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2023-01-31
細(xì)菌中的“珠穆朗瑪峰”現(xiàn)身！長達(dá)2cm,肉眼可見！
更新時(shí)間：2022-07-10 10:20:43作者：未知
出品：科普中國
作者：EVEE（北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院）
監(jiān)制：中國科普博覽
如果只是粗略地看一眼，試管中略顯渾濁的水仿佛和積水潭中的水并無區(qū)別，其中混雜著樹葉，沉積物，以及一些細(xì)細(xì)的“絲線”，但仔細(xì)一看，這些細(xì)絲一般的物體居然漂浮在樹葉上方，在水中不緊不慢地?cái)[動(dòng)著…
難不成是寄生蟲？畢竟線狀的寄生蟲在水中非常常見，但當(dāng)科學(xué)家將這條“細(xì)線”拿到顯微鏡下面的時(shí)候，所有人都大吃一驚——這些細(xì)絲狀的物體，居然是肉眼可見的單個(gè)細(xì)菌細(xì)胞！
巨型細(xì)菌的渲染圖 圖片來源：scitechdaily.com
不同于大家平日里對(duì)于細(xì)菌的印象：個(gè)體微小，大多數(shù)只能在顯微鏡下被看到，細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡單，這次被科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌，堪稱細(xì)菌界的“巨無霸”。
一、肉眼可見的厘米級(jí)細(xì)菌
2022年6月，知名期刊《科學(xué)》發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于細(xì)菌的研究，科學(xué)家們新發(fā)現(xiàn)了一個(gè)細(xì)菌的物種Ca.Thiomargarita magnifica，長約0.9厘米，最長的可以達(dá)到2厘米。這樣的尺寸可以說是細(xì)菌圈子里的巨無霸了，要知道大多數(shù)細(xì)菌都還是微米級(jí)的，1000微米才等于1毫米，這種細(xì)菌要比大多數(shù)細(xì)菌大上5000倍，大家可能沒有一個(gè)很直觀的印象，打個(gè)比方，這就像一個(gè)人遇到了另一個(gè)和珠穆朗瑪峰一樣的高的人，瞬間高下立判。
巨型細(xì)菌和其他一些常見生物的比較 圖片來源：參考文獻(xiàn)
從形態(tài)上看，這種細(xì)菌呈白色絲狀，從基部逐漸向頂端收縮，形成芽孢，整體外觀光滑，沒有附生菌。有趣的是，每根細(xì)絲都是一個(gè)單獨(dú)的細(xì)胞，中間沒有分裂隔膜，除了頂端的芽孢通過閉合收縮與細(xì)絲的主體分離。
巨型細(xì)菌的形態(tài) 圖片來源：參考文獻(xiàn)
毫無疑問，這就是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最大的細(xì)菌，但這僅僅只是T.magnifica與眾不同的一個(gè)方面，真正顛覆科學(xué)家們認(rèn)知的是，這種細(xì)菌的遺傳物質(zhì)被膜結(jié)構(gòu)包被。
二、是細(xì)菌，但又不像細(xì)菌
科學(xué)家和這一巨型細(xì)菌的邂逅發(fā)生在加勒比海的紅樹林中，他們發(fā)現(xiàn)一些白色的細(xì)絲附著在葉片沉積物上，但一開始科學(xué)家們并未留意這些細(xì)絲，只是覺得它們有些奇怪，便沒有再進(jìn)行后續(xù)的研究，這一耽擱，就是10多年。
終于，慧眼識(shí)珠的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了這些白色細(xì)絲的與眾不同，進(jìn)行了較為深入的研究。他們一開始并沒有想到這會(huì)是一種細(xì)菌，因?yàn)檫@些細(xì)絲肉眼可見，更像是真核生物，直到科學(xué)家們對(duì)這種白色細(xì)絲的16S核糖體RNA進(jìn)行了測序，才確定了這是一種細(xì)菌。
（注：16S核糖體RNA，簡稱為16S rRNA，是原核生物的核糖體中30S亞基的組成部分，被稱為細(xì)菌系統(tǒng)分類研究中最有用的和最常用的分子標(biāo)記。不同于原核生物，真核生物中的三類核糖體RNA為5.8S rRNA、18S rRNA和28S rRNA，并沒有16s rRNA）
發(fā)現(xiàn)巨型細(xì)菌的紅樹林 圖片來源：scitechdaily.com
但隨著研究的深入，科學(xué)家們又開始納悶了，16S rRNA的結(jié)果顯示這個(gè)巨無霸是細(xì)菌無疑，但當(dāng)他們用共聚焦激光掃描顯微鏡和透射電子顯微鏡觀察這些細(xì)菌的膜結(jié)構(gòu)時(shí)，又有了驚人的發(fā)現(xiàn)。這些細(xì)菌的遺傳物質(zhì)居然是被膜包被了的！
大家在生物課本上都學(xué)過：細(xì)菌沒有核膜，只有遺傳物質(zhì)集中的部位，T. magnifica并不像其他細(xì)菌一樣，讓遺傳物質(zhì)在細(xì)胞質(zhì)中自由漂浮，而是將其包裹在一個(gè)膜結(jié)構(gòu)中，這類似于那些更加復(fù)雜的細(xì)胞，比如動(dòng)物或者植物的細(xì)胞?？茖W(xué)家們將這些被包著遺傳物質(zhì)的細(xì)胞器稱為“pepins”。
在巨型細(xì)菌中的pepins 圖片來源：參考文獻(xiàn)
T.magnifica內(nèi)那些被膜包被的遺傳物質(zhì)顛覆了人們的認(rèn)知，模糊了真核生物和原核生物之間的界限！
三、為什么巨型細(xì)菌可以長這么大？
在學(xué)界，人們認(rèn)為細(xì)菌缺乏活躍的細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸系統(tǒng)，主要依賴于化學(xué)擴(kuò)散，這限制了細(xì)胞的體型。簡而言之，細(xì)菌之所以這么小，是因?yàn)殡S著其大小的增加，細(xì)菌細(xì)胞的生理或者代謝需求的增長超出了細(xì)胞可以維持的范圍。
那么，為什么巨型細(xì)菌可以長這么大呢？這還要從巨型細(xì)菌的復(fù)雜性說起。除了上述兩個(gè)與眾不同的特點(diǎn)之外，這種巨型細(xì)菌的復(fù)雜程度也遠(yuǎn)超其他細(xì)菌?；蚪M測序的結(jié)果顯示，T. magnifica的基因組十分龐大，大約是我們常見的細(xì)菌的三倍，擁有1000萬個(gè)堿基對(duì)，包含約11788個(gè)基因。
巨型細(xì)菌擁有龐大且復(fù)雜的基因組 圖片來源：參考文獻(xiàn)
不僅如此，因?yàn)閜epins在巨型細(xì)菌的體內(nèi)分布廣泛，每個(gè)pepins中都有一套基因組的拷貝，所以這種巨型細(xì)菌其實(shí)是一個(gè)多倍體（細(xì)胞中含有三套或三套以上染色體的個(gè)體，對(duì)于這種巨型細(xì)菌而言則是擁有三套以上的基因組拷貝）， 擁有多套的遺傳物質(zhì)。科學(xué)家們?cè)趐epins區(qū)域檢測到活躍的蛋白質(zhì)生物合成活性，雖然細(xì)菌體型大，但是只要pepins數(shù)量多，也還是可以滿足代謝活動(dòng)的需求。
除此之外，T.magnifica細(xì)菌的細(xì)胞內(nèi)還有一個(gè)占總體積的73%左右的大液泡，液泡沿著整個(gè)細(xì)絲連續(xù)分布，這使得細(xì)胞質(zhì)被限制在細(xì)胞的外圍。這使得巨型細(xì)菌在進(jìn)行物質(zhì)運(yùn)輸時(shí)更為便利，就算體型巨大，也能維持生命活動(dòng)。
巨型細(xì)菌的中央大液泡 圖片來源：參考文獻(xiàn)
不得不說，一個(gè)多世紀(jì)以來，對(duì)細(xì)菌體型大小的認(rèn)知偏差讓人們對(duì)巨型細(xì)菌視而不見，毫無疑問，這些巨型、復(fù)雜的細(xì)菌很可能就存在于顯而易見的地方，期待著人們?nèi)グl(fā)現(xiàn)，去解讀，去探索生物復(fù)雜性背后的奧秘。
參考文獻(xiàn)：
Volland, J. M., Gonzalez-Rizzo, S., Gros, O., Tyml, T., Ivanova, N., Schulz, F., ... & Date, S. V. (2022). A centimeter-long bacterium with DNA contained in metabolically active, membrane-bound organelles. Science, 376(6600), 1453-1458.