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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微生物是指肉眼看不見或看不清的微小生物的統稱。那么，微生物究竟能大到多大，小到多小呢？閱讀本文時，可參考之前發表的一篇博文：目前發現的最大細菌是什么？細菌和古菌的細胞大小不一，小到直徑0.2 μm，大于700 μm。絕大多數已培養的桿狀菌寬度在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滿足不了如此大的細菌進行轉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。古菌目前還沒發現與上述兩者相匹敵大小的菌株，但也許只是沒被發現而已。我們一般認為原核細胞的大小受限于細胞運輸營養物質的能力，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、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；在地球深層發現了直徑約為0.2 μm的細菌和古菌菌群，這些細胞統稱為“超微細菌”。有趣的是，當探究超微細菌的基因組時，發現他們的基因組缺少許多基因，這些基因的產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境交換營養物質和廢物的速度，小細胞的S/V比越大，單位細胞體積內的營養物質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。在同樣多的營養物質時，小細胞的數量要比大細胞數量多，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生。因為復制次數越多，細胞群中的突變總數就越多，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境適應能力。
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