細菌中的“珠穆朗瑪峯”現身！長達2cm,肉眼可見
出品：科普中國
作者：EVEE（北京大學生命科學學院）
監製：中國科普博覽
如果只是粗略地看一眼，試管中略顯渾濁的水彷彿和積水潭中的水並無區別，其中混雜着樹葉，沉積物，以及一些細細的“絲線”，但仔細一看，這些細絲一般的物體居然漂浮在樹葉上方，在水中不緊不慢地擺動着…
難不成是寄生蟲？畢竟線狀的寄生蟲在水中非常常見，但當科學家將這條“細線”拿到顯微鏡下面的時候，所有人都大吃一驚——這些細絲狀的物體，居然是肉眼可見的單個細菌細胞！
巨型細菌的渲染圖 圖片來源：scitechdaily.com
不同於大家平日裏對於細菌的印象：個體微小，大多數只能在顯微鏡下被看到，細胞結構簡單，這次被科學家們發現的細菌，堪稱細菌界的“巨無霸”。
一、肉眼可見的釐米級細菌
2022年6月，知名期刊《科學》發表了一項關於細菌的研究，科學家們新發現了一個細菌的物種Ca.Thiomargarita magnifica，長約0.9釐米，最長的可以達到2釐米。這樣的尺寸可以説是細菌圈子裏的巨無霸了，要知道大多數細菌都還是微米級的，1000微米才等於1毫米，這種細菌要比大多數細菌大上5000倍，大家可能沒有一個很直觀的印象，打個比方，這就像一個人遇到了另一個和珠穆朗瑪峯一樣的高的人，瞬間高下立判。
巨型細菌和其他一些常見生物的比較 圖片來源：參考文獻
從形態上看，這種細菌呈白色絲狀，從基部逐漸向頂端收縮，形成芽孢，整體外觀光滑，沒有附生菌。有趣的是，每根細絲都是一個單獨的細胞，中間沒有分裂隔膜，除了頂端的芽孢通過閉合收縮與細絲的主體分離。
巨型細菌的形態 圖片來源：參考文獻
毫無疑問，這就是迄今為止發現的最大的細菌，但這僅僅只是T.magnifica與眾不同的一個方面，真正顛覆科學家們認知的是，這種細菌的遺傳物質被膜結構包被。
二、是細菌，但又不像細菌
科學家和這一巨型細菌的邂逅發生在加勒比海的紅樹林中，他們發現一些白色的細絲附着在葉片沉積物上，但一開始科學家們並未留意這些細絲，只是覺得它們有些奇怪，便沒有再進行後續的研究，這一耽擱，就是10多年。
終於，慧眼識珠的科學家們發現了這些白色細絲的與眾不同，進行了較為深入的研究。他們一開始並沒有想到這會是一種細菌，因為這些細絲肉眼可見，更像是真核生物，直到科學家們對這種白色細絲的16S核糖體RNA進行了測序，才確定了這是一種細菌。
（注：16S核糖體RNA，簡稱為16S rRNA，是原核生物的核糖體中30S亞基的組成部分，被稱為細菌系統分類研究中最有用的和最常用的分子標記。不同於原核生物，真核生物中的三類核糖體RNA為5.8S rRNA、18S rRNA和28S rRNA，並沒有16s rRNA）
發現巨型細菌的紅樹林 圖片來源：scitechdaily.com
但隨着研究的深入，科學家們又開始納悶了，16S rRNA的結果顯示這個巨無霸是細菌無疑，但當他們用共聚焦激光掃描顯微鏡和透射電子顯微鏡觀察這些細菌的膜結構時，又有了驚人的發現。這些細菌的遺傳物質居然是被膜包被了的！
大家在生物課本上都學過：細菌沒有核膜，只有遺傳物質集中的部位，T. magnifica並不像其他細菌一樣，讓遺傳物質在細胞質中自由漂浮，而是將其包裹在一個膜結構中，這類似於那些更加複雜的細胞，比如動物或者植物的細胞。科學家們將這些包被着遺傳物質的細胞器稱為“pepins”。
在巨型細菌中的pepins 圖片來源：參考文獻
T.magnifica內那些被膜包被的遺傳物質顛覆了人們的認知，模糊了真核生物和原核生物之間的界限！
三、為什麼巨型細菌可以長這麼大？
在學界，人們認為細菌缺乏活躍的細胞內運輸系統，主要依賴於化學擴散，這限制了細胞的體型。簡而言之，細菌之所以這麼小，是因為隨着其大小的增加，細菌細胞的生理或者代謝需求的增長超出了細胞可以維持的範圍。
那麼，為什麼巨型細菌可以長這麼大呢？這還要從巨型細菌的複雜性説起。除了上述兩個與眾不同的特點之外，這種巨型細菌的複雜程度也遠超其他細菌。基因組測序的結果顯示，T. magnifica的基因組十分龐大，大約是我們常見的細菌的三倍，擁有1000萬個鹼基對，包含約11788個基因。
巨型細菌擁有龐大且複雜的基因組 圖片來源：參考文獻
不僅如此，因為pepins在巨型細菌的體內分佈廣泛，每個pepins中都有一套基因組的拷貝，所以這種巨型細菌其實是一個多倍體（細胞中含有三套或三套以上染色體的個體，對於這種巨型細菌而言則是擁有三套以上的基因組拷貝）， 擁有多套的遺傳物質。科學家們在pepins區域檢測到活躍的蛋白質生物合成活性，雖然細菌體型大，但是隻要pepins數量多，也還是可以滿足代謝活動的需求。
除此之外，T.magnifica細菌的細胞內還有一個佔總體積的73%左右的大液泡，液泡沿着整個細絲連續分佈，這使得細胞質被限制在細胞的外圍。這使得巨型細菌在進行物質運輸時更為便利，就算體型巨大，也能維持生命活動。
巨型細菌的中央大液泡 圖片來源：參考文獻
不得不説，一個多世紀以來，對細菌體型大小的認知偏差讓人們對巨型細菌視而不見，毫無疑問，這些巨型、複雜的細菌很可能就存在於顯而易見的地方，期待着人們去發現，去解讀，去探索生物複雜性背後的奧秘。
參考文獻：
Volland, J. M., Gonzalez-Rizzo, S., Gros, O., Tyml, T., Ivanova, N., Schulz, F., ... & Date, S. V. (2022). A centimeter-long bacterium with DNA contained in metabolically active, membrane-bound organelles. Science, 376(6600), 1453-1458.