi tóc |
|---|---|---|
| Vi khuẩn E. coli | dài khoảng 2 µm, rộng khoảng 1 µm | nhỏ hơn khoảng 50 lần |
| Hồng cầu người | đường kính khoảng 7–8 µm | nhỏ hơn khoảng 10 lần |
| Tế bào gan, tế bào da | khoảng 10–30 µm | nhỏ hơn vài lần |
| Trứng người | khoảng 100–120 µm | cỡ một sợi tóc, vừa đủ thấy bằng mắt thường |
| Thiomargarita magnifica | trung bình khoảng 1 cm, có sợi tới 2 cm | vi khuẩn to nhất từng biết |
Điều đáng chú ý: tế bào của voi và tế bào của chuột phần lớn cỡ gần như nhau. Voi to vì có nhiều tế bào hơn, không phải vì tế bào to hơn. Cơ thể người trưởng thành được ước tính có khoảng 30 nghìn tỉ tế bào.
Lý do thứ nhất: màng không theo kịp ruột
Coi tế bào như một khối cầu. Diện tích màng bằng 4πr², thể tích bằng 4/3πr³. Tỉ số diện tích trên thể tích bằng 3/r.
- Tế bào bán kính 1 µm: tỉ số 3 trên mỗi micromét.
- Bán kính 10 µm: tỉ số 0,3.
- Bán kính 100 µm: tỉ số 0,03.
Mỗi lần bán kính tăng 10 lần, mỗi đơn vị thể tích chỉ còn một phần mười diện tích màng để lấy vào thức ăn, oxy và thải ra chất bã. Trong khi đó, phần thể tích bên trong mới là nơi tiêu thụ. Giống một khu chung cư cứ xây cao thêm tầng mà không mở thêm cửa: tới một lúc người ra vào kẹt cứng ở sảnh.
Lý do thứ hai: khuếch tán chỉ nhanh ở quãng ngắn
Bên trong tế bào không có máy bơm đưa oxy tới từng góc. Phân tử tự lan đi bằng chuyển động hỗn loạn, gọi là khuếch tán. Đặc điểm quan trọng của khuếch tán: thời gian tăng theo bình phương quãng đường. Đi xa gấp 10 lần mất thời gian gấp 100 lần.
Với oxy trong nước, hệ số khuếch tán khoảng 2 phần tỉ mét vuông mỗi giây. Thời gian gần đúng bằng bình phương quãng đường chia cho hai lần hệ số đó:
| Quãng đường | Thời gian oxy tự lan tới |
|---|---|
| 1 µm (cỡ vi khuẩn) | khoảng 0,00025 giây |
| 10 µm (cỡ tế bào thường) | khoảng 0,025 giây |
| 100 µm | khoảng 2,5 giây |
| 1 mm | khoảng 4 phút |
| 1 cm | khoảng 7 giờ |
Tự tính dòng thứ hai: 10 µm là 0,00001 m. Bình phương được 0,0000000001. Chia cho 0,000000004 ra 0,025 giây. Trong một tế bào cỡ 10 µm, oxy lan khắp gần như tức thì. Trong một khối sống dày 1 cm mà không có mạch máu, phần giữa sẽ thiếu oxy rất lâu trước khi kịp nhận.
Vì sao cơ thể lớn phải có mạch máu
Đây chính là lý do sinh vật nhiều tế bào phải có hệ tuần hoàn. Nhà sinh lý học người Đan Mạch August Krogh, giải Nobel Y học năm 1920 nhờ nghiên cứu mao mạch, chỉ ra rằng ở cơ, hầu như tế bào nào cũng nằm cách mao mạch gần nhất chỉ vài chục micromét. Máu chở oxy đi những quãng dài, khuếch tán chỉ lo nốt đoạn cuối ngắn ngủi.
Giun dẹp không có hệ tuần hoàn thì thân phải dẹp mỏng: không chỗ nào trong cơ thể cách mặt ngoài quá xa.
Lý do thứ ba: một nhân điều khiển được bao xa
Nhân tế bào chứa bản gốc của bộ gen, mỗi gen thường chỉ có hai bản. Mọi chỉ thị làm protein đều xuất phát từ đó. Tế bào càng to, mỗi bản gen phải phục vụ càng nhiều thể tích, và các phân tử thông tin phải đi càng xa. Đầu thế kỷ 20, nhà sinh học người Đức Richard Hertwig đã nhận xét về một tỉ lệ khá ổn định giữa cỡ nhân và cỡ tế bào chất.
Những tế bào lớn thường giải quyết bằng cách nhân bản bộ gen lên nhiều lần: trùng đế giày có một nhân lớn chứa rất nhiều bản sao gen, nhiều tế bào gan người có hai hay bốn bộ nhiễm sắc thể.
Những tế bào khổng lồ lách luật thế nào
Vi khuẩn dài cả centimét
Năm 2022, nhóm của Jean-Marie Volland và Olivier Gros công bố trên tạp chí Science loài Thiomargarita magnifica, tìm thấy bám trên lá cây chìm trong rừng ngập mặn ở Guadeloupe, vùng Caribe. Mỗi tế bào là một sợi trắng dài trung bình khoảng 1 cm, thấy được bằng mắt thường, lớn hơn vi khuẩn thường hàng nghìn lần. Nó lách luật bằng hai cách: một không bào khổng lồ chiếm phần lớn thể tích, đẩy phần sống thành lớp mỏng sát màng; và bộ gen được nhân thành hàng trăm nghìn bản sao, chia vào những túi màng nhỏ phân bố khắp tế bào.
Bong bóng tảo
Tảo Valonia ventricosa ở biển nhiệt đới là một tế bào hình cầu xanh bóng, thường 1–4 cm. Bên trong phần lớn là dịch không bào; lớp sống chỉ là một màng mỏng chứa rất nhiều nhân.
Lòng đỏ trứng
Lòng đỏ trứng chim chưa thụ tinh được coi là một tế bào; lòng đỏ trứng đà điểu vì thế thường được gọi là tế bào lớn nhất. Nhưng gần hết thể tích là chất dự trữ không trao đổi chất; phần sống thực sự chỉ là một đốm nhỏ.
Tế bào thần kinh dài mà mảnh
Sợi trục thần kinh từ tuỷ sống xuống ngón chân người dài khoảng một mét, ở hươu cao cổ dài vài mét. Nhưng nó chỉ dày vài micromét, nên không điểm nào cách màng xa. Để chở vật liệu từ thân tế bào ra đầu sợi, tế bào thần kinh có cả một hệ "đường ray" vi ống với protein vận chuyển chạy dọc.
Điểm chung của mọi tế bào khổng lồ: hoặc phần sống bị ép thành lớp mỏng, hoặc hình dạng kéo dài mảnh, hoặc nhiều nhân. Không có tế bào nào to mà đặc ruột hoạt động.
Cùng một bài toán, ở cấp cơ quan
Cơ thể dùng lại mẹo "tăng bề mặt mà không tăng thể tích" ở khắp nơi:
- Phổi: hàng trăm triệu phế nang nhỏ tạo diện tích trao đổi khí cỡ vài chục tới khoảng 100 mét vuông.
- Ruột non: nếp gấp, lông ruột và vi nhung mao tăng diện tích hấp thụ. Con số cũ "bằng một sân tennis" đã được nhóm của Herbert Helander và Lars Fändriks đo lại năm 2014, ra khoảng 30 mét vuông cho toàn bộ ống tiêu hoá, vẫn lớn gấp hàng chục lần diện tích da.
- Rễ cây: lông hút mảnh như sợi tóc nhân diện tích tiếp xúc với đất lên nhiều lần.
Góc nhìn hôm nay: thấy luật này trong bếp
- Thái thịt mỏng ướp nhanh thấm hơn miếng to: gia vị phải khuếch tán vào, và thời gian tăng theo bình phương độ dày. Miếng dày gấp đôi cần ướp lâu gấp khoảng bốn lần.
- Đường cát tan nhanh hơn đường phèn cục: cùng khối lượng, nhiều hạt nhỏ có tổng diện tích lớn hơn rất nhiều.
- Thí nghiệm khoai tây: cắt ba khối khoai cạnh 1 cm, 2 cm, 4 cm, ngâm vào nước pha màu thực phẩm đậm trong một giờ, rồi cắt đôi. Khối nhỏ ngấm gần hết, khối lớn chỉ ngấm một viền ngoài.
Muốn đọc tiếp, các sách sinh học tế bào phổ thông như "Essential Cell Biology" của Bruce Alberts và cộng sự có phần về kích thước tế bào và khuếch tán viết rất rõ.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao tế bào lại nhỏ như vậy?
Vì mọi chất ra vào tế bào phải qua màng, mà màng tăng theo bình phương còn thể tích tăng theo lập phương kích thước. Ngoài ra, khuếch tán chỉ nhanh ở quãng ngắn, thời gian tăng theo bình phương quãng đường. Tế bào to quá thì phần giữa không nhận đủ chất kịp thời.
Tế bào lớn nhất là tế bào gì?
Lòng đỏ trứng đà điểu thường được gọi là tế bào lớn nhất, nhưng phần lớn là chất dự trữ. Trong các tế bào hoạt động, có tảo Valonia cỡ vài centimét, vi khuẩn Thiomargarita magnifica dài khoảng 1 cm, và sợi trục thần kinh dài tới vài mét.
Vi khuẩn lớn nhất thế giới là loài nào?
Tính tới nay là Thiomargarita magnifica, công bố năm 2022 trên tạp chí Science. Mỗi tế bào dài trung bình khoảng 1 cm, có khi tới 2 cm, sống trong rừng ngập mặn ở Guadeloupe. Nó lớn được nhờ không bào khổng lồ và hàng trăm nghìn bản sao bộ gen.
Tế bào voi có to hơn tế bào chuột không?
Phần lớn các loại tế bào ở voi và chuột cỡ gần như nhau. Voi to vì có nhiều tế bào hơn rất nhiều. Đó cũng là lý do tế bào phải duy trì kích thước nhỏ bất kể cơ thể lớn cỡ nào.
Tỉ lệ diện tích trên thể tích là gì?
Đó là diện tích bề mặt chia cho thể tích của một vật. Với khối cầu, tỉ số bằng 3 chia bán kính, nên vật càng nhỏ thì tỉ số càng lớn. Tỉ số này quyết định tốc độ trao đổi chất, mất nhiệt và hấp thụ của tế bào lẫn cơ thể.
