没有显微镜还想观察细胞？这些超乎想象的“巨无霸”单细胞生物绝对能满足你

空白派

​细胞总是和显微镜联系在一起，即使是大象，它的体细胞与老鼠的体细胞在大小上并没有明显的差异。可是我们看到单细胞生物不需要复杂的组织器官也能够很好地生存，那么是否存在“单细胞大象”呢？
生物课本曾告诉我们，细胞通过细胞膜与外界进行物质交换，其体积与表面积之比限制了自身体积的增大。细胞体积的变大会影响其胞内外物质交换的能力，导致胞内得不到充足的养分，产生的废物也难以及时排出。因而细胞的直径一般在10-200微米之间。



鸡蛋的结构

当然我们现在知道未受精的鸡蛋蛋黄就是一个卵细胞，但这并非是一个生命体。虽然单细胞大象的幻想破灭了，但是比人大的单细胞生物还是存在的。


杉叶蕨藻（Caulerpa taxifolia）可以说是目前所发现的最大的单细胞生物，最大的杉叶蕨藻可达3米。从外形上看，你一定想不到这长有与蕨类植物相似的叶、茎、根的植物，竟然是一个巨大的细胞。当然你也绝对无法想到这种单细胞生物作为一个入侵物种，成功地打败了进化地位更高的真正的海藻。



杉叶蕨藻

杉叶蕨藻原是一种自然生长于热带珊瑚礁海域的原生海藻。上世纪八十年代，人们发现这种海藻不仅外表较为美观，还能够作为清道夫吸收水中的一些养料与化学物质，同时无需花费太多精力养护，就可以很好地生长，于是经过人为的培育与挑选后，杉叶蕨藻被广泛地应用于世界各地的水族馆中。
1984年，海洋生物学家在摩纳哥水族馆附近的海域中发现了这一类海藻。科学家发现这种海藻具有强大的繁殖能力，仅需掉落的一小片海藻，就可以重新长成一个个体；加之缺乏天敌，杉叶蕨藻很快地在地中海沿岸与海底蔓延开来，挤占了其他藻类与海底生物的生存空间。更可怕的是，这种海藻还可以释放一些有毒物质，对其他海生植物的生长有一定的抑制作用，因而杉叶蕨藻也被称为“杀手藻”。
科学家推测杉叶蕨藻可能是随着摩纳哥水族馆的废水排入地中海的，目前在地中海海底已经散布超过13000公顷。另外在澳大利亚、美国加州等地的海岸亦造成了很大的影响。
在我们的刻板印象中，细胞的形状应该呈现比较规则的多面体或者球形，哪怕像变形虫这类具有很不规则的外形的生物，从它们的大小、结构来看也符合一个细胞的特点。



变形虫的细胞结构，我们可以看到细胞膜、细胞质与细胞核

而这种长得像蕨类的植物，我们无论如何也不敢相信它仅由一个细胞构成。不知道你还记不记得高中课本里提到过的伞藻，伞藻也是一种单细胞藻类，其长度可达2-5厘米，由“帽”、柄和假根三部分组成，细胞核位于基部。类似的，杉叶蕨藻也是由假根、匍匐茎和藻体三部分组成，其中藻体酷似红豆杉的叶片，故得名“杉叶蕨藻”。



高中生物课本里提到的伞藻嫁接实验与核移植实验

如果你有机会将它放在显微镜下观察的话，会发现它确实没有多细胞生物那样一个个的细胞结构。但是我们可以看到杉叶蕨藻体内有很多独立的细胞核，就好像细胞分裂后胞质还没来得及分开，类似一种合胞体的结构。
这种奇特的细胞结构是绿藻类植物的另一大特点。绿藻类植物中既有石莼这样很符合我们认知的多细胞生物，也有像刚毛藻那样的由多个合胞体细胞组成的多细胞个体；既有典型的单细胞生物如伞藻，也有像杉叶蕨藻这样的大型合胞体细胞形成的个体。



绿藻类植物各种各样的细胞

科学家们也疑惑，为什么单细胞的杉叶蕨藻会有如此奇特的外形。经过初步研究，他们猜测可能与不同部位的细胞核的表达差异有关。
位于匍匐茎与叶片基部上的细胞核是活跃的，能够进行转录，产生转录本mRNA与小RNA。mRNA会向顶端移动，并被核糖体翻译为蛋白质。而小RNA从匍匐茎顶端转移到叶尖上，导致沉默，使得叶尖的细胞核无法表达。这种基部到顶端的mRNA以及小RNA的分布差异的共同作用，造成了蕨藻细胞表面纤维素合成的区域化，进而形成了复杂的叶片形态。
大型单细胞生物一定要如此复杂吗？其实并不。在你研究杉叶蕨藻的时候，“水手的眼球”已经默默注视你好久了。


不必感到毛骨悚然，这当然不是真的眼球，你或许更愿意称它为剥了皮的龙眼。这种草绿色的圆球形生物叫做球法囊藻（Ventricaria ventricosa），是在热带和亚热带地区的海洋中发现的一种藻类。早期的水手们将这种特殊的泡沫藻类命名为“水手的眼球”，因为他们往水里看的时候，会感觉水中有眼睛在盯着他们。



球法囊藻

球法囊藻的直径通常为1到4厘米，在少数情况下可达5厘米，远大于一个鸡蛋蛋黄了。而这种藻类的颜色因叶绿体的数目，在水中呈现银、青甚至黑等不同的颜色。球法囊藻的分布范围很广，几乎全世界的每一个海洋中都可以找到它们的身影，虽然这种单细胞生物更喜欢生活在温暖海域的珊瑚间。值得一提的是，球法囊藻最大可至深度大约有80米。
类似于杉叶蕨藻，球法囊藻也具有多核结构。其中一个细胞核与少量叶绿体形成一个“胞质结构域”。这些胞质结构域通过由微管支撑的胞质“桥”相互连接，所以这些细胞核得以整齐有序地排列，叶绿体与线粒体也能够分布均匀。另外球法囊藻具有巨大的中央液泡，而其外周细胞质（它的细胞膜被细胞壁覆盖）仅约40nm厚。



球法囊藻内部的荧光图像，n表示细胞核

虽然没有实际感受过这种生物的触感，但是照片里水汪汪的球法囊藻给人一种吹弹可破的感觉，事实上并非如此。这样巨大的结构一方面使其更容易受到流水剪切力的伤害，另一方面也会受到哪些试图以它们为食的鱼类等其他生物的伤害。所以它具备一些特殊的应对损伤的机制。
当细胞膜破裂时，细胞质在附着于外膜上的肌动蛋白的作用下收缩。随后发生膜融合，形成原生质体，接着细胞壁再生，由此完成修复。研究人员推测这种运动可能是由细胞外的钙触发的。
在整个过程中，液泡中的硫酸化多糖会形成粘液层来保护细胞，这就像一个塞子，阻碍了水和离子的运动，同时这层粘液使得细胞内的物质不会分散开。这样的结构使得当它受到外力压迫时，不会像气球那样爆裂，而破裂产生的带有细胞核和其他基本细胞器的细胞质区域可以再生为完整的生物体。


除了单细胞植物，目前科学家们也发现了许多大型的单细胞动物。1882年夏末，一艘名为“海神”号(Triton)的船只在苏格兰以北冰冷的海面上航行时，从海中打捞出一种巨型变形虫类生物。它的身体充满了中空的分支管网络，表面长有一种称为介壳的硬壳结构，现在我们称之为脆性介壳虫（Syringammina fragilissima）。



巨大的脆性介壳虫

脆性介壳虫也是一种单细胞生物，同样的它也有不止一个的细胞核。脆性介壳虫往往可以长到10厘米宽，甚至20厘米。它的细胞形成了分枝和连接管，可以分泌一种类似水泥有机物质，并使其与外界的沉淀物或沙子相结合，从而形成一个硬壳结构，称为介壳。它的细胞质具有高浓度的脂类，这表明它可能消化细菌时产生沉积物从而构成了“砂管”。



脆性介壳虫的表面结构

如此奇特的外形，我们会好奇它是如何繁殖与进食的。这也是目前对这种生物的认知盲点。脆性介壳虫属于有孔虫类（Xenophyophores），这些有孔虫会在有性生殖和无性生殖之间切换，于是可以推测脆性介壳虫也可以通过这样的方式进行繁殖。
根据它们的构造，或许可以推测它们能够在水流过身体时，筛出微小的食物颗粒，或者它可能伸出“四肢”从海床上捡起食物。丹麦哥本哈根大学动物学博物馆的奥莱·滕达尔（Ole Tendal）通过试管实验提出了另外的猜想：脆性介壳虫可以在自己的身体上养殖细菌，并以此为食。
单细胞生物的神奇不止于此。现在已经发现在火山口、盐碱地等极端环境下，有些细菌可以很好地生存。这些微生物的发现，给科学研究以及工业生产带来了很大的启发，比如我们可以利用这些生物体内可以在极端环境中发挥作用但不变性的酶。
在2011年7月，美国圣地亚哥斯克里普斯海洋研究所的科学家们执行夏季考察航程时，海洋生物学家们发现了另外一种生活于极深大洋海底的单细胞有孔虫，它们的直径常常可以超过10厘米。
研究人员通过装备了可抵御超高水压的数码相机和光源的无缆绳自动深海着陆器，在马里亚纳海沟内水深10641米处发现了这种奇特的生物的踪迹。在此之前，这种生物生存最大深度的纪录是在新赫布里底海沟中纪录到的大约7500米。



通过数码相机拍摄到的有孔虫

除了漆黑、寒冷与超高压，有研究显示这种生物对重金属环境有极高的适应性。它们可以从周围环境中吸收并在体内富集高水平的铅、铀和汞元素。可以说，这种单细胞生物的发现为人类研究深海环境中的生物多样性以及极端环境适应开辟了新的道路。


首个已知的单细胞生物大约出现在地球形成10亿年之后。然而生命经过了近20亿年的进化，多细胞生物才诞生，随后带来了地球生态面貌翻天覆地的变化。然而单细胞生物因其微小的体型，直到17世纪中后期才被荷兰商人兼科学家列文虎克发现。
有关多细胞生物的起源，目前有诸多假说。研究人员很早便在一种单细胞原生生物领鞭虫（choanoflagellates）中发现了许多在多细胞生物中发挥作用的基因，这突破了单细胞与多细胞生物之间在遗传上的鸿沟。



领鞭虫被认为是一种极好可以用来重构单细胞向多细胞生物进化的生物模型

2012年，美国明尼苏达大学研究人员在实验室用啤酒酵母菌重现了单细胞生物向多细胞簇的演化。研究人员在实验室条件下培养的细胞簇细胞簇包含了几百个细胞，看起来就像球形的雪花。



酵母菌形成的细胞簇

这些细胞簇并不是酵母细胞的简单聚集，其间的酵母细胞能协同合作、繁殖，并且以集体的形式适应和改变它们的环境。当细胞簇达到临界大小时，一些细胞会进入凋亡过程而死亡。可以说这基本上模拟了生命初期的形式。
相比于单细胞生物，多细胞生物存在一定生存上的优势，然而单细胞生物并不是生物进化的垫脚石，地球上现存单细胞生物的数量远多于多细胞生物。随着科学技术的发展，我们能够发现更多的单细胞生物并加深对其的了解，同时也从这些无头脑的生物身上受到了颇多的启发，我们之前讲过的会走迷宫、规划交通路线的黏菌就是一个很好的例子。
虽然单细胞生物的多样和神奇让我们惊叹，但实际上身为多细胞生命体的我们才是更值得感叹的意外。


单细胞演变成多细胞生物的过程研究新进展. 中国科学院南京地质古生物研究所. 2015.2.15.赵利容,赵子科,张才学.  杉叶蕨藻挥发性有机物的组成特点[J].  分析测试技术与仪器,2017,23(01):1-5.Coneva V, Chitwood D H. Plant architecture without multicellularity: quandaries over patterning and the soma-germline divide in siphonous algae[J]. Frontiers in Plant Science, 2015, 6(287).This single celled algae is bigger than you think. Plants and Pipettes. 2019.7.8.Zoologger: 'Living beach ball' is giant single cell. NewScientist 2010.2.3.Giant "Amoebas" Found in Deepest Place on Earth. National Geographic News. 2011.10.26.Ratcliff William C,Denison R Ford,Borrello Mark,Travisano Michael. Experimental evolution of multicellularity.[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2012,109(5).



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