因为有很多细胞。
插图:蓝鲸,地球上有史以来最大的动物。
生物学家研究了许多生命形式的细胞,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是一个细胞的特例),以及一些特化的细胞,如神经元(坐骨神经可长到一米),其他细胞大小高度相似。
这是因为单个细胞的大小受到自然因素的限制,并不是你想要的那么大。大多数细胞不是方形就是圆形,它们的大小受一个数学比率的影响:表面积/体积。
插图:发育中的胚胎球
让我们以一个球体为例,看看当球体的直径增加时,其表面积与体积之比会发生什么变化。
计算球体表面积的公式是:
S = 4π r 2 (4 * pi *半径的平方)
球体的体积计算公式为:
V = (4π r 3)/3 (4/3 * Pi *半径的立方)
因此,球体的表面积与体积之比为:
信噪比= 3/r
图示:随着半径的增加,球体的表面积与体积之比会迅速减小。
插图: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,或者透过细胞膜。
细胞的生存一直依赖于外界的营养。对于需要氧气的细胞来说,也需要氧气的渗透和扩散。此外,电池产生的废物需要及时运出电池。正是由于这些原因,细胞的大小受到限制。细胞表面积越大,物质进出细胞越快,细胞体积越大,需要的物质越多。虽然细胞的表面积随着细胞的增加而增加,但表面积的增加赶不上细胞体积的增加,最终细胞大小会被限制在一个很窄的范围内。只有那些生长奇怪的细胞才能例外,比如超长神经元。
细菌通常很小,因为它们主要依靠简单的扩散来吸收营养和排出废物。它们的尺寸是0.2到10微米。细菌细胞需要大的表面积/体积比才能从环境中吸收足够的营养。动植物细胞的大小通常在2到100微米之间,因为动植物细胞上有特定的蛋白质来帮助物质进出,但即使如此,球形细胞长到100微米左右也是有限的。
那么形成一头成年蓝鲸需要多少个细胞呢?鉴于动物细胞大小相似,将人类的数据应用于蓝鲸是可取的,因为人类细胞的估计是研究最多的,得到的数据相对更准确。一个体重100kg的成年人,大约有3.7±0.8×10 ^ 13个细胞。最大的蓝鲸重约200吨,一吨等于1000公斤。一只这样的蓝鲸相当于2000只体重100公斤的成年鲸,其细胞数约为6.4×1.6×10 ^ 16个细胞。当然这个估计不靠谱,但能给我们一些印象。
巨型动物的细胞更高,需要更多的细胞分裂,而且细胞分裂次数越多,越容易癌变,那么它们为什么没有早死于癌症呢?
图示:大象的细胞比人类多几十倍,平均寿命和人类差不多,这意味着大象有特殊的抗癌秘密。
第一个想到这个问题的科学家是pteo,所以这个问题也被称为pteo悖论。2015年,佩托终于找到了合作伙伴来研究这个由他自己提出的悖论。部分答案已经揭晓。原来大象的基因组中有40个基因TP53可以抑制细胞癌变,而我们人类只有两个,一个来自母亲,一个来自父亲。不幸的是,只要有TP53基因突变,就会严重影响细胞是否癌变。
所以,像蓝鲸这样的庞然大物,不仅有更多的细胞,还有更多的抗癌基因受其健康保护。
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