Die oberen und unteren Grenzen der Bakteriengröße
Mikroorganismen beziehen sich auf winzige Organismen, die für das bloße Auge unsichtbar oder unsichtbar sind. Wie groß und klein können Mikroorganismen sein? Wenn Sie diesen Artikel lesen, können Sie auf einen früheren Blog-Beitrag verweisen: Welches sind die größten bisher gefundenen Bakterien?
Große prokaryontische Zellen
Bakterien und Archaeen haben unterschiedliche Zellgrößen, die von 0,2 µm Durchmesser bis über 700 µm Durchmesser reichen. Die meisten kultivierten stäbchenförmigen Bakterien haben eine Breite von 0,5-4 µm und eine Länge von weniger als 15 µm. Natürlich gibt es auch einige sehr große Bakterien wie Epulopiscium fishelsoni (Sticulus fischeri) mit einer Zelllänge von mehr als 600 µm. C. fischeri ist phylogenetisch mit Clostridium verwandt. Es existiert im Darm von Chirurgen und enthält mehrere Kopien des Genoms. Der Grund dafür ist, dass eine einzelne Kopie des Genoms den Bedarf eines so großen Bakteriums an Transkription und Translation nicht mehr decken kann.
Das größte bekannte Bakterium ist Thiomargarita (schwefelophiles Bakterium in Namibia), mit einem Durchmesser von etwa 750 µm, das mit bloßem Auge direkt sichtbar ist. Bisher verstehen die Menschen nicht, warum diese Zellen so groß sind. Archaea hat keine Sorte gefunden, die mit den beiden oben genannten vergleichbar ist, aber möglicherweise wurde sie einfach nicht entdeckt.
Wir glauben im Allgemeinen, dass die Größe prokaryontischer Zellen durch die Fähigkeit der Zellen zum Nährstofftransport begrenzt ist. Die Stoffwechselrate der Zellen ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Zellgröße. Bei sehr großen Zellen wird die Nährstoffaufnahme schließlich den Stoffwechsel einschränken und ihn mit kleineren Zellen konkurrieren lassen. Zum Nachteil.
Im Vergleich zu Thiomargarita oder Epulopiscium beträgt die durchschnittliche Größe typischer stäbchenförmiger Bakterien (wie E. coli) etwa 1-2 µm; im Gegensatz dazu können eukaryotische Zellen bis zu 2 µm klein sein und viele sind größer als 600 µm. Aber im Allgemeinen sind kleine eukaryotische Zellen nicht üblich.
Kleine prokaryontische Zellen
Da je kleiner die Zelle ist, desto größer ist der Vorteil in der Natur und die natürliche Selektion ist kompetitiv, also sollte die Natur theoretisch alle extrem kleinen Bakterien sein. Es ist jedoch nicht.
Berechnet man die Grundbausteine (wie Protein, Nukleinsäure, Ribosomen etc.), die eine frei wachsende Zelle enthalten muss, dann liegt die untere Grenze des Zelldurchmessers bei etwa 0,15-0,2 µm. Gegenwärtig haben wir auch einige kleine prokaryontische Zellen erfolgreich erhalten. Zum Beispiel gibt es etwa 105-106 prokaryontische Zellen pro Milliliter Meerwasser. Diese Zellen sind oft sehr klein, mit einem Durchmesser von 0,2-0,4 µm; Sie finden sich in den tiefen Erdschichten mit einem Durchmesser von etwa 0,2 µm Bakterien und Archaeenflora, diese Zellen werden zusammenfassend als . bezeichnet"ultramikrobielle Bakterien".
Als wir das Genom ultramikrobieller Bakterien untersuchten, stellten wir interessanterweise fest, dass ihrem Genom viele Gene fehlten. Die Produkte oder Funktionen dieser Gene müssen von anderen mikrobiellen Zellen oder Wirtsorganismen bereitgestellt werden. Daher hängt ihre erfolgreiche Entwicklung von den Mindestanforderungen der Biochemie und anderer eng verbundener Partner ab.
Spezifische Oberfläche, Wachstum und Evolution
Für Zellen hat die geringe Größe viele Vorteile. Kleine Zellen haben eine große spezifische Oberfläche. Die spezifischen Werte können annehmen, dass Kokken und Bazillen standardmäßig kugelförmig und zylindrisch sind, und dann deren Fläche/Volumen (S/V) berechnen. Das S/V-Verhältnis einer Zelle steuert viele Eigenschaften der Zelle, einschließlich Wachstumsrate und Evolution. Da die Wachstumsrate einer Zelle teilweise von der Rate abhängt, mit der sie Nährstoffe und Abfall mit der Umgebung austauscht, ist die Austauschrate von Nährstoffen und Abfall pro Einheitszellvolumen umso schneller, je größer das S/V-Verhältnis einer kleinen Zelle ist. Daher neigen kleine Zellen, die frei wachsen, dazu, schneller zu wachsen als große Zellen. Bei gleicher Nährstoffmenge gibt es mehr kleine Zellen als große Zellen, was wiederum die Zellentwicklung beeinflusst.
Die Zellteilung wird von der Verdoppelung von Chromosomen begleitet, und der Vervielfältigungsprozess wird von Mutationen begleitet. Denn je höher die Zahl der Replikationen, desto höher die Gesamtzahl der Mutationen in der Zellpopulation und desto größer die Möglichkeit der Evolution. Da prokaryontische Zellen sehr klein und haploid sind, wachsen und entwickeln sie sich schneller als große Zellen. Anhand der Größen- und Chromosomenunterschiede zwischen prokaryontischen und eukaryontischen Zellen können wir verstehen, warum Bakterien und Archaeen anpassungsfähiger an die Umwelt sind als eukaryontische Zellen.
