Giới hạn trên và giới hạn dưới của kích thước vi khuẩn
Vi sinh vật là những sinh vật nhỏ bé không nhìn thấy được hoặc không nhìn thấy được bằng mắt thường. Vậy vi sinh vật có thể lớn nhỏ như thế nào? Khi đọc bài viết này, bạn có thể tham khảo một bài blog trước: Vi khuẩn lớn nhất được tìm thấy cho đến nay là gì?
Tế bào nhân sơ lớn
Vi khuẩn và vi khuẩn cổ có kích thước tế bào khác nhau, đường kính từ 0,2 μm đến hơn 700 μm. Hầu hết các vi khuẩn hình que được nuôi cấy có chiều rộng 0,5-4 μm và chiều dài dưới 15 μm. Tất nhiên, cũng có một số vi khuẩn rất lớn, chẳng hạn như Epulopiscium fishelsoni (Sticulus fischeri) với chiều dài tế bào hơn 600 μm. C. fischeri có liên quan về mặt sinh học với Clostridium. Nó tồn tại trong ruột của các bác sĩ phẫu thuật và chứa nhiều bản sao của bộ gen. Lý do là một bản sao duy nhất của bộ gen không còn có thể đáp ứng nhu cầu phiên mã và dịch mã của một vi khuẩn lớn như vậy.
Loại vi khuẩn lớn nhất được biết đến là Thiomargarita (vi khuẩn sulfurophilic ở Namibia), có đường kính khoảng 750 μm, có thể nhìn thấy trực tiếp bằng mắt thường. Cho đến nay, người ta vẫn chưa hiểu tại sao những tế bào này lại có kích thước khổng lồ như vậy. Archaea chưa tìm thấy một chủng nào có thể so sánh với hai chủng trên, nhưng có thể nó chưa được phát hiện.
Nhìn chung, chúng ta tin rằng kích thước của tế bào nhân sơ bị giới hạn bởi khả năng vận chuyển chất dinh dưỡng của tế bào. Tốc độ trao đổi chất của tế bào tỷ lệ nghịch với bình phương kích thước tế bào. Đối với các tế bào rất lớn, sự hấp thụ chất dinh dưỡng cuối cùng sẽ hạn chế quá trình trao đổi chất và làm cho nó cạnh tranh với các tế bào nhỏ hơn. Ở thế bất lợi.
So với Thiomargarita hoặc Epulopiscium, kích thước trung bình của vi khuẩn hình que điển hình (như E. coli) là khoảng 1-2 μm; ngược lại, tế bào nhân thực có thể nhỏ tới 2 μm và nhiều tế bào có kích thước lớn hơn 600 μm. Nhưng nói chung, các tế bào nhân thực nhỏ không phổ biến.
Tế bào nhân sơ kích thước nhỏ
Vì tế bào càng nhỏ thì lợi thế trong tự nhiên càng lớn, và chọn lọc tự nhiên là cạnh tranh, nên về lý thuyết, bản chất nên là tất cả các vi khuẩn cực kỳ nhỏ. Tuy nhiên, không phải vậy.
Nếu chúng ta tính toán các thành phần cơ bản (như protein, axit nucleic, ribosome, v.v.) mà một tế bào phát triển tự do cần chứa, thì giới hạn dưới của đường kính tế bào là khoảng 0,15-0,2 μm. Hiện tại, chúng tôi cũng đã thu được thành công một số tế bào nhân sơ nhỏ. Ví dụ, có khoảng 105-106 tế bào nhân sơ trên mỗi ml nước biển. Những tế bào này thường rất nhỏ, có đường kính 0,2-0,4 μm; chúng được tìm thấy trong các lớp sâu của trái đất có đường kính khoảng 0,2 μm vi khuẩn và hệ thực vật cổ, những tế bào này được gọi chung là"vi khuẩn siêu vi khuẩn".
Điều thú vị là khi chúng tôi khám phá bộ gen của vi khuẩn siêu vi khuẩn, chúng tôi thấy rằng bộ gen của chúng thiếu nhiều gen. Các sản phẩm hoặc chức năng của các gen này phải được cung cấp bởi các tế bào vi sinh vật khác hoặc các sinh vật chủ. Do đó, sự tiến hóa thành công của chúng phụ thuộc vào các yêu cầu tối thiểu của hóa sinh và các đối tác kết nối chặt chẽ khác.
Diện tích bề mặt cụ thể, tăng trưởng và tiến hóa
Đối với tế bào, kích thước nhỏ có nhiều lợi ích. Tế bào nhỏ có diện tích bề mặt riêng lớn. Các giá trị cụ thể có thể giả định rằng cầu khuẩn và trực khuẩn là hình cầu và hình trụ tiêu chuẩn, sau đó tính diện tích / thể tích của chúng (S / V). Tỷ lệ S / V của tế bào kiểm soát nhiều đặc điểm của tế bào, bao gồm tốc độ tăng trưởng và tiến hóa. Vì tốc độ phát triển của tế bào một phần phụ thuộc vào tốc độ trao đổi chất dinh dưỡng và chất thải với môi trường, tỷ lệ S / V của tế bào nhỏ càng lớn thì tốc độ trao đổi chất dinh dưỡng và chất thải trên một đơn vị thể tích tế bào càng nhanh. Do đó, các tế bào nhỏ phát triển tự do có xu hướng phát triển nhanh hơn các tế bào lớn. Với cùng một lượng chất dinh dưỡng nhưng có nhiều tế bào nhỏ hơn tế bào lớn, do đó sẽ ảnh hưởng đến quá trình tiến hóa của tế bào.
Sự phân chia tế bào đi kèm với sự nhân đôi của các nhiễm sắc thể, và quá trình nhân đôi kèm theo các đột biến. Vì số lần nhân đôi càng nhiều thì tổng số đột biến trong quần thể tế bào càng nhiều và khả năng tiến hóa càng lớn. Bởi vì tế bào nhân sơ rất nhỏ và đơn bội, chúng phát triển và tiến hóa nhanh hơn tế bào lớn. Dựa trên sự khác biệt về kích thước và nhiễm sắc thể giữa tế bào nhân sơ và tế bào nhân thực, chúng ta có thể hiểu tại sao vi khuẩn và vi khuẩn cổ lại thích nghi với môi trường hơn tế bào nhân thực.
