谁是微生物中的“巨人”？

近日，法国科学家从加勒比海红树林滩涂中分离出了一种叫做华丽硫珠菌（巨大嗜硫珠菌）的新型细菌，它的尺寸达到了惊人的2厘米，肉眼轻松可见。细菌长到跟蠕虫一样的大小，确实令人咋舌。

巨大嗜硫珠菌（白色亮线）与硬币的对比

（图片来源：参考文献5）

那么，我们为什么将华丽硫珠菌界定为细菌？它为什么会长到如此巨大的尺寸？其他的微生物中有没有这样的巨无霸存在？想要回答这些问题，我们还得从生物的分类以及各种微生物间的联系与区别说起。

一、最为主流的生物分类方法——三域说

生物的分类对人类而言是非常重要的科学问题，只有正确分类才能更加有效地认识和了解不同生物，从而更好地对它们加以利用或保护。目前在生物学界，比较主流的认知是将生物分为细菌域、古菌域和真核生物域三大类，这种分类方式基于核糖体RNA序列，而非单纯依赖各物种间的解剖学特征，具有比较高的科学性。

三域说示意图

（图片来源：参考文献2）

值得一提的是，病毒不属于上述任何一个类别。这是因为病毒不具备脱离细胞独立生存的能力，只有在感染细胞后才表现出类似生命的特征，因此在上述分类方式中，病毒往往作为一个非生物的补充而存在。

三域说中细菌域和古细菌域的生物间存在一定的相似性，二者均为单细胞生物，且细胞种类均属于原核细胞。但因为在细胞膜脂质和核糖体RNA等方面存在根本性的差异，细菌和古细菌被分成了两个域，事实上它们的祖先从大约27亿年前就开始了相互独立的演化，可以说是完全不同的两种生物。

需要注意的是，古细菌的名称中虽然带有“古”这个说法，但从进化角度来说，古细菌并非是“古代的细菌”，也并非是现代细菌的祖先。实际上，古细菌在进化上更加接近于真核生物，甚至被广泛地认为是真核生物的祖先。

真核细胞和原核细胞示意图

（图片来源：维基百科）

真核生物中虽然也有结构非常简单的单细胞生物，但本质上来说它们的细胞都是真核细胞，和原核细胞相比，存在结构上的根本区别。真核细胞内含有细胞核，因此获得了真核这一名称。真核细胞中还含有其它细胞器，如线粒体、叶绿体、高尔基体等。相对于真核细胞，原核细胞一般没有细胞内膜、没有核膜包裹的成型细胞核，细胞内无染色体，DNA链未螺旋化，并以游离的形式存在于细胞质中，细胞质内也无任何有膜的细胞器（如线粒体或叶绿体）。

总而言之，真核细胞比原核细胞的结构复杂许多，我们日常生活中所见的各种动植物（当然也包括人类自身）均由真核细胞构成，属于真核生物。

丰富多彩的真核生物

（图片来源：维基百科）

二、微生物巨无霸评选，参赛资格很重要

说完了生物的分类，我们再来看看微生物应当如何分类。微生物是难以用肉眼直接看到的微小生物总称,它们的分类其实并没有公认的说法，也没有足够严谨的生物学依据。

目前，生物学界倾向于将微生物分为如下六种，它们分别是藻类、原生动物、菌类（真菌）、细菌、古细菌以及病毒。这六种微生物中的前面三种属于真核生物域，细菌和古细菌各成一域，病毒则属于非生物。不过，对于我们这些普通人而言，谁都领教过病毒厉害，在我们的日常认知中，也早就把病毒作为微生物的代表了。

必须指出的是，在藻类、原生动物、菌类（真菌）三种真核生物中，虽然不少成员都是不借助显微镜就无法看清的微小生物，但也有很多“巨人”存在。例如真菌中的代表——蘑菇，就很容易长到惊人的体型。例如，我国科学家曾经在2018年发现过一株号称地球上最大真菌的蘑菇，它的长度达到了12米之巨。

然而，现有的文献中曾报道过，1998年美国林业局的科学家们在俄勒冈州发现了一株奥氏蜜环菌（Armillaria ostoyae）。通过不同位置的DNA测定结果，这株真菌的个体占地890公顷，可能已在森林中生长了约2400年。

也许有人会说，蘑菇是多细胞真菌，长到很大并不稀奇。这话没错，但很多单细胞藻类和单细胞原生动物也能长到完全不好意思说自己是微生物的程度。比如高中生物课本上提到过的伞藻，就是一种单细胞藻类，它的细胞核位于基部，周围生有假根，向上伸出“帽”和“柄”等结构。伞藻的尺寸其实就有2到5厘米之巨，已经跟微生物不沾边了。而更加夸张的一些单细胞藻类和单细胞原生动物，可以达到数十厘米甚至数米长。

几种巨大的单细胞生物，左起分别是球法囊藻、衫叶蕨藻、伞藻

（图片来源：维基百科）

当然，一般这样巨大的单细胞物种，其实细胞内部并不止有一个细胞核，而是多个细胞核间形成一种所谓的“合胞体”形态。之所以说它们是单细胞物种，是因为组成它们身体的结构内部，确实没有细胞壁或者细胞膜一类分离开不同细胞的结构。

如此说来，真正的微生物巨无霸也就只能在细菌、古细菌和病毒中进行选拔了。

三、颠覆认知的微生物巨人们

先来看细菌，在本次的超级巨型细菌被发现之前，世界上最大的细菌（体积）一直由纳米比亚嗜硫珠菌保持。1999年，这种细菌被发现于纳米比亚大陆架的海洋沉淀物中。它的平均直径为0.1到0.3 毫米，最大的个体甚至达到接近1毫米，大到可用肉眼观察。而我们非常熟悉的大肠杆菌，长度不过是几个微米，两者体积相差上千倍。

本次发现的巨大嗜硫珠菌，直接将之前的记录刷新了数千倍，它们的长度可以达到夸张的2厘米。不仅肉眼可见，更能用镊子轻松夹起，形态上和人类睫毛差不多。假如用成人的身高来类比普通细菌的大小，巨大嗜硫珠菌的高度就是珠穆朗玛峰，是普通细菌的5000倍以上。

巨大嗜硫珠菌（A/B）与大肠杆菌的尺寸对比 （图片来源：参考文献1）

与普通细菌相比，巨大嗜硫珠菌的DNA尺寸更大，遗传信息数量大约是大肠杆菌3倍。身为原核生物的它并没有真核生物一样的细胞核结构，但在其细胞内部，具有多个承载着DNA的小型类细胞器。在这些DNA“核心”周围，蛋白质大量合成，从而成长为巨大的尺寸。它的发现者们最初压根儿没想过这是一种细菌，但经过DNA检测，证实了这种庞然大物确实是独立个体。

古细菌大部分是生活在极端环境中的嗜极生物，一般人对它们的了解并不多。目前最大的古细菌，尺寸大约是十几个微米，最大的杆状古细菌长度可以达到近100微米（0.1毫米）。不过可能是受到生存环境的制约，人类到目前为止还没有发现堪称“巨大”的古细菌种类。

古细菌是深海热泉的常客 （图片来源：维基百科）

病毒结构简单，缺乏细胞外独立生存能力，也因此被排除在三域说之外。结构简单当然意味着尺寸微小，正是因为这个原因，病毒的发现比细菌晚了数百年。在电子望远镜发明后，人类才真正观察到了病毒。以新冠病毒为例，它的尺寸仅有120个纳米，体积上来说是大肠杆菌的几百分之一。不过近年来，不少巨型病毒被相继发现，也大大颠覆了人类之前对于病毒的认知。

2003年，法国科学家发现了米米病毒（Mimivirus），其尺寸大约达到400个纳米，它的发现也标志着巨大病毒开始进入到人类的视野。目前，人类发现的最大病毒是在2014年报道的阔口罐病毒。这种病毒属于双链DNA病毒，发现于西伯利亚冻土冰芯样品中，最大长度接近2微米，直径也达到0.5微米。外型上来看非常像古罗马时期使用的阔口陶罐，因此得名。解冻后的阔口罐病毒具有感染变形虫并致其死亡的能力，因此除了尺寸具有话题性，人们也对全球变暖导致永冻土解冻后释放未知病原体的可能产生了前所未有的担忧。

阔口罐病毒和新冠病毒（右）的尺寸对比

（图片来源：维基百科）

从某种角度来说，微生物们是地球真正的主人，它们出现在地球的每一个角落。从炽烈的深海热液喷口，到冰封千万年的永久冻土，微生物们顽强地生息繁衍，最终在地球能量和物质循环中扮演了关键角色。地球塑造着微生物，微生物又反过来塑造地球。它们在进化上堪称神奇的多样性，让人类不断突破对“生物”这一概念的认知。或许，将来还会有更加巨大的微生物来刷新微生物巨无霸榜单。

参考文献

A centimeter-long bacterium with DNA contained in metabolically active, membrane-bound organelles

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abb3634

第30回 27億年前の「ご先祖様」が体内にバクテリアを取り込むまで

https://gendai.ismedia.jp/articles/-/73944

没有显微镜还想观察细胞？这些“巨无霸”单细胞生物能满足你

https://tech.sina.com.cn/roll/2020-01-06/doc-iihnzhha0600724.shtml

世界最大のウイルス「ピソウイルス」の詳細な構造を低温電子顕微鏡で解析

https://www.nips.ac.jp/release/2017/11/post_352.html

Largest known bacteria in the world are visible to the naked eye

https://www.newscientist.com/article/2325909-largest-known-bacteria-in-the-world-are-visible-to-the-naked-eye/

出品：科普中国

制作：郭菲（烟台大学）

监制：中国科普博览

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