細菌大小的上限與下限
2021-08-17 14:25:42
天緯化學小編
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細菌和古菌的細胞大小不一，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。當然也有一些非常大的的細菌，如Epulopiscium fishelsoni(費氏刺尾魚菌)細胞長度超過600 μm。費氏刺尾魚菌在系統(tǒng)進化上與梭菌相關，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菌進行轉(zhuǎn)錄翻譯等各種需求了。目前已知最大的細菌是Thiomargarita(納米比亞嗜硫細菌)，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。我們一般認為原核細胞的大小受限于細胞運輸營養(yǎng)物質(zhì)的能力，細胞的代謝率與細胞大小的平方成反比，對于非常大的細胞，營養(yǎng)吸收最終會限制新陳代謝，使其與較小的細胞競爭中處于下風。與Thiomargarita或Epulopiscium相比，典型的桿狀細菌(如大腸桿菌)平均尺寸約為1-2 μm；相比之下，真核細胞既可以小到2 μm，也有很多大于600 μm。但一般來說，尺寸小的真核細胞并不常見。既然細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該全部是特別小的細菌咯。然而，事實并非如此。如果我們計算一個自由生長的細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胞，例如每毫升海水大概含有105~106個原核細胞，這些細胞往往是非常小的，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的細菌和古菌菌群，這些細胞統(tǒng)稱為“超微細菌”。有趣的是，當探究超微細菌的基因組時，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胞或宿主生物提供。因此，它們能夠成功的進化依賴于生化的最低需求，以及緊密相連的其他伴侶們。對于細胞來說，體積小好處多多。小細胞比表面積大，具體數(shù)值可以假設球菌和桿菌為標準的球形和圓柱形，然后計算它們的面積/體積(S/V)即可。細胞的S/V比率控制著細胞的許多特性，包括生長速率和進化。因為細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，小細胞的S/V比越大，單位細胞體積內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)和廢物交換速度就越快。因此，自由生長的小細胞往往比大細胞生長得更快。在同樣多的營養(yǎng)物質(zhì)時，小細胞的數(shù)量要比大細胞數(shù)量多，這反過來又會影響細胞的進化。細胞分裂伴隨著染色體的復制，復制過程又會伴隨著突變的產(chǎn)生。因為復制次數(shù)越多，細胞群中的突變總數(shù)就越多，從而進化的可能性就越大。由于原核細胞非常小且是單倍體，它們比大細胞生長和進化的速度更快。基于原核細胞和真核細胞在大小和染色體上的差異，我們就能理解為什么細菌和古菌比真核細胞有更強的環(huán)境適應能力。
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