עיקרון הגדלת שטח פנים ביחס לנפח בביולוגיה

1. עיקרון הגדלת שטח פנים ביחס לנפח בביולוגיה

2. התבונן בשני הצילומים. היכן חי כל אחד ממיני השועל, לדעתך? שועל מצוי(Vulpesvulpes) שועל השלג חי באזורים קרים ואילו השועל המצוי חי במדבריות. שאלה 1: מהו היתרון הביולוגי בכך שאוזניו של השועל המצוי גדולות כל כך ביחס לגודל גופו, לעומת שועל השלג שהוא בעל אוזניים קטנות יחסית לגודל הגוף? שועל שלג(Alopex)

3. פיל אפריקני פיל אסיאתי לפיל האסיאתי יש אוזניים קטנות (וגודל גוף קטן מעט) בהשוואה לפיל האפריקני, הידוע באוזניו הגדולות מאד. מוצאו של הפיל האסיאתי צפונית לקו המשווה, בשונה מהפיל האפריקני שהתפתח באזור קו המשווה, ובו שורר אקלים חם יותר. שאלה 2: מהו היתרון הביולוגי בגודלן הרב של אוזני הפיל האפריקני, לדעתך?

4. בבעלי חיים שונים למשל פילים וארנבים הגדלת שטח פני האוזניים על מנת לקרר ביעילות רבה יותר את הגוף (דרך הגדלת שטח הפנים של כלי הדם שבאוזניים הקרובים יותר לסביבה החיצונית)

5. בעלי חיים המתגוררים באקלים חם: שטח פני האוזניים של השועלים גדול ביחס לגודל גופם. בכך שטח הפנים הכללי של גופם ביחס לגודל (נפח) גופם גדל. זאת על מנת לשחרר ביעילות דרך כלי הדם שבאוזניים את החום העודף. אוזניים גדולות יותר => יותר כלי דם => שחרור חום גוף יעיל יותר. לעומת זאת, בעלי חיים המתגוררים באקלים קר: שטח פני אוזניהם קטן ביחס לגודל גופם. בכך שטח הפנים הכללי של גופם ביחס לגודל (נפח) גופם קטן.

6. ובנוסף... לבעלי חיים קטנים, כמו עכבר, יחס שטח פנים לנפח גדול מאד. כלומר, יש להם הרבה מאד שטח מגע עם האוויר סביבם, והם עלולים לאבד חום רב משטח פני הגוף. אילו חיו בעלי חיים כאלה באקלים קר מאוד היו צריכים להשקיע אנרגיה רבה מאד בחימום גופם, כנגד איבוד חום רב. יחס שטח פנים לנפח בבעל חיים כגון עכבר הוא ≈ 1:1, כלומר הוא מאבד המון חום. על כן, באזורים בהם שורר אקלים קר נפגוש בעלי חיים בעלי גוף גדול ומוצק כגון דובי קוטב. בבעלי חיים אלה, שטח פני גופם קטן ביחס לגודל (נפח) גופם, על כן הם מאבדים מעט חום יחסית, מה שמאפשר להם להתקיים באקלים הקר של הקוטב הצפוני. שאלה 3: כיצד תסביר, אם כן, את נוכחותם הרבה של מכרסמים כמו ירבועים וגרבילים (שגודלם כשל עכברים, בערך) במדבריות ובחולות חוף הים?

7. עיקרון ביולוגי שלהגדלת שטח פנים ביחס לנפח: הדגמה עם תפוח! עקרון זה בא לידי ביטוי בכל המערכות המשמשות לקליטה\ ספיגה\ פליטה של חומרים או אנרגיה ביצורים חיים. לגוף קטן יש שטח פנים גדול באופן יחסי לנפחו. למשל דיסק לצריבה, נפחו קטן יחסית לשטח הפנים שלו. לגוף גדול באופן יחסי לנפחו יש שטח פנים קטן.

8. מגמת שינוי גודל האוזניים בארנבים ושועלים עלייה הדרגתית בגודל האוזניים מתגוררים באקלים חם (תנאי מדבר) מתגוררים באקלים קר (תנאי טונדרה) חוק אלן (Allen’s Rule) בביולוגיה

9. שורשי צמח תות השדה נראים כאוסף של שערות דקיקות. שערות אלה נקראות יונקות. יונקות אלה הן הסתעפויות של קרומי התאים המרכיבים את שורשי הצמח (ראה בשקופית הבאה). שיח של תות שדה והשורשים שלו

10. יונקות בשורשי הצמחים יונקת אחת, בהגדלה ע"י מיקרוסקופ אלקטרונים סורק Scanning electron microscope (SEM) שאלה 4: מהו היתרון הביולוגי בהסתעפויות אלה נקראות יונקות, לאור תפקידם של שרשי הצמח? כיצד תסביר את השם "יונקות" לאור תפקידם של שרשי הצמח? רקמת אפידרמיס של שורש הצמח יונקת בולטת מעל פני השטח של האפידרמיס

11. במערכת העיכול באדם: תאי רירית המעי הדק תאי רירית המעי הדק, בהגדלה ע"י מיקרוסקופ אלקטרונים סורק Scanning electron microscope (SEM) בליטה בודדת

12. שאלה 5: חשוב על תפקידו של המעי הדק בגופנו והסבר לאורו מהו היתרון הביולוגי במבנה מסועף זה של הרירית. ורידים מסומנים בכחול עורקים באדום שאלה 6: מה משותף לתופעות כמו: היונקות בתאי השורש בצמחים, ההסתעפויות המרובות ברירית המעי הדק והעובדה שמגבות איכותיות הסופגת היטב את המים, הן בדרך כלל בעלות סיבים ארוכים וצפופים? תמונה מספר לימוד: "ביולוגיה של גוף האדם", עמ' 44

13. במערכת עיכול: תאי רירית המעי הדק • תאי רירית המעי הדק מגדילים מאוד את שטח הפנים של הדופן הפנימית של המעי הדק ובכך את שטח הפנים שדרכו מתבצעת ספיגה של תוצרי העיכול. • (דוגמא לכך מחיי יום יום היא מגבת איכותית שסופגת היטב את המים, והיא בדרך כלל בעלת סיבים ארוכים וצפופים). • כל בליטה על פני שטח המעי הדק מכילה כלי דם ולימפה. תוצרי העיכול נכנסים לבליטות אלו ומשם מגיעים דרך כלי הדם ולימפה לתאי הגוף האחרים. • רק בשלב זה המזון שנאכל ועוכל הופך להיות חלק מהסביבה הפנימית של הגוף!

14. דוגמה: הגברת יעילות חוש הריח

15. עש הירח

16. אנטנות של עש הירח בהגדלה על גבי כל שערה בודדת של אנטנה יש מאות "שעריות" קטנטנות, המגדילות עוד יותר את שטח הפנים של האנטנה ובכך את יעילות הקליטה של הריחות על ידי העש.

17. אם נחלק קוביה בגודל מסוים לקוביות קטנות יותר נקבל 4 קוביות. מה הקשר בין היחס שבין שטח הפנים לנפח ותנאי הסביבה ? התבוננו בתרשימים:

18. שאלה 7: מתי שטח הפנים של הגופים גדול יותר, כאשר כל הקוביות מחוברות יחד או כאשר מפרקים אותן? רואים שכאשר הגוף קטן יותר, שטח הפנים גדול יותר ביחס לנפח. לכן גוף קטן מאבד חום לסביבה מהר יותר. שאלה 8: כשרוצים ליבש כביסה מהר, האם כדאי לתלות כל בגד בנפרד או להשאירם בגיגית הכביסה?

19. שאלה 9:מי מבין הקוביות בעלת יעילות דיפוזיה הגדולה ביותר?

20. המושג"יעילות הדיפוזיה" מבטא את קצב אספקת החומרים לתוך התא וממנו החוצה. ככל שקצב מעבר החומרים יהיה מהיר יותר, יעילות הדיפוזיה תהיה טובה יותר. מעבר חומרים יעיל דרך הקרום, חיוני לצורך התהליכים המתרחשים בתא ומכאן לקיומו של התא . שאלה 10: מדוע החד–תאיים לעולם ישארו תאים זעירים? מדוע יורד קצב הגידול של תאים כאשר הם גדלים? כיצד משפיעה חלוקת התא על יכולתו לקלוט חומרים הדרושים לגידולו? כיצד נפתרה בעיית היחס שטח פנים\ נפח ביצורים רב – תאיים?

21. שאלה 11: באיזה מבעלי-החיים הנתונים בטבלה, צריכת החמצן לגרם גוף היא הגדולה ביותר? הסבר מדוע.

22. שאלה 12: מה אתה למד על צריכת החמצן לגרם גוף של בעלי חיים קטנים לעומת צריכת החמצן לגרם גוף של בעלי חיים גדולים? כיצד אתה מסביר תופעה זו.

23. הסוף! שאלות?