細(xì)菌大小的上限與下限
2021-08-17 14:25:42
天緯化學(xué)小編
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細(xì)菌和古菌的細(xì)胞大小不一，小到直徑0.2 μm，大于700 μm。絕大多數(shù)已培養(yǎng)的桿狀菌寬度在0.5~4 μm之間，長度小于15 μm。當(dāng)然也有一些非常大的的細(xì)菌，如Epulopiscium fishelsoni(費(fèi)氏刺尾魚菌)細(xì)胞長度超過600 μm。費(fèi)氏刺尾魚菌在系統(tǒng)進(jìn)化上與梭菌相關(guān)，存在于刺尾魚的腸道中，含多拷貝基因組，原因在于單一拷貝基因組已經(jīng)滿足不了如此大的細(xì)菌進(jìn)行轉(zhuǎn)錄翻譯等各種需求了。目前已知最大的細(xì)菌是Thiomargarita(納米比亞嗜硫細(xì)菌)，直徑約750 μm，直接肉眼可見，至今人們還未理解為什么這些細(xì)胞如此巨大。古菌目前還沒發(fā)現(xiàn)與上述兩者相匹敵大小的菌株，但也許只是沒被發(fā)現(xiàn)而已。我們一般認(rèn)為原核細(xì)胞的大小受限于細(xì)胞運(yùn)輸營養(yǎng)物質(zhì)的能力，細(xì)胞的代謝率與細(xì)胞大小的平方成反比，對于非常大的細(xì)胞，營養(yǎng)吸收最終會(huì)限制新陳代謝，使其與較小的細(xì)胞競爭中處于下風(fēng)。與Thiomargarita或Epulopiscium相比，典型的桿狀細(xì)菌(如大腸桿菌)平均尺寸約為1-2 μm；相比之下，真核細(xì)胞既可以小到2 μm，也有很多大于600 μm。但一般來說，尺寸小的真核細(xì)胞并不常見。既然細(xì)胞越小在自然界中的優(yōu)勢就越大，物競天擇，那照理說自然界就應(yīng)該全部是特別小的細(xì)菌咯。然而，事實(shí)并非如此。如果我們計(jì)算一個(gè)自由生長的細(xì)胞所需要容納的基本成分(如蛋白質(zhì)、核酸、核糖體等等)，那么細(xì)胞的直徑下限大概在0.15-0.2 μm左右。目前我們也成功的獲得了一些小的原核細(xì)胞，例如每毫升海水大概含有105~106個(gè)原核細(xì)胞，這些細(xì)胞往往是非常小的，直徑在0.2-0.4 μm；在地球深層發(fā)現(xiàn)了直徑約為0.2 μm的細(xì)菌和古菌菌群，這些細(xì)胞統(tǒng)稱為“超微細(xì)菌”。有趣的是，當(dāng)探究超微細(xì)菌的基因組時(shí)，發(fā)現(xiàn)他們的基因組缺少許多基因，這些基因的產(chǎn)物或功能必須由其他微生物細(xì)胞或宿主生物提供。因此，它們能夠成功的進(jìn)化依賴于生化的最低需求，以及緊密相連的其他伴侶們。對于細(xì)胞來說，體積小好處多多。小細(xì)胞比表面積大，具體數(shù)值可以假設(shè)球菌和桿菌為標(biāo)準(zhǔn)的球形和圓柱形，然后計(jì)算它們的面積/體積(S/V)即可。細(xì)胞的S/V比率控制著細(xì)胞的許多特性，包括生長速率和進(jìn)化。因?yàn)榧?xì)胞的生長速度部分取決于它與環(huán)境交換營養(yǎng)物質(zhì)和廢物的速度，小細(xì)胞的S/V比越大，單位細(xì)胞體積內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)和廢物交換速度就越快。因此，自由生長的小細(xì)胞往往比大細(xì)胞生長得更快。在同樣多的營養(yǎng)物質(zhì)時(shí)，小細(xì)胞的數(shù)量要比大細(xì)胞數(shù)量多，這反過來又會(huì)影響細(xì)胞的進(jìn)化。細(xì)胞分裂伴隨著染色體的復(fù)制，復(fù)制過程又會(huì)伴隨著突變的產(chǎn)生。因?yàn)閺?fù)制次數(shù)越多，細(xì)胞群中的突變總數(shù)就越多，從而進(jìn)化的可能性就越大。由于原核細(xì)胞非常小且是單倍體，它們比大細(xì)胞生長和進(jìn)化的速度更快。基于原核細(xì)胞和真核細(xì)胞在大小和染色體上的差異，我們就能理解為什么細(xì)菌和古菌比真核細(xì)胞有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。
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