wangfuan
是因为细胞多。
图示:地球上生存过的最大动物蓝鲸。
生物学家研究了许多种生命形式的细胞,无论是植物还是动物,除了在胚胎发育的特殊时期(如整个未受精的鸵鸟蛋就是一个细胞这样的特殊情况),以及一些特化的细胞,如神经元(坐骨神经可以长一米)等,其余细胞的大小都高度相似。
这是因为单个细胞的大小受到自然因素的限制,不是想长多大就能长多大。大多数细胞要么是方的要么是圆的,它们的大小受到一个数学比值的影响:表面积/体积
图示:发育中的胚胎球
让我们用一个圆球为例,看看随着直径的增加,圆球的表面积与体积之比会发生什么变化。
圆球的表面积计算公式为:
S = 4πr^2 (4*圆周率*半径的平方)
圆球的体积计算公式为:
V = (4πr^3)/3(4/3 * 圆周率*半径的立方)
因此,圆球的表面积与体积之比为:
S/V = 3/r
图示:随着半径的增大,球体的表面积与体积之比会迅速下降
图示:复杂的细胞膜,各种物质通过细胞膜上的特殊通道进入细胞内部,或者通过细胞膜渗透进入。
细胞的生存时时刻刻都依赖着外来的营养物质,对于需要氧气的细胞来说,还额外需要氧气的渗透和扩散,此外细胞产生的废物也需要及时运出细胞。正是因为这些原因,限制了细胞的大小。细胞的表面积越大,物质进出细胞的速度就越快,细胞的体积越大需要的物质就越多。虽然随着细胞的增大,细胞的表面积就越大,但表面积的增长远远跟不上细胞体积的增长,最终细胞的大小会被限制在一个狭小的范围内。只有那些长得很奇怪的细胞才能例外,比如超长的神经元。
细菌通常很小是因为它们主要依靠简单扩散吸收营养物质并排出废物,它们的大小为为0.2到10微米。细菌的细胞需要很大的表面积/体积比值,才能从环境中吸收到足够的营养。动植物的细胞的大小通常在2~100微米之间,是因为动植物细胞上有特定的蛋白质帮助物质进出,但即便如此,圆球状的细胞长到大约100微米也就到了极限。
那么组成一支成年蓝鲸,到底需要多少细胞呢?
鉴于动物细胞的大小相似,那么不妨用人类的数据套用到蓝鲸上,因为估算人类的细胞是研究得最多的,得到的数据也相对更加准确。一个体重100公斤的成年人,大概拥有3.7±0.8×10^13个细胞。而最大的蓝鲸的体重大约为200吨,1吨等于1000公斤,一头这样的蓝鲸相当于2000个体重100公斤的成年人,其拥有的细胞数量大约为6.4±1.6×10^16个细胞,当然,这样的估算并不靠谱,只不过可以给我们一些印象。
巨兽拥有更高细胞,这需要更多次细胞分裂,而细胞分裂的次数越多,就越容易癌变,所以它们为什么没有很早就得癌症死去?
图示:大象拥有的细胞数量比人类多几十倍,平均寿命也和人类相似,这意味着大象有特殊的抗癌秘诀
第一个想到这个问题的科学家是佩托(pteo),因此这个问题又被称为pteo悖论。2015年,佩托终于找到合伙人研究了自己提出的这个悖论,部分答案已经揭晓,原来大象的基因组中拥有40个可
抑制细胞癌变的基因TP53,而我们人类只有两个,一个来自妈一个来自爹。不幸的是只要有一个TP53基因发生突变,都会严重影响细胞是否癌变。所以,蓝鲸这样的庞然大物,不仅拥有更多的细胞,还有更多的抗癌基因被它们的身体健康保驾护航呢。
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裸猿的故事
从细胞层面上看,高等动物的细胞大小并没有什么区别。如果可以用显微镜观察对比,你会发现体长33米,重180多吨的蓝鲸与体长10厘米,重50克的姆指猴有着同样大小的细胞。就是说,鲸长那么大不是因为细胞大,而是因为细胞多。
图:巨大的蓝鲸
为什么身型不同的动物长着同样大小的细胞
细胞是进行生命活动的地方,它需要与外界进行物质的交换。细胞的体积越小,它的相对表面积(表面积与体积之比)就越大,如此一来,越是体积小的细胞,物质交换能力越强,效率也越高。太大的细胞反而会更低效,所以细胞不可能长得很大。
图:动物细胞基本结构
那细胞越小越高效喽?也不是,原因还是物质交换。细胞生存需要氧、二氧化碳、碳水化合物等分子进出细胞,总得比这些分子大吧?细胞的内部还要有处理各种化合物的酶。原子和分子的大小是无法改变的,所以每一个转化酶分子团都要占用直径50纳米的球形空间。一个细胞内有多少种酶和蛋白质呢?最简单的支原体也有500到1000种。所以,细胞要是太小了根本装不下这么多东西。
图:细胞中的一种酶
那一个细胞长多大合适?就现在的大小——直径10微米,最合适。因为这是大自然几十亿年优化筛选得到的最佳方案。
最大的细胞
一些特殊的细胞可以长得很大。人类最大的细胞是女性的卵细胞,直径0.1毫米,眼神儿好的不用显微镜就能看到它。
人类最长的神经细胞有一米多长,肌肉纤维细胞长度也是厘米级的,当然啦,它们都非常细,体积远不如卵细胞。其它动物中,鸵鸟的卵细胞直径有5厘米,一些鱼类的更大。瞧,这些细胞长这么大是因为它们在动物身体中有特殊使命,普通组织细胞完全没有这个必要。植物中,有些单细胞藻类能长到直径五厘米以上,比如一种外号“水手的眼球”的藻类。
图:“水手的眼球”,学名:球法囊藻
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体细胞不可能太大,因为受到机械力学限制。所以鲸鱼只是细胞多,而不是细胞大。
粗略估算一下鲸鱼有多少细胞
平均每个人约有37.2万亿。我们可以尝试通过体重来评估,成年人平均体重62公斤来估算,大约有37,200,000,000,000细胞,大约没公斤600,000,000,000个细胞。蓝鲸的平均重量约为200吨,简单估算一下,大约120,000,000,000,000,000个细胞。当然,这是在忽略人类和蓝鲸细胞大小差异的情况下,实际上人类细胞跟鲸的细胞结构还是有差异的。
上图:人类和一些模式生物的体细胞总数估计。
human 人类
D.melanogaster
黑腹果蝇C.elegans
秀丽隐杆线虫
上图:大象细胞总数的估计资料,大约有 3.72*10^15个细胞。刚才我们计算的蓝鲸有120*10^15个细胞,应该是合理的。
为什么细胞不能无限长大
各种生物的细胞通常大小相似。这是因为细胞的大小受到其表面积与体积之比的限制,这不仅因为磷脂胆固醇和蛋白质构成的细胞膜的机械应力有一个上限,而且还由于细胞膜的生物化学机制所决定。细胞需要通过细胞膜来与外界进行生物化学的原料和废物的交换。这些生化反应的原料通过细胞膜进入细胞,废物也通过细胞膜排出。细胞膜的表面积越大,一次可以进入细胞的原料越多,排出的废物也就越多。但是,随着细胞尺寸的增加,表面积与体积之比会减小。由于细胞的
每个单位体积需要足够的原料物质来维护,产生的废物也需要尽快排出,因此细胞的物质交换效率会因为细胞膜表面积与细胞尺寸体积比逐渐变小而急剧降低,细胞膜表面积与细胞体积之比成为了细胞尺寸的限制因素。所以细胞没法无限长大。这就像越深的湖湖底的水就越容易缺氧。
上图:表面积与体积比
上图:细胞物质交换受到表面积与体积比的限制。
一些典型细胞的尺寸清单
0.15-0.25µm(微米)——小细菌,如支原体
1-10µm是原核生物的一般大小
1m——人神经细胞过程直径
2µm——大肠杆菌-细菌
3µm——线粒体尺寸
5µm——叶绿体直径为
6µm(3-10µm)——细胞核
9µm——人红细胞
10-30µm——大多数真核动物细胞
10-100µm——大多数真核植物细胞
90µm——小变形虫
100µm——人类卵子
巨核细胞最高可达160µm
巨型玛格丽塔硫细菌最高可达500µm,
大型变形虫最高可达800µm
鱿鱼巨神经细胞直径1000µm(1mm)
巨型变形虫Gromia Sphaerica直径最高可达40000µm(40mm)
鸵鸟蛋直径120000 µm(12厘米)
3000000µm(3m)——长颈鹿脖子神经细胞的长度
上图:生物细胞的一般上下限。下限,最小的细菌0.1-1.0微米,上限,真核细胞10-100微米,(动物的羊膜卵和一些特殊物种除外)。
总结
鲸类的细胞不会因为身体的长大而等比例长大,这是细胞生理所决定的。
小宇堂
鲸鱼体格庞大是形成它身体的细胞多,而不是细胞大。因为当细胞长到一定程度时,通过它的表面和周围环境交换物质的能力有限,也就是细胞生长过程中表面积和体积之比越大物质交换能力越大,反之亦然。所以形成生物体的细胞长到一定程度就再不会生长,生物体体格庞大只能依靠细胞数目的增加而实现。
欧阳红树
当然是细胞大了,你还不知道吗??蚊子细胞只有大象细胞的万分之一大小,更是比鲸鱼🐳细胞小的多。
事实上,构成蚂蚁等小东西的原子都小的多
水深火热的星球
鸡蛋是一个细胞,够大吧
薛松老师
鲸鱼长的大是因为细胞多,而不是因为细胞大。一般人不可能去做这样的研究,但我们可以从身边的动物身上了解这方面的知识。鲸鱼属于哺乳动物,和牛、马的基本结构是很相似的。一头牛和一只老鼠,虽然体型差别很大,但它们拥有同样大小的细胞。都是我们无法用眼直接看到的。再者说,细胞作为生命的基本结构和功能单位,虽然很精密,但相对生物体来说还是太简单了,主要通过渗透作用进行物质交换,没有呼吸、消化、循环、排泄等器官的辅助,所以细胞也不可能长的太大。
岁月独舞
体格大的是因为细胞数量多。相反,肌肉发达的,是因为肌肉纤维粗,施瓦辛格的纤维数量和瘦猴子一样多
0930勇敢的心
能问出这个问题的将来都有杰出科学家的潜质。赞一个先。
大概率的答案是细胞多,而不是细胞大。这是由细胞功能决定的。
当然鲸鱼的细胞在进化过程中估计是有些特殊的。别的不说就说陆地最大的动物大象。它的细胞就不一样,大象的细胞基本不突变,所以大象不得癌症。那么鲸鱼的细胞是否也这样?我没有查文献,所以不敢乱说。
小强小强往前冲
除了卵细胞大一些,其他细胞应该差和其他动物不多大