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    为什么普通细菌都无法长得太大,而新发现的这种细菌可以长到2cm?

    2022-06-26  怪罗科普   |  转藏
       

    近日,科学界公布了一个让人惊讶的发现,来自加利福尼亚州门洛帕克复杂系统研究实验室的海洋生物学家们公布了一种长达2cm的细菌,并命将其名为T. magnifica。

    T. magnifica呈现丝状,肉眼可见,但它只有一个细胞组成,发现它的研究人员最初都不敢相信这是事实,因为许多微生物(如黏菌和蓝藻)会形成肉眼可见的细丝,而那些细丝都是由许多细胞堆叠组成的。

    图:T. magnifica

    然而,研究人员用了5年时间,使用各种显微镜和染色方法,最终证实T. magnifica确实是只有一个细胞的细菌。

    T. magnifica的这种尺寸在细菌界绝对是巨无霸,它是普通细菌的5000倍,用生物学家的话来说,普通细菌在它面前就像一个人站在珠穆朗玛峰面前一样;用网友的话来说就是这哪里是“细菌”,它分明就是“粗菌”。

    事实上,大部分细菌都很小,大部分微生物研究人员甚至认为细菌不应该长得很大,T. magnifica比先前人们预测的最大细菌至少要大出10倍。

    那么问题就来了,为什么T. magnifica能长这么大,而其它大部分细菌都只能是很小呢?

    图:原核细胞和真核细胞的区别

    简单的原核细胞

    长期以来,生物被归为两大类,一类被称为真核生物,从真菌到大多数形式的多细胞生物都属于这一类,当然也包括我们人类在内。

    另一类则是相对简单的原核生物,包括所有的细菌,以及古细菌等单细胞生物都被归入这一大类。

    这里有一个例外,那就是病毒,病毒不属于这两类的任何一类,所以病毒到底算不算生物现在存在许多争议。

    二十面体腺病毒,图源:GrahamColm

    真核生物和原核生物最大的不同就是它们的细胞是否拥有细胞核,以及其它的细胞器,细胞核和细胞器会把细胞的一些重要组成部分牢牢地锁在里面,比如DNA。

    很明显,相对简单的原核细胞是不存在细胞核这些复杂结构的,同时由于它非常简单,所以它们的基因组也非常有限,有时候甚至只有一个DNA环 。平均而言,细菌基因组也大约只有400万个碱基和大约3900个基因。

    这种简单的细胞结构和少量的基因组,让原核细胞无法进行复杂的细胞分化所以原核细胞根本无法形成多细胞生物

    这就是为什么包括细菌在内的所有原核生物都是单细胞生物。

    图:粘在一起生存的多头绒泡菌

    其实,有一些细菌会采用一种被称为生物膜的生存模式,它们会分泌一些多糖作为粘合剂,彼此粘合在一起,就像拥有智慧一样产生“群体感应”现象,以此来增强生存能力。

    但它们并没有像真正的多细胞生物(真核生物)那样拥有复杂的细胞分化——各种细胞能够执行不同的功能,所以这种模式也不能称为多细胞生物。

    那不勒斯盐硫杆菌细,图源:Tsai Y

    让简单变得更简单

    我们通常认为细胞应该很小,但其实有些细胞可以很大,比如一些鸟类的受精卵也是肉眼可见的细胞,只是作为原核生物的单细胞,细菌确实很难变得更大。

    这是因为这些简单的原核细胞没有那些复杂的细胞器,连DNA都是在细胞内自由浮动的,这导致它们生命过程的空间会受到限制。

    如果原核细胞很大的话,就会导致细胞生命活动时产生的废物需要更长的时间排出细胞外,这些废弃物中很多都是对生命有毒的。

    由于原核细胞重要的东西都裸露在外,如果不能快速将废物排出细胞外的话,它们可能自己就中毒死了。

    根据这种简单的过程就可以推断出,细菌的细胞理应该不会太大才是。

    但实际上,细菌都很小还有一些另外的进化因素,那就是它们在营养摄入的时候,如果细胞太大的话,其实对它们也是非常不利的,因为那样营养需要在细胞中流动更长的时间。

    换句话说,如果细菌的细胞很大,它的进食效率就会很低,这样会损耗掉很多能量,对于生物来说肯定是不利的。

    所以,细菌的尺寸越小,它们就越节能和稳定,它们也就能够以较少的能量投入将其营养物质运入和代谢废物运出细胞。

    当然,节约的能量可以让它们繁殖更多。自然选择很容易找到最优的生存方案,因此就进化上来说,细菌也不应该太大才是。

    那么,为什么这次新发现的细菌——T. magnifica能长这么大呢?

    2cm的细菌维持细胞稳定?

    其实,现在没人知道T. magnifica为什么可以长这么大,但是有一些原因让它在这么大的情况下也不至于被自己毒死或饿死。

    1999年的时候,研究人员在纳米比亚海岸附近发现了火龙果种子大小的巨型噬硫细菌,当时研究人员发现,这种巨型细菌的细胞内容被一个巨大的、充满水和硝酸盐的囊挤压到细胞壁处,它们执行生命活动的部分都沿着细胞边缘存在的,这是它们很大且能生存下去的原因。

    T. magnifica和这种巨型噬硫细菌的情况是差不多的,它们也拥有巨大的、包含水的囊——大约占了它们总体积的73%。

    事实上,因为这两种细菌都拥有这种相似的遗传特性,它们被归为同一个属——硫珠菌属,而T. magnifica也像它们的近亲——巨型噬硫细菌一样,它们的细胞内容物也被这个囊挤到了细胞边缘。

    不过,相对于硫珠菌属的其它细菌,T. magnifica还拥有一个囊——一个类似细胞核功能的结构,把所有的DNA都包裹在其中。

    其实,T. magnific有点像介于原核细胞和真核细胞之间的细胞结构,所以这项研究的研究人员直言:是时候重新思考我们对真核生物和原核生物的定义了。

    拥有了保护DNA的结构会后,T. magnific自然也就拥有了更多的基因组,经过测序后,研究人员发现T. magnific拥有 1100 万个碱基,其中包含大约 11000 个清晰可辨的基因,将近普通细菌的3倍。

    基因变多了之后,它自然有资格变得更加复杂,这也是它们可以变得更大的原因之一。

    最后

    其实,单细胞生物的细胞变得更大之后,也是有很明显的生存优势,因为这增加了它们的表面积,可以更好、更多地吸收营养物质,同时由于体型变大了也更不容易被别的微生物吃掉。

    当然,现在T. magnific长这么大的进化目的还有待进一步研究,但无论如何,这是“细菌界”的奇迹(qipa)。

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