Szkielety wspierające i ochronne

Komórki stają się więk­sze, ponie­waż jest to w wielu przy­pad­kach korzystne termo­dy­na­micz­nie, tj. fizycz­nie i ener­ge­tycz­nie. Stosu­nek obję­to­ści do powierzchni komórki stanowi jedną trze­cią promie­nia kuli:

Ozna­cza to, że im więk­sza staje się kula, tym bardziej rośnie jej zawar­tość w porów­na­niu z jej powierzch­nią. Ozna­cza to, że wymiana wody, mate­rii i ciepła z otocze­niem może być lepiej kontro­lo­wana. To zjawi­sko wzro­stu wiel­ko­ści można zaob­ser­wo­wać u wielu orga­ni­zmów jedno­ko­mór­ko­wych, które żyją przy ogra­ni­czo­nej podaży skład­ni­ków odżyw­czych. Jednak zwięk­sze­nie obję­to­ści ma również wady, np. siły, które wystę­pują przy różni­cach ciśnień osmo­tycz­nych między wnętrzem i zewnę­trzem komórki są znacz­nie więk­sze. W tym przy­padku może pomóc ochrona mecha­niczna. Komórki bez takiej ochrony mogą istnieć tylko w równo­wa­dze osmo­tycz­nej z otocze­niem i są również wraż­liwe na mecha­niczne siły ścinające.

Już jedno­ko­mór­kowce, zarówno proka­rio­tycz­ne­jak i euka­rio­tyczne, rozwi­nęły ścianę komór­kową zbudo­waną z białek pomoc­ni­czych i poli­sa­cha­ry­dów, tak zwanych pepty­do­gli­ka­nów, które zapew­niają ich komór­kom mecha­niczną ochronę na wcze­snym etapie ewolu­cji. Stało się to co najmniej 3,5 miliarda lat temu, jak poka­zują znale­zi­ska skamie­nia­ło­ści prekur­so­rów cyja­no­fi­cea. Jedy­nymi wyjąt­kami są bakte­rie paso­żyt­ni­cze, takie jak myko­pla­zmy i tym podobne.

Jednak taka ściana komór­kowa nie jest już wystar­cza­jąca dla więk­szych grup komó­rek i orga­ni­zmów wielo­ko­mór­ko­wych. Dopiero utwo­rze­nie dalszych struk­tur stabi­li­zu­ją­cych rozwią­zało ten problem.

Najwcze­śniej­szą z tych struk­tur była celu­loza, która składa się z długich łańcu­chów czystych cząste­czek glukozy (cukru grono­wego) połą­czo­nych specjal­nym wiąza­niem chemicz­nym. Celu­loza ta powstaje w błonie komór­ko­wej komó­rek, osadza się na zewnątrz i jej cząsteczki natych­miast łączą sie. Z jednym wyjąt­kiem, tuni­cata, tylko komórki roślinne są zdolne do syntezy i wydzie­la­nia (wyda­la­nia) celu­lozy. Dzięki swojej struk­tu­rze włókno celu­lo­zowe może wytrzy­mać duże obcią­że­nia rozcią­ga­jące, ale nie wytrzy­muje prawie żadnego naci­sku (rośliny osią­gnęły stabil­ność ściska­nie tylko dzięki maga­zy­no­wa­niu ligniny między włók­nami celulozowymi).

W świe­cie zwie­rząt, z wyjąt­kiem wspo­mnia­nych wyjąt­ków, egzosz­kie­let powsta­wał zwłasz­cza u stawo­no­gów jako zewnętrzne złogi naskórka. Nazywa się naskó­rek i jako istotny element struk­tu­ralny składa się z bezbarw­nych, elastycz­nych włókien chity­no­wych. Skład­nik biał­kowy, brązo­wawa skle­ro­tyna, otacza te fibryle i okre­śla wytrzy­ma­łość kompleksu. Mine­rały, takie jak kalcyt lub apatyt, mogą być również maga­zy­no­wane jako dodat­kowe wzmoc­nie­nie, ale także mogą to być związki cynku lub magnezu. Mięśnie przy­cze­piają się od wewnątrz do poszcze­gól­nych elemen­tów egzosz­kie­letu, umoż­li­wia­jąc ruch elemen­tów wzglę­dem siebie.

Ponie­waż egzosz­kie­lety są nieroz­bie­ralne i nie rosną razem z nimi, stawo­nogi są zmuszone opuścić tę skorupę w fazie wzro­stu i ufor­mo­wać nowy, więk­szy egzosz­kie­let. Ten proces nazywa się „linie­niem”. Ponie­waż pancerz chity­nowy nie chroni przed utratą wody, u wielu stawo­no­gów na naskórku odkłada się wosko­wata warstwa ochronna zwana Epicuticula.

Hydrosz­kie­let jest filo­ge­ne­tycz­nie star­szy niż egzosz­kie­let, tj. powstał przed nim w dzie­jach ewolu­cji. Mówi się o hydrosz­kie­le­cie, gdy część mięśni działa na doszczęt­nie wypeł­nioną poduszkę z płynem, dzięki czemu siły mecha­niczne mogą być przyj­mo­wane i skutecz­nie dalej prze­ka­zy­wane, podob­nie jak w tech­nicz­nym ukła­dzie hydrau­licz­nym. Ten system praw­do­po­dob­nie wywo­dzi się z nicieni i pier­ście­nic i istnieje do dziś.
Owady również wyko­rzy­stują ten hydrosz­kie­let, pomimo swojego ukszta­to­wa­nego egzosz­kie­letu, np. do poru­sza­nia nóg do skaka­nia lub do chodze­nia, a także do pozby­cia się ich egzosz­kie­letu podczas proce­sów linie­nia. Funk­cjo­nal­nie hydrosz­kie­le­towi odpo­wiada tzw. turgor komór­kowy roślin, w którym ciśnie­nie osmo­tyczne wnętrza komórki, zwięk­szone w porów­na­niu z ośrod­kiem zewnętrz­nym, prowa­dzi do hydro­sta­tycz­nej różnicy ciśnień, która musi zostać prze­jęta przez ściankę komórkową.

Endosz­kie­let czyli szkie­let wewnętrzny jest najbar­dziej zauwa­żalną wspólną cechą kręgow­ców. Jest to mecha­niczna konstruk­cja nośna (szkie­let), która nie jest częścią zewnętrz­nej powłoki orga­ni­zmu. Jego poszcze­gólne elementy nazy­wane są kośćmi. Podczas gdy u stawo­no­gów mięśnie przy­cze­pione są do wnętrza egzosz­kie­letu, u kręgow­ców przy­cze­piają się do kości wewnątrz ciała i poru­szają poszcze­gólne części ciała wzglę­dem siebie. Z wyjąt­kiem ryb chrzęst­nych, których szkie­let wewnętrzny składa się z chrząstki z włączo­nym węgla­nem wapnia, szkie­let wewnętrzny więk­szo­ści kręgow­ców składa się z fosfo­ranu wapnia i kola­genu. Kolej­nym skład­ni­kiem wewnętrz­nego szkie­letu jest chrząstka. W prze­ci­wień­stwie do egzosz­kie­letu zbudo­wa­nego z chityny, taki kości­sty szkie­let wewnętrzny rośnie wraz z orga­ni­zmem: każda chrząstka i każda kość podlega ciągłemu rozpa­dowi i odbu­do­wie. [KHB]