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科學家發現有史以來最大的細菌

科學家發現有史以來最大的細菌

加勒比地區紅樹林的科學家們發現了一種可以長到人類睫毛大小和形狀的細菌。

這些細胞是有史以來觀察到的最大的細菌,比大腸桿菌等熟悉的細菌大數千倍。 加利福尼亞州伯克利聯合基因組研究所的微生物學家 Jean-Marie Foland 說。

Voland 博士及其同事於週四在《科學》雜誌上發表了他們對 Thiomargarita magnifica 細菌的研究。

科學家們曾經認為細菌過於簡單而無法產生大細胞。 但Thiomargarita magnifica 原來是非常複雜的。 由於大多數細菌世界還有待探索,完全有可能更大、更複雜的細菌正在等待被發現。

自荷蘭鏡片研磨師安東尼·範·列文虎克通過刮牙發現這種細菌以來,已經過去了大約 350 年。 當他將牙菌斑放在原始顯微鏡下時,他驚訝地看到單細胞生物在它周圍游動。 在接下來的三個世紀裡,科學家們發現了許多類型的細菌,所有這些細菌都是肉眼看不見的,例如大腸桿菌的細胞大約有一微米或不到千分之一英寸。

每個細菌細胞都是它自己的有機體,這意味著它可以生長並分裂成一對新細菌。 但細菌細胞經常在一起生活。範列文虎克的牙齒上覆蓋著一層含有數十億細菌的凝膠狀膜。 在湖泊和河流中,一些細菌將細胞粘在一起形成細絲。

我們人類是多細胞生物,我們的身體由大約 30 萬億個細胞組成。 雖然我們的細胞也是肉眼看不見的,但它們通常比細菌中的細胞大得多。 人類卵細胞的直徑約為 120 微米,或千分之五英寸。

其他物種的細胞可以長得更大:綠藻 Caulerpa taxfolia 產生的葉片狀細胞可以長到一英尺長。

隨著小細胞和大細胞之間的鴻溝出現,科學家們通過進化來理解它。 所有的動物、植物和真菌都屬於同一個進化譜系,被稱為真核生物。 真核生物有許多共同的適應性,可以幫助它們構建大細胞。 如果沒有這些適應,細菌細胞將不得不保持很小。

首先,一個大蜂巢需要物理支撐,這樣它才不會倒塌或破裂。 真核細胞含有剛性分子線,就像帳篷裡的兩極一樣,然而,細菌沒有這種細胞骨架。

大細胞還面臨著化學挑戰:隨著它變大,分子需要更長的時間才能四處走動並遇到合適的伙伴以進行微妙的化學反應。

真核生物已經開發出解決這個問題的方法,方法是用可以發生各種形式生物化學的微小碎片填充細胞。 它將其 DNA 包裹在一個稱為細胞核的囊中,並且與可以讀取基因以製造蛋白質或蛋白質在細胞繁殖時產生新的 DNA 副本的分子一起,每個細胞在稱為線粒體的袋內產生燃料。

細菌沒有在真核細胞中發現的部分。 在沒有細胞核的情況下,每個細菌通常都會攜帶一個 DNA 環,在其內部自由漂浮。 它也不含線粒體。 相反,它們產生的燃料中嵌入了顆粒。 這種排列適用於微觀電池,但隨著電池尺寸的增加,電池表面沒有足夠的空間用於產生燃料的分子。

細菌的簡單性似乎解釋了它們為何如此之小:它們沒有變大的基本複雜性。

然而,據加利福尼亞州門洛帕克復雜系統研究實驗室的創始人、與 Voland 博士合著的 Shalish Dett 說,這個結論是倉促得出的。 在只研究了細菌世界的一小部分之後,科學家們對細菌進行了全面的概括。

“我們只是觸及了表面,”他說,“但我們非常教條。”

這一學說在 1990 年代開始破裂。 微生物學家發現,一些細菌已經獨立發展出自己的隔室。 他們還發現了肉眼可見的物種。 例如,Epulopiscium fishelsoni 於 1993 年出現。生活在刺尾魚體內的細菌長到 600 微米長——比一粒鹽還大。

Thiomargarita magnifica 是由安的列斯大學生物學家 Olivier Gros 於 2009 年在對屬於法國一部分的加勒比海島嶼瓜德羅普島的紅樹林進行調查時發現的。 這種微生物看起來就像一小塊白色意大利麵條,在漂浮在水中的枯葉上形成一層外衣。

起初,格羅斯博士不知道他發現了什麼,並認為意大利麵條可能是真菌、小海綿或其他真核生物,但當他和他的同事從實驗室的樣本中提取 DNA 時,他們發現這是細菌。

Gross 博士與 Voland 博士和其他科學家一起更仔細地觀察外星生物,並想知道這些細菌是否是粘在一起的微小細胞。

事實證明,情況並非如此。 當研究人員使用電子顯微鏡觀察細菌意大利面內部時,他們意識到每個都是自己的鉅細胞。 平均細胞長度約為 9,000 微米,最大的為 20,000 微米 – 長度足以跨越一美分的直徑。

由於 Valant 博士和他的同事們還沒有弄清楚如何在他們的實驗室中培養這種細菌,因此對 Thiomargarita magnifica 的研究進展緩慢。 目前,Gross 博士在團隊每次想要進行新實驗時都必須收集新的細菌供應,他不僅可以在葉子上找到它們,還可以在紅樹林富含硫的沉積物上的牡蠣殼和塑料瓶上找到它們,但細菌似乎遵循意外的生命週期。

“在過去的兩個月裡,我沒有找到它們,”格羅斯博士說,“我不知道它們在哪裡。”

在Thiomargarita magnifica的細胞內,研究人員發現了一種奇怪而復雜的結構。 它們的膜內建有不同類型的隔間。 這些隔間與我們細胞中的隔間不同,但可以讓 Thiomargarita magnifica 長到巨大的大小。

一些房間似乎是燃料工廠,微生物可以利用它在紅樹林中消耗的硝酸鹽和其他化學物質中的能量。

Thiomargarita magnifica 還包含其他看起來非常像人類細胞核的隔間。 每個隔間,科學家們在獼猴桃等水果中的微小種子之後將其稱為 pepin,其中包含一個 DNA 環。 一個典型的細菌細胞只包含一個 DNA 環,而 Thiomargarita magnifica 包含數十萬個,每個都藏在自己的吸管內。

最重要的是,每個 Pepin 都包含從自己的 DNA 構建蛋白質的工廠。 “它們基本上在細胞內有小細胞,”聖路易斯華盛頓大學的微生物學家佩特拉萊文說,他沒有參與這項研究。

Thiomargarita magnifica 的大量 DNA 供應可能使其能夠製造變大所需的額外蛋白質,並且每個 peppin 都可以製造其自己的細菌區域所需的一組蛋白質。

Voland 博士及其同事希望,在他們開始培養細菌後,他們將能夠證實這些假設,並解決其他謎團,例如沒有分子骨架的細菌如何變得如此堅韌。

“你可以用鉗子取出一縷水,然後將其放入另一個容器中。它們是如何保持在一起的,它們是如何形成形狀的——這些都是我們尚未回答的問題,”福蘭德博士說。

迪特博士說,可能還有更多巨型細菌有待發現,甚至可能比巨大的Thiomargarita magnifica還要多。

他說:“它有多大,我們真的不知道。但現在,這些細菌已經為我們指明了方向。”

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