科学家发现迄今最大细菌，肉眼就能轻松看到，长得像人类眼睫毛！

在许多人的印象里，细菌是一种极其微小的生物，需要借助显微镜放大才能看到。

然而，最近发现的一种细菌完全颠覆了人们的认知。

在加勒比海附近的一片红树林沼泽中，科学家发现了一种不用显微镜就可以看到的巨型硫化细菌，最长可达2厘米，这是人类迄今发现的最大细菌。科学家把它命名为华丽硫珠菌（Thiomargarita magnifica）。相关研究已于6月23日发表在了《科学》（Science）杂志上。

华丽硫珠菌（Thiomargarita magnifica）

这种巨型细菌平均长度超过9000微米（接近1厘米），呈白色丝状，大小和形状与人类的睫毛差不多。
1厘米对人类来说可能是一个微不足道的长度，但在细菌界却是妥妥的“巨无霸”。人类已知的大多数细菌的直径只有2微米，此前科学家发现的世界最大细菌——纳米比亚嗜硫珠菌（Thiomargarita namibiensis），平均直径也只有180微米。相比之下，华丽硫珠菌的体积是纳米比亚嗜硫珠菌的50倍，更是绝大多数细菌的5000倍。普通细菌在它面前，就像人类站在珠穆朗玛峰脚下一样。

华丽硫珠菌与水熊虫和果蝇的体积对比图

因为个头太大，科学家一开始并没有意识到它是细菌。
2009年，安的列斯大学的海洋生物学教授 Olivier Gros在瓜德罗普岛的红树林中采集微生物时，发现一些白色细丝附着在水底腐朽的落叶上。Gros教授从未见过这种奇怪的白色生物，凭借经验，他认为这可能是真菌、海绵之类的真核生物。他随手采集了一些样品带回实验室，但一开始并没有太在意。5年后， Gros和同事对其进行了DNA测序，这才意识到它不是真核生物，而是某种特别的细菌。不过，当时他们还不确定这种线形细菌是单个个体，还是由许多细菌连在一起形成的组合体。
直到2018 年，来自美国加利福尼亚州劳伦斯伯克利国家实验室的海洋生物学家 Jean-Marie Volland 使用硬X射线断层扫描、透射电子显微镜(TEM)和荧光原位杂交等一系列显微成像技术更仔细地观察了这种细菌，最终才确认这种长达1厘米的白色生物其实是一个超级大的细菌。

长期以来，生物学家一直将自然界的生物分为两类。一类是原核生物，一类是真核生物。动物、植物和真菌等都属真核生物，特点是有细胞核和和复杂的内膜系统（细胞器）。细菌、支原体等属于原核生物，它们既没有细胞核，也没有各种复杂的内膜。
原核生物的细胞普遍比真核生物细胞要小：大多数细菌的细胞只有2微米，但真核生物的细胞通常为10-20微米，一些大的单细胞真核生物甚至可以生长到3-4厘米。
大型细胞的形成往往需要具备一些条件：
首先，需要一个强大的物理支撑。真核细胞包含由微管、微丝、中间纤维构成的坚韧的细胞骨架，其功能就像帐篷中起支撑作用的杆子，避免细胞破裂。但是，细菌的细胞中缺乏这3种结构蛋白。

真核生物细胞骨架。肌动蛋白微丝被显示成红色，微管被显示成绿色，细胞核被显示成蓝色。

另外，大型细胞还面临着化学反应速率和能量供应的挑战。真核生物通过演化出复杂的内膜系统（细胞器）来解决这个问题。细菌却几乎没有细胞器，它们缺乏细胞内主动运输的能力，严重依赖化学扩散，但化学扩散的有效距离只有几微米。在能量供给上，细菌更无优势。细胞的主要能量货币是腺苷三磷酸（ATP），由ATP合酶产生。真核生物的ATP合酶位于数量众多而形态褶皱的线粒体内膜上，数量非常丰富。但细菌没有线粒体，ATP合酶通常嵌在平滑的细胞包膜上，数量相对贫乏。当细菌细胞增大到一定体积时，其生理或代谢需求就会超过细胞的维持能力，导致细菌无法“长大”。

真核细胞的内膜系统
考虑到满足能量需求的细胞表面积和体积比，理论模型推算出的细菌最大体积为10^-14m³。但是新发现的华丽硫珠菌（体积为5.91×10^-12m³）却比这个数值高出2个数量级。为什么它能打破细菌生长的极限呢？Volland等人从电镜扫描结构中得到了一些线索。
华丽硫珠菌的细胞中央有一个非常大的“液泡”，占细胞总体积的73%左右，极大缩减了细胞质的体积，从而最大限度地减少了由于依赖化学扩散而导致的生长限制。

V代表华丽硫珠菌巨大的液泡

另外，与绝大多数细菌不同，华丽硫珠菌的细胞质内有许多不同类型的膜室。有些长得非常像真核生物的细胞核。这些膜室遍布于整个细胞质，里面包含着DNA和核糖体。Gros团队将这种细菌细胞器命名为“pepin”。细菌和古细菌的ATP合酶通常被局限于细胞包膜，但华丽硫珠菌中的ATP合酶却分布在pepins周围以及整个细胞质的复杂膜网中，ATP合酶的数量大大增加。

S是华丽硫杆菌细胞内的硫化物颗粒，周围充满了膜室

这些结构在一定程度上解释了为什么华丽硫珠菌会突破细胞代谢模型所预测的细菌体积极限。
与其他细菌相比，华丽硫杆菌还有一个特点是拥有庞大的基因组。典型的细菌细胞只有一个 DNA 环，但华丽硫珠菌有数十万个，这些DNA分布在数量众多的pepin内。基因测序分析显示，华丽硫杆菌拥有1100万对碱基，包含多达11788个基因。通常情况下，细菌基因组平均大约只有400万对碱基和3935个基因。
除了以上特点，华丽硫珠菌的生长方式也比较独特。它们生长红树林地区，利用海水带来的氧气和氧化沉积物里的硫化物来获取能量，维持生存。与其他细菌相比，这种细菌个头更大，更不用担心被捕食者轻易吞噬掉。

瓜德罗普群岛红树林，这里是发现华丽硫珠菌的地方

细菌经常被认为是结构简单、未充分进化的微生物，但华丽硫珠菌挑战了这一传统观念，其细胞内复杂的内膜系统颠覆了人们对细菌的固有认知，模糊了原核生物和真核生物之间的界限。
Volland 博士和他的同事还在继续研究这种细菌，他们希望能揭开能多的谜团，例如在没有细胞骨架的情况下，这种细菌为什么能如此坚韧——
“你可以用镊子从水中取出一根细丝，然后将其放入另一个容器中。它是怎么长成这样的，为什么它的细胞如此坚韧——这些都是我们尚未回答的问题。”

参考文献：

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-022-01757-1

https://www.nytimes.com/2022/06/23/science/giant-bacterium.html

https://www.nature.com/articles/d41586-022-01757-1

《科学世界》2022年第6期新鲜出炉

点击下图，即可购买

❤《科学世界》典藏本 大宇宙  ❤