誰是微生物中的“巨人”？

近日，法國科學(xué)家從加勒比海紅樹林灘涂中分離出了一種叫做華麗硫珠菌（巨大嗜硫珠菌）的新型細(xì)菌，它的尺寸達(dá)到了驚人的2厘米，肉眼輕松可見。細(xì)菌長到跟蠕蟲一樣的大小，確實(shí)令人咋舌。

巨大嗜硫珠菌（白色亮線）與硬幣的對比

（圖片來源：參考文獻(xiàn)5）

那么，我們?yōu)槭裁磳⑷A麗硫珠菌界定為細(xì)菌？它為什么會長到如此巨大的尺寸？其他的微生物中有沒有這樣的巨無霸存在？想要回答這些問題，我們還得從生物的分類以及各種微生物間的聯(lián)系與區(qū)別說起。

一、最為主流的生物分類方法——三域說

生物的分類對人類而言是非常重要的科學(xué)問題，只有正確分類才能更加有效地認(rèn)識和了解不同生物，從而更好地對它們加以利用或保護(hù)。目前在生物學(xué)界，比較主流的認(rèn)知是將生物分為細(xì)菌域、古菌域和真核生物域三大類，這種分類方式基于核糖體RNA序列，而非單純依賴各物種間的解剖學(xué)特征，具有比較高的科學(xué)性。

三域說示意圖

（圖片來源：參考文獻(xiàn)2）

值得一提的是，病毒不屬于上述任何一個(gè)類別。這是因?yàn)椴《静痪邆涿撾x細(xì)胞獨(dú)立生存的能力，只有在感染細(xì)胞后才表現(xiàn)出類似生命的特征，因此在上述分類方式中，病毒往往作為一個(gè)非生物的補(bǔ)充而存在。

三域說中細(xì)菌域和古細(xì)菌域的生物間存在一定的相似性，二者均為單細(xì)胞生物，且細(xì)胞種類均屬于原核細(xì)胞。但因?yàn)樵诩?xì)胞膜脂質(zhì)和核糖體RNA等方面存在根本性的差異，細(xì)菌和古細(xì)菌被分成了兩個(gè)域，事實(shí)上它們的祖先從大約27億年前就開始了相互獨(dú)立的演化，可以說是完全不同的兩種生物。

需要注意的是，古細(xì)菌的名稱中雖然帶有“古”這個(gè)說法，但從進(jìn)化角度來說，古細(xì)菌并非是“古代的細(xì)菌”，也并非是現(xiàn)代細(xì)菌的祖先。實(shí)際上，古細(xì)菌在進(jìn)化上更加接近于真核生物，甚至被廣泛地認(rèn)為是真核生物的祖先。

真核細(xì)胞和原核細(xì)胞示意圖

（圖片來源：維基百科）

真核生物中雖然也有結(jié)構(gòu)非常簡單的單細(xì)胞生物，但本質(zhì)上來說它們的細(xì)胞都是真核細(xì)胞，和原核細(xì)胞相比，存在結(jié)構(gòu)上的根本區(qū)別。真核細(xì)胞內(nèi)含有細(xì)胞核，因此獲得了真核這一名稱。真核細(xì)胞中還含有其它細(xì)胞器，如線粒體、葉綠體、高爾基體等。相對于真核細(xì)胞，原核細(xì)胞一般沒有細(xì)胞內(nèi)膜、沒有核膜包裹的成型細(xì)胞核，細(xì)胞內(nèi)無染色體，DNA鏈未螺旋化，并以游離的形式存在于細(xì)胞質(zhì)中，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)也無任何有膜的細(xì)胞器（如線粒體或葉綠體）。

總而言之，真核細(xì)胞比原核細(xì)胞的結(jié)構(gòu)復(fù)雜許多，我們?nèi)粘Ｉ钪兴姷母鞣N動植物（當(dāng)然也包括人類自身）均由真核細(xì)胞構(gòu)成，屬于真核生物。

豐富多彩的真核生物

（圖片來源：維基百科）

二、微生物巨無霸評選，參賽資格很重要

說完了生物的分類，我們再來看看微生物應(yīng)當(dāng)如何分類。微生物是難以用肉眼直接看到的微小生物總稱,它們的分類其實(shí)并沒有公認(rèn)的說法，也沒有足夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)纳飳W(xué)依據(jù)。

目前，生物學(xué)界傾向于將微生物分為如下六種，它們分別是藻類、原生動物、菌類（真菌）、細(xì)菌、古細(xì)菌以及病毒。這六種微生物中的前面三種屬于真核生物域，細(xì)菌和古細(xì)菌各成一域，病毒則屬于非生物。不過，對于我們這些普通人而言，誰都領(lǐng)教過病毒厲害，在我們的日常認(rèn)知中，也早就把病毒作為微生物的代表了。

必須指出的是，在藻類、原生動物、菌類（真菌）三種真核生物中，雖然不少成員都是不借助顯微鏡就無法看清的微小生物，但也有很多“巨人”存在。例如真菌中的代表——蘑菇，就很容易長到驚人的體型。例如，我國科學(xué)家曾經(jīng)在2018年發(fā)現(xiàn)過一株號稱地球上最大真菌的蘑菇，它的長度達(dá)到了12米之巨。

然而，現(xiàn)有的文獻(xiàn)中曾報(bào)道過，1998年美國林業(yè)局的科學(xué)家們在俄勒岡州發(fā)現(xiàn)了一株奧氏蜜環(huán)菌（Armillaria ostoyae）。通過不同位置的DNA測定結(jié)果，這株真菌的個(gè)體占地890公頃，可能已在森林中生長了約2400年。

也許有人會說，蘑菇是多細(xì)胞真菌，長到很大并不稀奇。這話沒錯(cuò)，但很多單細(xì)胞藻類和單細(xì)胞原生動物也能長到完全不好意思說自己是微生物的程度。比如高中生物課本上提到過的傘藻，就是一種單細(xì)胞藻類，它的細(xì)胞核位于基部，周圍生有假根，向上伸出“帽”和“柄”等結(jié)構(gòu)。傘藻的尺寸其實(shí)就有2到5厘米之巨，已經(jīng)跟微生物不沾邊了。而更加夸張的一些單細(xì)胞藻類和單細(xì)胞原生動物，可以達(dá)到數(shù)十厘米甚至數(shù)米長。

幾種巨大的單細(xì)胞生物，左起分別是球法囊藻、衫葉蕨藻、傘藻

（圖片來源：維基百科）

當(dāng)然，一般這樣巨大的單細(xì)胞物種，其實(shí)細(xì)胞內(nèi)部并不止有一個(gè)細(xì)胞核，而是多個(gè)細(xì)胞核間形成一種所謂的“合胞體”形態(tài)。之所以說它們是單細(xì)胞物種，是因?yàn)榻M成它們身體的結(jié)構(gòu)內(nèi)部，確實(shí)沒有細(xì)胞壁或者細(xì)胞膜一類分離開不同細(xì)胞的結(jié)構(gòu)。

如此說來，真正的微生物巨無霸也就只能在細(xì)菌、古細(xì)菌和病毒中進(jìn)行選拔了。

三、顛覆認(rèn)知的微生物巨人們

先來看細(xì)菌，在本次的超級巨型細(xì)菌被發(fā)現(xiàn)之前，世界上最大的細(xì)菌（體積）一直由納米比亞嗜硫珠菌保持。1999年，這種細(xì)菌被發(fā)現(xiàn)于納米比亞大陸架的海洋沉淀物中。它的平均直徑為0.1到0.3 毫米，最大的個(gè)體甚至達(dá)到接近1毫米，大到可用肉眼觀察。而我們非常熟悉的大腸桿菌，長度不過是幾個(gè)微米，兩者體積相差上千倍。

本次發(fā)現(xiàn)的巨大嗜硫珠菌，直接將之前的記錄刷新了數(shù)千倍，它們的長度可以達(dá)到夸張的2厘米。不僅肉眼可見，更能用鑷子輕松夾起，形態(tài)上和人類睫毛差不多。假如用成人的身高來類比普通細(xì)菌的大小，巨大嗜硫珠菌的高度就是珠穆朗瑪峰，是普通細(xì)菌的5000倍以上。

巨大嗜硫珠菌（A/B）與大腸桿菌的尺寸對比 （圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

與普通細(xì)菌相比，巨大嗜硫珠菌的DNA尺寸更大，遺傳信息數(shù)量大約是大腸桿菌3倍。身為原核生物的它并沒有真核生物一樣的細(xì)胞核結(jié)構(gòu)，但在其細(xì)胞內(nèi)部，具有多個(gè)承載著DNA的小型類細(xì)胞器。在這些DNA“核心”周圍，蛋白質(zhì)大量合成，從而成長為巨大的尺寸。它的發(fā)現(xiàn)者們最初壓根兒沒想過這是一種細(xì)菌，但經(jīng)過DNA檢測，證實(shí)了這種龐然大物確實(shí)是獨(dú)立個(gè)體。

古細(xì)菌大部分是生活在極端環(huán)境中的嗜極生物，一般人對它們的了解并不多。目前最大的古細(xì)菌，尺寸大約是十幾個(gè)微米，最大的桿狀古細(xì)菌長度可以達(dá)到近100微米（0.1毫米）。不過可能是受到生存環(huán)境的制約，人類到目前為止還沒有發(fā)現(xiàn)堪稱“巨大”的古細(xì)菌種類。

古細(xì)菌是深海熱泉的?？?（圖片來源：維基百科）

病毒結(jié)構(gòu)簡單，缺乏細(xì)胞外獨(dú)立生存能力，也因此被排除在三域說之外。結(jié)構(gòu)簡單當(dāng)然意味著尺寸微小，正是因?yàn)檫@個(gè)原因，病毒的發(fā)現(xiàn)比細(xì)菌晚了數(shù)百年。在電子望遠(yuǎn)鏡發(fā)明后，人類才真正觀察到了病毒。以新冠病毒為例，它的尺寸僅有120個(gè)納米，體積上來說是大腸桿菌的幾百分之一。不過近年來，不少巨型病毒被相繼發(fā)現(xiàn)，也大大顛覆了人類之前對于病毒的認(rèn)知。

2003年，法國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了米米病毒（Mimivirus），其尺寸大約達(dá)到400個(gè)納米，它的發(fā)現(xiàn)也標(biāo)志著巨大病毒開始進(jìn)入到人類的視野。目前，人類發(fā)現(xiàn)的最大病毒是在2014年報(bào)道的闊口罐病毒。這種病毒屬于雙鏈DNA病毒，發(fā)現(xiàn)于西伯利亞凍土冰芯樣品中，最大長度接近2微米，直徑也達(dá)到0.5微米。外型上來看非常像古羅馬時(shí)期使用的闊口陶罐，因此得名。解凍后的闊口罐病毒具有感染變形蟲并致其死亡的能力，因此除了尺寸具有話題性，人們也對全球變暖導(dǎo)致永凍土解凍后釋放未知病原體的可能產(chǎn)生了前所未有的擔(dān)憂。

闊口罐病毒和新冠病毒（右）的尺寸對比

（圖片來源：維基百科）

從某種角度來說，微生物們是地球真正的主人，它們出現(xiàn)在地球的每一個(gè)角落。從熾烈的深海熱液噴口，到冰封千萬年的永久凍土，微生物們頑強(qiáng)地生息繁衍，最終在地球能量和物質(zhì)循環(huán)中扮演了關(guān)鍵角色。地球塑造著微生物，微生物又反過來塑造地球。它們在進(jìn)化上堪稱神奇的多樣性，讓人類不斷突破對“生物”這一概念的認(rèn)知?；蛟S，將來還會有更加巨大的微生物來刷新微生物巨無霸榜單。

參考文獻(xiàn)

A centimeter-long bacterium with DNA contained in metabolically active, membrane-bound organelles

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abb3634

第30回 27億年前の「ご先祖様」が體內(nèi)にバクテリアを取り込むまで

https://gendai.ismedia.jp/articles/-/73944

沒有顯微鏡還想觀察細(xì)胞？這些“巨無霸”單細(xì)胞生物能滿足你

https://tech.sina.com.cn/roll/2020-01-06/doc-iihnzhha0600724.shtml

世界最大のウイルス「ピソウイルス」の詳細(xì)な構(gòu)造を低溫電子顕微鏡で解析

https://www.nips.ac.jp/release/2017/11/post_352.html

Largest known bacteria in the world are visible to the naked eye

https://www.newscientist.com/article/2325909-largest-known-bacteria-in-the-world-are-visible-to-the-naked-eye/

出品：科普中國

制作：郭菲（煙臺大學(xué)）

監(jiān)制：中國科普博覽