鯨魚很大是因為它的細胞大,還是因為細胞多呢?有何科學依據?

wangfuan


從細胞層面上看,高等動物的細胞大小並沒有什麼區別。如果可以用顯微鏡觀察對比,你會發現體長33米,重180多噸的藍鯨與體長10釐米,重50克的姆指猴有著同樣大小的細胞。就是說,鯨長那麼大不是因為細胞大,而是因為細胞多。
圖:巨大的藍鯨


為什麼身型不同的動物長著同樣大小的細胞

細胞是進行生命活動的地方,它需要與外界進行物質的交換。細胞的體積越小,它的相對錶面積(表面積與體積之比)就越大,如此一來,越是體積小的細胞,物質交換能力越強,效率也越高。太大的細胞反而會更低效,所以細胞不可能長得很大。
圖:動物細胞基本結構


那細胞越小越高效嘍?也不是,原因還是物質交換。細胞生存需要氧、二氧化碳、碳水化合物等分子進出細胞,總得比這些分子大吧?細胞的內部還要有處理各種化合物的酶。原子和分子的大小是無法改變的,所以每一個轉化酶分子團都要佔用直徑50納米的球形空間。一個細胞內有多少種酶和蛋白質呢?最簡單的支原體也有500到1000種。所以,細胞要是太小了根本裝不下這麼多東西。
圖:細胞中的一種酶

那一個細胞長多大合適?就現在的大小——直徑10微米,最合適。因為這是大自然幾十億年優化篩選得到的最佳方案。

最大的細胞

一些特殊的細胞可以長得很大。人類最大的細胞是女性的卵細胞,直徑0.1毫米,眼神兒好的不用顯微鏡就能看到它。

人類最長的神經細胞有一米多長,肌肉纖維細胞長度也是釐米級的,當然啦,它們都非常細,體積遠不如卵細胞。其它動物中,鴕鳥的卵細胞直徑有5釐米,一些魚類的更大。瞧,這些細胞長這麼大是因為它們在動物身體中有特殊使命,普通組織細胞完全沒有這個必要。植物中,有些單細胞藻類能長到直徑五釐米以上,比如一種外號“水手的眼球”的藻類。


圖:“水手的眼球”,學名:球法囊藻

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純野生科學家


體細胞不可能太大,因為受到機械力學限制。所以鯨魚只是細胞多,而不是細胞大。


粗略估算一下鯨魚有多少細胞

平均每個人約有37.2萬億。我們可以嘗試通過體重來評估,成年人平均體重62公斤來估算,大約有37,200,000,000,000細胞,大約沒公斤‭600,000,000,000‬個細胞。藍鯨的平均重量約為200噸,簡單估算一下,大約‭120,000,000,000,000,000‬個細胞。當然,這是在忽略人類和藍鯨細胞大小差異的情況下,實際上人類細胞跟鯨的細胞結構還是有差異的。

上圖:人類和一些模式生物的體細胞總數估計。

  • human 人類

  • D.melanogaster

    黑腹果蠅

  • C.elegans

    秀麗隱杆線蟲

上圖:大象細胞總數的估計資料,大約有 3.72*10^15個細胞。剛才我們計算的藍鯨有120*10^15個細胞,應該是合理的。


為什麼細胞不能無限長大

各種生物的細胞通常大小相似。這是因為細胞的大小受到其表面積與體積之比的限制,這不僅因為磷脂膽固醇和蛋白質構成的細胞膜的機械應力有一個上限,而且還由於細胞膜的生物化學機制所決定。細胞需要通過細胞膜來與外界進行生物化學的原料和廢物的交換。這些生化反應的原料通過細胞膜進入細胞,廢物也通過細胞膜排出。細胞膜的表面積越大,一次可以進入細胞的原料越多,排出的廢物也就越多。但是,隨著細胞尺寸的增加,表面積與體積之比會減小。由於細胞的
每個單位體積需要足夠的原料物質來維護,產生的廢物也需要儘快排出,因此細胞的物質交換效率會因為細胞膜表面積與細胞尺寸體積比逐漸變小而急劇降低,細胞膜表面積與細胞體積之比成為了細胞尺寸的限制因素。所以細胞沒法無限長大。這就像越深的湖湖底的水就越容易缺氧。

上圖:表面積與體積比

上圖:細胞物質交換受到表面積與體積比的限制。



一些典型細胞的尺寸清單

  • 0.15-0.25µm(微米)——小細菌,如支原體

  • 1-10µm是原核生物的一般大小

  • 1m——人神經細胞過程直徑

  • 2µm——大腸桿菌-細菌

  • 3µm——線粒體尺寸

  • 5µm——葉綠體直徑為

  • 6µm(3-10µm)——細胞核

  • 9µm——人紅細胞

  • 10-30µm——大多數真核動物細胞

  • 10-100µm——大多數真核植物細胞

  • 90µm——小變形蟲

  • 100µm——人類卵子

  • 巨核細胞最高可達160µm

  • 巨型瑪格麗塔硫細菌最高可達500µm,

  • 大型變形蟲最高可達800µm

  • 魷魚巨神經細胞直徑1000µm(1mm)

  • 巨型變形蟲Gromia Sphaerica直徑最高可達40000µm(40mm)

  • 鴕鳥蛋直徑120000 µm(12釐米)

  • 3000000µm(3m)——長頸鹿脖子神經細胞的長度

上圖:生物細胞的一般上下限。下限,最小的細菌0.1-1.0微米,上限,真核細胞10-100微米,(動物的羊膜卵和一些特殊物種除外)。



總結

鯨類的細胞不會因為身體的長大而等比例長大,這是細胞生理所決定的。


小宇堂


鯨魚體格龐大是形成它身體的細胞多,而不是細胞大。因為當細胞長到一定程度時,通過它的表面和周圍環境交換物質的能力有限,也就是細胞生長過程中表面積和體積之比越大物質交換能力越大,反之亦然。所以形成生物體的細胞長到一定程度就再不會生長,生物體體格龐大隻能依靠細胞數目的增加而實現。



歐陽紅樹


當然是細胞大了,你還不知道嗎??蚊子細胞只有大象細胞的萬分之一大小,更是比鯨魚🐳細胞小的多。

事實上,構成螞蟻等小東西的原子都小的多


水深火熱的星球


是因為細胞多。

圖示:地球上生存過的最大動物藍鯨。


生物學家研究了許多種生命形式的細胞,無論是植物還是動物,除了在胚胎髮育的特殊時期(如整個未受精的鴕鳥蛋就是一個細胞這樣的特殊情況),以及一些特化的細胞,如神經元(坐骨神經可以長一米)等,其餘細胞的大小都高度相似。


這是因為單個細胞的大小受到自然因素的限制,不是想長多大就能長多大。大多數細胞要麼是方的要麼是圓的,它們的大小受到一個數學比值的影響:表面積/體積

圖示:發育中的胚胎球


讓我們用一個圓球為例,看看隨著直徑的增加,圓球的表面積與體積之比會發生什麼變化。

圓球的表面積計算公式為:

S = 4πr^2 (4*圓周率*半徑的平方)

圓球的體積計算公式為:

V = (4πr^3)/3(4/3 * 圓周率*半徑的立方)

因此,圓球的表面積與體積之比為:

S/V = 3/r

圖示:隨著半徑的增大,球體的表面積與體積之比會迅速下降


圖示:複雜的細胞膜,各種物質通過細胞膜上的特殊通道進入細胞內部,或者通過細胞膜滲透進入。


細胞的生存時時刻刻都依賴著外來的營養物質,對於需要氧氣的細胞來說,還額外需要氧氣的滲透和擴散,此外細胞產生的廢物也需要及時運出細胞。正是因為這些原因,限制了細胞的大小。細胞的表面積越大,物質進出細胞的速度就越快,細胞的體積越大需要的物質就越多。雖然隨著細胞的增大,細胞的表面積就越大,但表面積的增長遠遠跟不上細胞體積的增長,最終細胞的大小會被限制在一個狹小的範圍內。只有那些長得很奇怪的細胞才能例外,比如超長的神經元。


細菌通常很小是因為它們主要依靠簡單擴散吸收營養物質並排出廢物,它們的大小為為0.2到10微米。細菌的細胞需要很大的表面積/體積比值,才能從環境中吸收到足夠的營養。動植物的細胞的大小通常在2~100微米之間,是因為動植物細胞上有特定的蛋白質幫助物質進出,但即便如此,圓球狀的細胞長到大約100微米也就到了極限


那麼組成一支成年藍鯨,到底需要多少細胞呢?

鑑於動物細胞的大小相似,那麼不妨用人類的數據套用到藍鯨上,因為估算人類的細胞是研究得最多的,得到的數據也相對更加準確。一個體重100公斤的成年人,大概擁有3.7±0.8×10^13個細胞。而最大的藍鯨的體重大約為200噸,1噸等於1000公斤,一頭這樣的藍鯨相當於2000個體重100公斤的成年人,其擁有的細胞數量大約為6.4±1.6×10^16個細胞,當然,這樣的估算並不靠譜,只不過可以給我們一些印象。


巨獸擁有更高細胞,這需要更多次細胞分裂,而細胞分裂的次數越多,就越容易癌變,所以它們為什麼沒有很早就得癌症死去?

圖示:大象擁有的細胞數量比人類多幾十倍,平均壽命也和人類相似,這意味著大象有特殊的抗癌秘訣


第一個想到這個問題的科學家是佩託(pteo),因此這個問題又被稱為pteo悖論。2015年,佩託終於找到合夥人研究了自己提出的這個悖論,部分答案已經揭曉,原來大象的基因組中擁有40個可

抑制細胞癌變的基因TP53,而我們人類只有兩個,一個來自媽一個來自爹。不幸的是只要有一個TP53基因發生突變,都會嚴重影響細胞是否癌變。


所以,藍鯨這樣的龐然大物,不僅擁有更多的細胞,還有更多的抗癌基因被它們的身體健康保駕護航呢。

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裸猿的故事


雞蛋是一個細胞,夠大吧


薛松老師


鯨魚長的大是因為細胞多,而不是因為細胞大。一般人不可能去做這樣的研究,但我們可以從身邊的動物身上了解這方面的知識。鯨魚屬於哺乳動物,和牛、馬的基本結構是很相似的。一頭牛和一隻老鼠,雖然體型差別很大,但它們擁有同樣大小的細胞。都是我們無法用眼直接看到的。再者說,細胞作為生命的基本結構和功能單位,雖然很精密,但相對生物體來說還是太簡單了,主要通過滲透作用進行物質交換,沒有呼吸、消化、循環、排洩等器官的輔助,所以細胞也不可能長的太大。


歲月獨舞


體格大的是因為細胞數量多。相反,肌肉發達的,是因為肌肉纖維粗,施瓦辛格的纖維數量和瘦猴子一樣多


0930勇敢的心


能問出這個問題的將來都有傑出科學家的潛質。贊一個先。

大概率的答案是細胞多,而不是細胞大。這是由細胞功能決定的。

當然鯨魚的細胞在進化過程中估計是有些特殊的。別的不說就說陸地最大的動物大象。它的細胞就不一樣,大象的細胞基本不突變,所以大象不得癌症。那麼鯨魚的細胞是否也這樣?我沒有查文獻,所以不敢亂說。


小強小強往前衝


除了卵細胞大一些,其他細胞應該差和其他動物不多大


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