2015年9月4日

為什麼細胞這麼小?

作者/蔡孟利(宜蘭大學生物機電工程學系,本刊總編輯)

「細胞很小」是我們對於這個構成生命體的基本單位之第一印象。細胞有多小?如果先屏除掉一些特例,像是直徑可達公分等級的蛋黃,或是長度可達十公分以上的神經細胞或肌肉細胞,普通細胞的大小只相當於直徑在1~100 μm之間的球體而已。

為什麼會這麼小?
這或許可以從「小」所造成的高效率來思考。例如,細菌是單細胞生物,因為只有一個細胞,所以能應付環境劇烈變化的招數不多。這裡所謂的「劇烈變化」不一定是那種忽然的狂風暴雨或海嘯,或許只是午後陣雨的首顆雨滴掉落在豔陽曝曬了一個上午之後的柏油路面上,讓一隻被雨打到的細菌周圍之環境溫度從攝氏70度瞬間驟降到40度,短時間內就讓這隻細菌經歷了30度的溫差變化。因為這種忽然降臨的危機隨時都有可能快速出現,所以細菌要時時維持住龐大的個體數目,這是延續種族生存的重要手段。所以,生得快,當然是必須的要求。而一隻細菌,例如大腸桿菌,要完成生殖的整個過程需要多少時間?在環境條件還不錯的情況下,大約20分鐘左右就能完成一次分裂生殖。乍看之下,20分鐘並不算是多快的時間,但如果我們仔細考慮一下細節,大腸桿菌的基因組約有460萬個鹼基對,也就是說,在20分鐘的時間內,大腸桿菌必須要將460萬個鹼基對全部複製過一遍,算起來,每個新鹼基對的合成只需要約0.00026秒的時間。這樣的速度,感覺起來應該夠快了吧!

但是在這個過程裡面,細胞內所發生的化學及物理事件必須比0.00026秒快上很多才能產出這麼快速的結果。這裡所說的化學事件,包括了能量供給與消耗的反應、多種酶的活化與去活化等等;物理事件主要是分子的移動,像是因濃度差異所驅動的擴散作用。......【更多內容請閱讀科學月刊第549期】

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