大象很大,比人类大无数倍。但它的庞大来源于超过一万亿个微小的细胞。在微小的尺度上,很可能存在数百万种单细胞生物,但能用肉眼看见的却少之又少。为什么会这样呢?为了解决这个问题,我们必须了解细胞内部的结构。
细胞由细胞膜包裹住,细胞膜是进出细胞的出入口。任何细胞所需的物质或是需要被排除的废弃物,都必须通过这层细胞膜。这也涉及到一个生物学的悖论,即细胞的表面积和提及的增长速率不同。
细胞形状各有不同,但将它们想象成立方体在数学上会好计算些。一个立方体有六个面,它们代表了细胞膜并构成其表面积,立方体边长为1微米,则其总表面积为6平方微米,体积为1立方微米。每1单位的体积就有6单位的表面积比例为6:1。但是如果放大十倍,就有很大不同比例为0.6:1。随着体积增长速率远大于表面积增长速率,相比之下过小的表面积似的物质不能足够快地进出细胞,因此较大细胞内会滞留废物,最终死亡并分解。
拥有大量较小细胞还有一个好处,如果一个细胞被刺穿或感染或毁灭了也不会太心疼。然而也有一些特别大的细胞,通过各种适应机制,钻了空子。例如人体最长的的细胞,从脊骨底部一直延伸至脚的神经元,为了抵偿长度,它非常细直径只有几微米。又或者是小肠中的绒毛,他们折叠成小指头状,每一根荣傲都由有着高度折叠的细胞膜的细胞组成。
但是单细胞生物呢?杉叶蕨藻是一种能长到30厘米长的绿藻,它被公认为世界上最大的单细胞生物,得益于其独特的生物外挂,它有一种蕨叶状结构能增大其表面积,它借助光合作用来收集可作为食物的分子。并且它是多核的,因此它更像是多细胞生物,只不过细胞之间没有隔膜。
然而即使最大的单细胞生物也有极限,没有一种能长得像大象或者鲸鱼的单细胞生物。