¿Cambia la temperatura interna de la celda en respuesta a un cambio en la temperatura externa?

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Algunas especies son homeotermos (la temperatura interna no se ve afectada por un cambio en la temperatura externa) y algunas son poiquilotermos (la temperatura interna cambia en respuesta a la temperatura externa). Estos conceptos se aplican a niveles individuales.

¿Qué hay de las células (las células unicelulares y las células en un organismo multicelular)? Sé que las células reaccionan al cambio de temperatura. Por ejemplo, la cantidad de colesterol en la membrana celular puede variar en respuesta a la temperatura para mantener la fluidez de la membrana aproximadamente constante ( ref ). Pero eso no impide que la temperatura interna cambie.

Pregunta

Cuando la temperatura externa de la celda cambia, ¿afecta la temperatura interna? Espero que el proceso sea lo suficientemente general como para no tener que especificar un organismo en particular. Si se necesita hablar de un organismo en particular, considere una levadura, por ejemplo. ¿Cómo varía la temperatura interna de una levadura con un cambio en la temperatura externa?

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Como mi conocimiento en física es muy limitado, ni siquiera pensé en la ley de Fourier antes de leer la respuesta y el comentario de @Eli Korvigo y el comentario de @AMR. Así que hagamos algunos cálculos:

Si consideramos una celda esférica de área 4 π r 2 , dónde r es el radio, entonces la pérdida de calor es 4 π r 2 ⋅ Δ T ⋅ k ( Ley de Fourier ), donde Δ T es el diferencial de temperatura y k es la conductividad térmica. Entonces la relación de producción de calor H sobre la conductividad térmica k (para hacer frente a este cambio de Δ T ºC) es H k = 4 π r 2 Δ T . Si r = 10 − 6 metros y Δ T = 2 ºC, entonces H k ≈ 10 − 11 . ¿Tengo razón?

¿Esta proporción realmente no es realista para una célula? La conductividad térmica del agua es k = 0,56 W metro ⋅ k ( ref. ) y la producción de calor por celda es 34 ⋅ 10 − 12 W ( ref. ). Entonces la razón es del orden de 10 − 11 ¡también! ¿Tengo razón?

Entonces, ¿es realmente imposible que una célula regule su temperatura?

Cuando hace cultivo de células/tejidos, aprende a trabajar rápido para no mantener sus cultivos fuera de la incubadora por mucho tiempo. Asegúrese de que esté configurado para 37 * y que su toma de CO2 no esté vacía. En resumen, las células se adaptan al entorno en el que evolucionaron. Las células de los mamíferos no responden bien a un entorno seco, demasiado frío o demasiado caliente, ni al oxígeno y alrededor del 5 % de CO2 al cultivo. Las bacterias son bastante fuertes y tienen un rango más amplio donde pueden sobrevivir, pero generalmente no crecerán fuera de su rango ideal. Para E.coli, contra eso es 37* a medida que evolucionaron en el tracto digestivo de los mamíferos.
Piensa en ello de esta manera. Se llega a unos cientos de metros de la cumbre del Matterhorn cuando cae la noche de enero. Puedes dormir expuesto, en una tienda de campaña, o en una tienda de campaña en un saco de dormir de capullo, o en una tienda de campaña con saco de dormir y algunos compañeros de escalada. Opción 1, probablemente estará gravemente hipotérmico por la mañana o posiblemente muerto. Opción 2 probablemente no estará mucho mejor. Opción 3, debería estar bien, aunque puede tener miedo de abrir la bolsa por la mañana. Opción 4, la temperatura de la tienda probablemente también sea más cálida que la temperatura ambiente exterior.
Entiendo que las células (unicelulares o no) tienen su nicho ecológico. Pero no es porque tengas tal nicho que no evolucionarás para regular tu temperatura interior a fin de expandirte sobre este nicho (como lo hacen los mamíferos, por ejemplo). Entonces creo que la pregunta sigue siendo (¿Son las células (levadura, por ejemplo) capaces de regular su temperatura interior?)
Diría que hay un rango de respuesta al cambio ambiental que experimenta la célula, pero ninguna célula individual tiene la capacidad de regular la temperatura. Pueden responder al cambio, pero necesita sistemas para controlar la temperatura. Los organismos multicelulares son más grandes que la suma de sus partes, por lo que aunque sistémicamente nosotros (los animales de sangre caliente) podemos hacer modificaciones a la actividad metabólica que regula nuestra temperatura central, es el resultado de la respuesta colectiva más que la de cualquier célula individual.
Y eso es solo considerando Mamíferos. Hay algunos reptiles muy grandes que no son capaces de mantener su temperatura corporal, a pesar de que tienen la masa crítica para hacerlo. Su respuesta al frío es la hibernación, o en el caso de los dinosaurios realmente grandes, la extinción.
Y sé que está al tanto de estas cosas, pero creo que está tan concentrado en los detalles técnicos de su pregunta que está olvidando lo que sabe acerca de por qué surgió el multicelularismo en primer lugar. Se puede argumentar que las paredes de las células procarióticas son adaptaciones a los extremos de los entornos que experimentan, pero ¿significa eso que están manejando activamente la situación o simplemente están adaptadas a una gama más amplia de entornos, ya que tienen que hacerlo solos? en su mayor parte para sobrevivir y transmitir sus genes?

Respuestas (1)

Los organismos multicelulares homeotérmicos tienen tejidos especiales que queman recursos para calentarse (generalmente esto implica romper la cadena de transporte de electrones en las etapas finales de la respiración para transformar toda la energía química en energía térmica). Y tienen tejidos especiales (grasa) y suficiente masa corporal (esto se trata más de la relación volumen/área) para evitar que esta energía se disipe. Si recuerdas la física, cualquier organismo unicelular tiene una masa corporal insuficiente para acumular energía térmica durante cualquier cantidad de tiempo perceptible, por lo que es inútil quemar los recursos que puede gastar para adaptarse a temperaturas más bajas, es decir, sintetizar proteínas de choque frío, modificar membranas, reestructurar metabolismo. Esta es básicamente la misma razón por la que los pequeños mamíferos y las aves tienen que comer todo el tiempo para mantenerse con vida.

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Como puede ver, cuanto más pequeño sea, más energía necesitará quemar (por lo tanto, aumente O 2 consumo) para mantener la temperatura corporal. Es por eso que no vemos insectos verdaderamente homeotérmicos (algunos de ellos pueden calentarse por cortos períodos de tiempo) u otros animales pequeños.

Gracias por su respuesta +1 Usted dijo 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 temperaturesEso significa que no hay absolutamente ningún control sobre la temperatura interna a nivel celular en comparación con la temperatura extracelular. ¿Está bien? Sería genial si tuvieras una referencia.
@ Remi.b No quiero decir que esto sea imposible, sino termodinámicamente irracional. Esta afirmación se deriva directamente de la ley de Fourier . Una celda es simplemente demasiado pequeña, por lo que cualquier energía gastada para calentarse se disipará inmediatamente. No te olvides de la capacidad energética del agua.
La respuesta de Eli tiene sentido, pero aquí hay un ejemplo. Si coloca una masa sustancial de levadura en un barril con uvas trituradas o mosto, iniciarán la fermentación para producir alcohol para cerveza o vino. Si observa una temperatura, la temperatura dentro de la tina será más alta que la temperatura ambiente. Con suficiente masa, la levadura produce suficiente calor para calentar el recipiente en el que se encuentra. Sin embargo, un cultivo en una placa de Petri probablemente generaría calor insuficiente para superar los efectos de la temperatura ambiente del entorno.
Muchas gracias por los comentarios también. Ingresé algunos números en la ley de Fourrier para ver si es plausible que una celda regule su temperatura (ver edición). Por favor, hágame saber si eso le parece correcto y si todavía piensa que es imposible que una célula regule su propia temperatura.
@AMR exactamente With ENOUGH MASS, the yeast produce enough heat to warm the container that they are in. De hecho, un cultivo puede calentarse significativamente, es por eso que muchos biorreactores tienen sistemas de enfriamiento, pero un cultivo no es un organismo unicelular :)
@ Remi.b hay dos posibles fallas en sus estimaciones (puedo estar equivocado, ya que no tengo tiempo para un análisis exhaustivo en este momento): 1. Aplicó una aproximación 1D a un caso 3D; 2. hace referencia heat production per cellen una cultura durante el crecimiento (=> muchos recursos de repuesto para quemar): el valor no es relevante para una celda aislada (y ese es el modelo del que estamos hablando hasta donde yo creo). Como habrás notado Over an 8.5 h period, cell numbers increased by 9% and heat production per cell by 18%, la producción de calor por celda se correlaciona con la cantidad de celdas.
El segundo es de hecho un problema potencial en mis cálculos (+1).
@ Remi.b Un placer. En cuanto a la parte matemática, no puedes aplicar esa aproximación lineal a un caso 3D. Si realmente desea estimar la pérdida de calor, debe resolver la forma integral.
¿Cambia la temperatura interna de la celda en respuesta a un cambio en la temperatura externa?
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