细菌大小的上限与下限
2021-08-17 14:25:42
天纬化学小编
微生物是指肉眼看不见或看不清的微小生物的统称。那么，微生物究竟能大到多大，小到多小呢？阅读本文时，可参考之前发表的一篇博文：目前发现的最大细菌是什么？细菌和古菌的细胞大小不一，小到直径0.2 μm，大于700 μm。绝大多数已培养的杆状菌宽度在0.5~4 μm之间，长度小于15 μm。当然也有一些非常大的的细菌，如Epulopiscium fishelsoni(费氏刺尾鱼菌)细胞长度超过600 μm。费氏刺尾鱼菌在系统进化上与梭菌相关，存在于刺尾鱼的肠道中，含多拷贝基因组，原因在于单一拷贝基因组已经满足不了如此大的细菌进行转录翻译等各种需求了。目前已知最大的细菌是Thiomargarita(纳米比亚嗜硫细菌)，直径约750 μm，直接肉眼可见，至今人们还未理解为什么这些细胞如此巨大。古菌目前还没发现与上述两者相匹敌大小的菌株，但也许只是没被发现而已。我们一般认为原核细胞的大小受限于细胞运输营养物质的能力，细胞的代谢率与细胞大小的平方成反比，对于非常大的细胞，营养吸收最终会限制新陈代谢，使其与较小的细胞竞争中处于下风。与Thiomargarita或Epulopiscium相比，典型的杆状细菌(如大肠杆菌)平均尺寸约为1-2 μm；相比之下，真核细胞既可以小到2 μm，也有很多大于600 μm。但一般来说，尺寸小的真核细胞并不常见。既然细胞越小在自然界中的优势就越大，物竞天择，那照理说自然界就应该全部是特别小的细菌咯。然而，事实并非如此。如果我们计算一个自由生长的细胞所需要容纳的基本成分(如蛋白质、核酸、核糖体等等)，那么细胞的直径下限大概在0.15-0.2 μm左右。目前我们也成功的获得了一些小的原核细胞，例如每毫升海水大概含有105~106个原核细胞，这些细胞往往是非常小的，直径在0.2-0.4 μm；在地球深层发现了直径约为0.2 μm的细菌和古菌菌群，这些细胞统称为“超微细菌”。有趣的是，当探究超微细菌的基因组时，发现他们的基因组缺少许多基因，这些基因的产物或功能必须由其他微生物细胞或宿主生物提供。因此，它们能够成功的进化依赖于生化的最低需求，以及紧密相连的其他伴侣们。对于细胞来说，体积小好处多多。小细胞比表面积大，具体数值可以假设球菌和杆菌为标准的球形和圆柱形，然后计算它们的面积/体积(S/V)即可。细胞的S/V比率控制着细胞的许多特性，包括生长速率和进化。因为细胞的生长速度部分取决于它与环境交换营养物质和废物的速度，小细胞的S/V比越大，单位细胞体积内的营养物质和废物交换速度就越快。因此，自由生长的小细胞往往比大细胞生长得更快。在同样多的营养物质时，小细胞的数量要比大细胞数量多，这反过来又会影响细胞的进化。细胞分裂伴随着染色体的复制，复制过程又会伴随着突变的产生。因为复制次数越多，细胞群中的突变总数就越多，从而进化的可能性就越大。由于原核细胞非常小且是单倍体，它们比大细胞生长和进化的速度更快。基于原核细胞和真核细胞在大小和染色体上的差异，我们就能理解为什么细菌和古菌比真核细胞有更强的环境适应能力。
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