是因为细胞多。
图示:地球上生存过的最大动物蓝鲸。
生物学家研究了许多种生命形式的细胞,无论是植物还是动物,除了在胚胎发育的特殊时期(如整个未受精的鸵鸟蛋就是一个细胞这样的特殊情况),以及一些特化的细胞,如神经元(坐骨神经可以长一米)等,其余细胞的大小都高度相似。
这是因为单个细胞的大小受到自然因素的限制,不是想长多大就能长多大。 大多数细胞要么是方的要么是圆的,它们的大小受到一个数学比值的影响:表面积/体积
图示:发育中的胚胎球
让我们用一个圆球为例,看看随着直径的增加,圆球的表面积与体积之比会发生什么变化。
圆球的表面积计算公式为:
S = 4πr^2 (4*圆周率*半径的平方)
圆球的体积计算公式为:
V = (4πr^3)/3(4/3 * 圆周率*半径的立方)
因此,圆球的表面积与体积之比为:
S/V = 3/r
图示:随着半径的增大,球体的表面积与体积之比会迅速下降
图示:复杂的细胞膜,各种物质通过细胞膜上的特殊通道进入细胞内部,或者通过细胞膜渗透进入。
细胞的生存时时刻刻都依赖着外来的营养物质,对于需要氧气的细胞来说,还额外需要氧气的渗透和扩散,此外细胞产生的废物也需要及时运出细胞。 正是因为这些原因,限制了细胞的大小。 细胞的表面积越大,物质进出细胞的速度就越快,细胞的体积越大需要的物质就越多。 虽然随着细胞的增大,细胞的表面积就越大,但表面积的增长远远跟不上细胞体积的增长,最终细胞的大小会被限制在一个狭小的范围内。 只有那些长得很奇怪的细胞才能例外,比如超长的神经元。
细菌通常很小是因为它们主要依靠简单扩散吸收营养物质并排出废物,它们的大小为为0.2到10微米。 细菌的细胞需要很大的表面积/体积比值,才能从环境中吸收到足够的营养。 动植物的细胞的大小通常在2~100微米之间,是因为动植物细胞上有特定的蛋白质帮助物质进出,但即便如此,圆球状的细胞长到大约100微米也就到了极限。
那么组成一支成年蓝鲸,到底需要多少细胞呢? 鉴于动物细胞的大小相似,那么不妨用人类的数据套用到蓝鲸上,因为估算人类的细胞是研究得最多的,得到的数据也相对更加准确。 一个体重100公斤的成年人,大概拥有3.7±0.8×10^13个细胞。 而最大的蓝鲸的体重大约为200吨,1吨等于1000公斤,一头这样的蓝鲸相当于2000个体重100公斤的成年人,其拥有的细胞数量大约为6.4±1.6×10^16个细胞,当然,这样的估算并不靠谱,只不过可以给我们一些印象。
巨兽拥有更高细胞,这需要更多次细胞分裂,而细胞分裂的次数越多,就越容易癌变,所以它们为什么没有很早就得癌症死去?
图示:大象拥有的细胞数量比人类多几十倍,平均寿命也和人类相似,这意味着大象有特殊的抗癌秘诀
第一个想到这个问题的科学家是佩托(pteo),因此这个问题又被称为pteo悖论。 2015年,佩托终于找到合伙人研究了自己提出的这个悖论,部分答案已经揭晓,原来大象的基因组中拥有40个可抑制细胞癌变的基因TP53,而我们人类只有两个,一个来自妈一个来自爹。 不幸的是只要有一个TP53基因发生突变,都会严重影响细胞是否癌变。
所以,蓝鲸这样的庞然大物,不仅拥有更多的细胞,还有更多的抗癌基因被它们的身体健康保驾护航呢。
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