本文参加百家号#科学了不起#系列征文赛。
我们的周围充满了细菌,即使在人的体内,细菌也大量存在,然而,即使在我们面前放了一粒目前已知最大的细菌,我们也会显得十分茫然——细菌在哪?
无论怎样,我们都必须通过显微镜才能发现细菌的踪迹,所以我们不得不考虑:为什么没有体积能被肉眼可见的细菌?如果人类能创造一种细菌,它的体积就像鲸鱼一样大,这样的可能性存在吗?事实上,早就有科学家构想过这样的情况,但可惜的是,其可能性为零。
超过体积限制,则无法呼吸
首先我们得知道细菌是如何呼吸的,与很多生物一样,细菌也要消耗氧气来维持生命,细菌的内部也会产生二氧化碳,但由于细菌没有口器,没办法进行意义上的呼吸,只能依靠气体在体内扩散的方式,将氧气与二氧化碳进行置换,以此来达到呼吸的目的。但这样气体扩散的呼吸方式一般也只会出现在小体积的细菌身上,如果一个细菌的体积像一只鲸鱼般大小,这样的呼吸方式可能就没用了。
我们不如这样对比,将某个东西放大十倍,则意味着其表面积将增加倍,体积也将增加倍。所以对比一个普通细菌和一只鲸鱼,就会发现细菌相对于自身的体积,其表面积比鲸鱼会大出近万倍。虽然看起来表面积增加了,细菌也更容易呼吸了,但由于体积增大,这一大块细菌做一次呼吸将花费非常久的时间,因为氧气和营养物质无法有效的供给到细菌的任意角落,这块像鲸鱼一样大的细菌根本无法存活。
现在的样子
所以现在的生命通过多细胞结构避免了这个问题,因为多细胞生命是由无数个细胞组成的,而每一个小细胞的体积都很小,营养扩散的情况就会更好。并且细胞的增多也会出现不同的分工,从而产生不同的结构功能,比如有的细胞群专注于宿主的消化系统,有的细胞群更专注生殖系统。为了吸收更多的营养,细胞只能在不影响自身大小的同时,进化出孔、隧道或折叠等形状,只为了能更好地在生物内部发生扩散。
在这样的情况下,器官的表面积实际上非常大,以人体为例,如果皮肤的表面积是2平方米,那么肺部的表面积将会是70平方米。因为肺不像气球,其实更像海绵,里面充满了许多紧密包裹的细小气球。人体在呼吸时,这些小气球会充满新鲜空气,吸气时,充满二氧化碳的血液被送到小气球周围,同时氧气会扩散到血液里,被红血球吸收,二氧化碳再从血液中扩散出来,再次进入肺部,如此循环正是人体的呼吸。
人体的其它器官也都是类似这样的协作方式,所以这样的多细胞结构组成的生命,是不是比一大块细胞要合适多了?当然这些物质通过细胞扩散的基本原理都差不多,即使度过数十亿年,也没有发生太大变化。或许这也暗示了世界上没有像鲸鱼那么大的细菌的原因:生命是会朝向积极方向进化的,如果数十亿年的时间,仅仅是体型的变大,那么进化这两个字,显得也就太低级了。