ადამიანის სხეული 30 ტრილიონამდე უჯრედს აერთიანებს, რომლებიც ერთი განაყოფიერებული კვერცხუჯრედიდან ვითარდება. თუმცა, მათი ზომები და ფორმები რადიკალურად განსხვავდება. ყველაზე პატარა უჯრედი, სპერმატოზოიდი, მხოლოდ 30 მკმ³ მოცულობისაა, ხოლო კვერცხუჯრედი 4 000 000 მკმ³-ს აღწევს. ამ განსხვავებას მარტივი ევოლუციური ახსნა აქვს: უჯრედი იმდენად დიდი ან პატარაა, რამდენადაც ეს მისი ფუნქციის შესასრულებლად არის საჭირო. მაგრამ ფიზიკის კანონები გაცილებით უფრო მკაცრ შეზღუდვებს აწესებს.

პირველი მთავარი ფაქტორი ზედაპირის ფართობისა და მოცულობის შეფარდებაა. უჯრედის მოცულობა მისი რადიუსის კუბის პროპორციულად იზრდება, ხოლო ზედაპირის ფართობი — კვადრატის პროპორციულად. ეს ნიშნავს, რომ უჯრედის მოცულობა გაცილებით სწრაფად იზრდება, ვიდრე მისი მემბრანა, რომელიც ნივთიერებათა ცვლას უზრუნველყოფს. თუ შიდა მოცულობა ზედმეტად გაიზრდება, მემბრანა ვერ შეძლებს საკვები ნივთიერებების მიწოდებასა და ნარჩენების გატანას, რაც მეტაბოლიზმს შეანელებს.

მეორე მნიშვნელოვანი შეზღუდვა დიფუზიაა. უჯრედის შიგნით თითქმის ყველა პროცესი მოლეკულების შემთხვევით შეჯახებებზეა დამოკიდებული. რაც უფრო დიდია უჯრედის მოცულობა, მით ნაკლებია ალბათობა იმისა, რომ ფერმენტები თავიანთ სამიზნეებს სწრაფად იპოვიან. ციტოპლაზმა უკიდურესად გადატვირთულია, რაც მოლეკულების მოძრაობას აფერხებს — ცილა წამში მილიარდობით წყლის მოლეკულას ეჯახება.

ბაქტერია E. coli-ში ცილას უჯრედის ერთი ბოლოდან მეორემდე მისასვლელად 0.01 წამი სჭირდება. თუ მანძილი ერთი მილიმეტრი გახდებოდა, ამავე ცილას დაახლოებით ოთხი წუთი დასჭირდებოდა, ხოლო ერთი სანტიმეტრის შემთხვევაში — ექვს საათზე მეტი. სწორედ ამიტომაა უჯრედების უმეტესობა მიკროსკოპული.

არსებობს გამონაკლისებიც. მაგალითად, ბაქტერია Thiomargarita magnifica სანტიმეტრამდე იზრდება, რადგან მისი მოცულობის 65-80%-ს ცარიელი ვაკუოლი იკავებს. ეს მას საშუალებას აძლევს, მოლეკულები უჯრედის პერიფერიაზე განათავსოს და დიფუზიის მანძილი შეამციროს. საბოლოოდ, უჯრედის ფორმა და ზომა ყოველთვის არის ბალანსი ფიზიკურ ძალებსა და ბიოლოგიურ საჭიროებებს შორის.

2 ფოტო — დააჭირე გასადიდებლად