是什麼限制了單細胞生物的大小？

12-26

單個細胞可以大到像鴕鳥蛋的蛋黃那麼大，但是那並不是一個完整生物，獨立的單細胞生物似乎都沒有那麼大的。那麼是什麼因素限制了單細胞生物的大小？

謝邀

單細胞生物（unicellular organism）一般指只有一個細胞的個體，包括細菌，古生菌，原生生物，單細胞藻類，一些真菌等。既包含原核生物，也包含部分真核生物。原核和真核的主要區別就是，真核細胞有核膜包裹的細胞核。

單細胞生物（unicellular organism）大小的限制因素大致如下：

體積與表面積之間的比率（Surface area to volume ratio，S/V)
細胞核（或者細胞核區）與細胞質之間的比率 ( Nucleo-cytoplasmic ratio，N/C)
細胞膜、細胞壁的韌性 (Fragility of cell membrane cell wall)

1. 表面積與體積比（S/V)

具體到每個細胞的話，研究起來比較複雜，畢竟細胞形態各不同。那麼就用簡單的球體和立方體模型，用大家比較熟知的公式推導一下，表面積和體積比吧

立方體，邊長r，

體積（volume）= $r^{3}$ , 表面積（surface area）=6 $r^{2}$ ,表面積體積比（S/V)= $frac{6}{r}$

球體，半徑R, 直徑d, d=2R

體積(volume）= $frac{4}{3}(pi)R^{3}$ , 表面積（surface area）= $4（pi）R^{2}$ ，表面積體積比（S/V)= $frac{3}{R}$ = $frac{6}{d}$

很簡單的推導，可以看出直徑或者邊長越長，表面積體積比就越小。也就是，細胞尺寸越大，體積越大，表面積反而增加不多。

通常來說，一個較大的表面積體積比（S/V）對生物來說是比較好的，這比較有利於細胞從外界環境獲得營養成分，供細胞內的一系列生化反應。S/V越大，越能保證吸收足夠的物質和細胞生長、存活。所以，幾乎所有的細胞，都通過各種手段增加S/V。比如把細胞體積變小，比如真核細胞細胞膜會形成褶皺或微絨毛，比如真核細胞的內吞和外排作用等。

Tips：細胞的內吞和外排作用，真核細胞細胞膜可以包裹大分子物質，從細胞膜上分離，形成囊泡小體，運送物質到細胞內或者細胞外。

對單細胞生物來說，減小細胞尺寸顯得尤為重要。單細胞生物一般缺乏細胞的內吞作用（endocytosis)和外排作用（exocytosis)，真核細胞利用這兩個作用增大S/V，極大地保證營養物質的吸收和廢物的外排。而單細胞原核生物，一般通過簡單的物質擴散來吸收營養物質，以及外排廢物。

2. 細胞核與細胞質比（N/C)

絕大多數單細胞生物是沒有核膜包圍的細胞核的，一般是分布在細胞一定區域的核區。每個核區或者細胞核控制的細胞質大小是一定的。

有些細胞為了掌控細胞質，進化出多個細胞核。比如動物的肌細胞，真菌的菌絲細胞等。

3. 細胞膜、細胞壁的韌性

單細胞生物除了有一層細胞膜之外，通常還包裹這一層細胞壁。細胞膜一半是磷脂雙分子層，依靠分子鍵彼此維持一種較為穩定的、可變的膜結構。這種膜結構極易受到溫度等其他外界調節的影響，甚至是破壞。

植物細胞通常有一層由纖維素形成的細胞壁，因此，普遍來說植物細胞要略大於動物細胞。單細胞生物也有一層由多糖和蛋白形成的細胞壁，那麼單核細胞為何不是很大呢？

是的，它們有些確實能長很大，比如一種Valonia ventricosa的藻類，又叫球藻，水手的眼球。一般直徑1-4厘米，真的像個球。

然而，它還不是單細胞生物界最大的，最大的叫Caulerpa Taxifolia，可以長到三米。嗯！你沒看錯，是3米！Three meters!詳細信息參考網站，鏈接如下

Caulerpa taxifolia

它生活在印度洋，又叫殺人藻，嗯！它會施展「死亡纏繞」，把人死死捆住！

有興趣的話，可以看看一個網站列出的單細胞生物尺寸排名，鏈接如下

10 Freakishly Large Single-Celled Organisms - Listverse

但是，綜合以上幾點，細胞體積一般不會太大了，太大了就成了負擔，畢竟單細胞生物一個細胞統領全局。吃太胖了，沒得吃的話，去找吃的連移動都費勁。也就藻類這種，躺著曬太陽就能吃飽的種類，能長很大吧。

以球形細胞為例（體內的細胞並非都是球形），計算體積同表面積的關係（。結果表明，球形細胞增大，其體積增加的比例要比表面積增加得多。這樣，當細胞增大到一定程度時，質膜的表面積就不適應細胞進行內外物質的交換，細胞為了維持一個最佳的生存條件，必需維持最佳的表面積，從而限制了體積的無限增大。
一些重要的分子在細胞內的拷貝數是很少的，當細胞體積增大時，這些分子的濃度就越來越稀釋，一些重要的生化反應需要一定的濃度才能進行，所以細胞內分子濃度就成了限制細胞體積無限增大的另一個因素。　　
細胞不僅對體積的增大有限制，而且對體積的減少也有限制。一個生活細胞要維持正常的獨立生活功能，最低限度需要500～1000種不同類型的酶和蛋白質，這是目前在支原體（mycoplasma）中所發現的酶和蛋白質的量。而支原體是目前所知最小原核細胞，很顯然，細胞體積最小化受制於維持細胞生命活動所需的酶和蛋白質種類的最低限度。

來往運費貴，不經濟。
我又開始用高中知識胡扯了。
細胞維持生命活動，需要對內部及外部的物質交換。
信使RNA從DNA中轉錄出信息，核糖體合成蛋白質，高爾基體把蛋白質打包送出，把葡萄糖運到線粒體進行有氧呼吸，都需要消耗能量，消耗ATP。
ATP就是細胞里的燃料。
打個比方，你家住在一個小區，超市，髮廊，醫院都離得不遠。突然有一天，你發現所有的這些，都離你遠了兩公里。你依舊是吃一份飯，上一份班，卻無端端多花了不少汽油錢，你會不會跳腳？
細胞增大，降低了物質運輸的效率，這顯然是不能接受的。
經過大自然選擇的大多是極端的合理兼實用主義者，它們自然會選擇最好的方式。
我想這應該能稍微解釋一下。
見笑

書上說是表面積體積比的原因，我個人認為滿足細胞定義的情況下，就近找細胞器顯然更合算，細胞器齊了用細胞骨架固定、細胞膜隔離，不就是多細胞嗎？