誰是微生物中的“巨人”？

近日，法國科學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）的新型細菌，它的尺寸達到了驚人的2厘米，肉眼輕松可見。細菌長到跟蠕蟲一樣的大小，確實令人咋舌。

巨大嗜硫珠菌（白色亮線）與硬幣的對比

（圖片來源：參考文獻5）

那么，我們?yōu)槭裁磳⑷A麗硫珠菌界定為細菌？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問題，只有正確分類才能更加有效地認識和了解不同生物，從而更好地對它們加以利用或保護。目前在生物學界，比較主流的認知是將生物分為細菌域、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特征，具有比較高的科學性。

三域說示意圖

（圖片來源：參考文獻2）

值得一提的是，病毒不屬于上述任何一個類別。這是因為病毒不具備脫離細胞獨立生存的能力，只有在感染細胞后才表現(xiàn)出類似生命的特征，因此在上述分類方式中，病毒往往作為一個非生物的補充而存在。

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

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

真核細胞和原核細胞示意圖

（圖片來源：維基百科）

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

總而言之，真核細胞比原核細胞的結構復雜許多，我們日常生活中所見的各種動植物（當然也包括人類自身）均由真核細胞構成，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當如何分類。微生物是難以用肉眼直接看到的微小生物總稱,它們的分類其實并沒有公認的說法，也沒有足夠嚴謹?shù)纳飳W依據(jù)。

目前，生物學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）、細菌、古細菌以及病毒。這六種微生物中的前面三種屬于真核生物域，細菌和古細菌各成一域，病毒則屬于非生物。不過，對于我們這些普通人而言，誰都領教過病毒厲害，在我們的日常認知中，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，它的長度達到了12米之巨。

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

也許有人會說，蘑菇是多細胞真菌，長到很大并不稀奇。這話沒錯，但很多單細胞藻類和單細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，就是一種單細胞藻類，它的細胞核位于基部，周圍生有假根，向上伸出“帽”和“柄”等結構。傘藻的尺寸其實就有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胞藻類和單細胞原生動物，可以達到數(shù)十厘米甚至數(shù)米長。

幾種巨大的單細胞生物，左起分別是球法囊藻、衫葉蕨藻、傘藻

（圖片來源：維基百科）

當然，一般這樣巨大的單細胞物種，其實細胞內部并不止有一個細胞核，而是多個細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胞物種，是因為組成它們身體的結構內部，確實沒有細胞壁或者細胞膜一類分離開不同細胞的結構。

如此說來，真正的微生物巨無霸也就只能在細菌、古細菌和病毒中進行選拔了。

三、顛覆認知的微生物巨人們

先來看細菌，在本次的超級巨型細菌被發(fā)現(xiàn)之前，世界上最大的細菌（體積）一直由納米比亞嗜硫珠菌保持。1999年，這種細菌被發(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，最大的個體甚至達到接近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菌的大小，巨大嗜硫珠菌的高度就是珠穆朗瑪峰，是普通細菌的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1）

與普通細菌相比，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胞核結構，但在其細胞內部，具有多個承載著DNA的小型類細胞器。在這些DNA“核心”周圍，蛋白質大量合成，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菌，但經(jīng)過DNA檢測，證實了這種龐然大物確實是獨立個體。

古細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。目前最大的古細菌，尺寸大約是十幾個微米，最大的桿狀古細菌長度可以達到近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”的古細菌種類。

古細菌是深海熱泉的?？?（圖片來源：維基百科）

病毒結構簡單，缺乏細胞外獨立生存能力，也因此被排除在三域說之外。結構簡單當然意味著尺寸微小，正是因為這個原因，病毒的發(fā)現(xiàn)比細菌晚了數(shù)百年。在電子望遠鏡發(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知。

2003年，法國科學家發(fā)現(xiàn)了米米病毒（Mimivirus），其尺寸大約達到400個納米，它的發(fā)現(xiàn)也標志著巨大病毒開始進入到人類的視野。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，直徑也達到0.5微米。外型上來看非常像古羅馬時期使用的闊口陶罐，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，微生物們頑強地生息繁衍，最終在地球能量和物質循環(huán)中扮演了關鍵角色。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

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胞？這些“巨無霸”單細胞生物能滿足你

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」の詳細な構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）

監(jiān)制：中國科普博覽