“我不長大，是因爲我天生就長不大”
說到“細胞”，大家的第一反應就是“小”。
英國物理學家胡克利用顯微鏡觀察軟木切片時發現許多密集排布的蜂窩狀小室，爲此取名“cell”，這是細胞英文名的來源。近代數學家/植物學家李善蘭在翻譯《植物學》一書時將之譯爲細胞，意味着“小的胞體”，“細”正是李善蘭老家浙江海寧方言中的“小”。無論是英語的“小室”還是中文的“細胞”，無不說明細胞的微小。
不但體積微小，細胞還長不大，人體由高達100多種、總數45-60萬億的細胞組成，這些細胞基本都不能被肉眼觀察到。而我們能夠發育成長不是因爲細胞變大了，而是因爲細胞變多了。
那細胞爲什麼長不大呢？如果能無限長大會如何？
其實這是一個數學問題，同時也是個管理問題。
（下文會出現很多比喻，選擇這些比喻的目的是幫助讀者理解生物學原理，未必十分恰當，領會精神就好——編者注）
一個細胞就是一個“帝國”
如果用人類世界來類比，一個細胞就是一個“帝國”。
細胞由細胞核（原核細胞爲擬核）、細胞質和細胞膜組成，分別對應着帝國的都城、國土和國界。
細胞的結構（圖片來源：滬教版高中生物必修一《分子與細胞》）
細胞核是遺傳物質DNA的所在地，細胞核作爲這個國家的都城，是整個國家的政治中心，DNA就像皇帝一樣坐鎮都城並控制整個細胞的生理活動。細胞的絕大部分體積是細胞質，細胞質也是細胞各類生物化學反應和生理活動的主要發生場所。細胞膜相當於國界，細胞內外的物質運輸和信息交流活動需要通過細胞膜實現，細胞膜上的載體蛋白就像這個國家的邊境口岸，物質運輸和信息交流的效率取決於國界線和邊境口岸的多少。
細胞的這些特性，決定了它是一名精明的“會計”和出色的“管理者”。細胞之所以無法無限長大，正是因爲同時面對着“經濟問題”和“管理問題”。
細胞生存經濟學
細胞體積越大，支撐細胞生存所需的營養物質和能量也就越多，那麼就需要更大的細胞膜面積和細胞膜蛋白。這就要涉及到一個數學問題，細胞的膜面積和體積並不是成比例增加的，細胞的相對錶面積是指細胞的表面積和體積的比例。
如果將細胞看作一個邊長爲r的立方體，根據立方體的表面積（S = 6r²）和體積公式（V= r3）得知，細胞的相對錶面積等於6/r，與邊長成反比。也就是細胞體積越大，相對錶面積越小。
細胞體積增大導致細胞對物質和能量的需求增加，但是體積增加也導致從細胞膜向內運輸物質和傳遞信息的距離增加，帶來的影響就是體積增大，物質運輸效率降低，信息傳遞效率越低。物質通過擴散或者經馬達蛋白沿着細胞骨架向內運輸，而遠距離運輸導致能耗大幅增加，運輸成本和效率均增加。
細胞生存需要合適的相對錶面積。爲此，作爲“會計”的細胞會綜合考量“成本和收益”，細胞不能無限長大是爲了滿足細胞體積日益增長對物質和能量的極大需求與信息交流和物質運輸效率隨體積不斷下降之間的矛盾。
如果細胞無限增大，那麼生命活動所需要的物質無法及時運達，細胞產生的有害物質無法及時排出，細胞外部受到的損害也無法及時傳達給內部。所謂兵馬未動，糧草先行。如果細胞王國的物質運輸和信息交流得不到保障，就等同於行軍打仗時糧草物資得不到供應，邊境戰況不能及時獲悉傳達，結果可想而知。
爲此，在自然界，一些體積比較大的細胞會通過多種方式增加相對錶面積。如人體中最長的細胞爲神經細胞，其長度可達一米多，神經細胞形成細而薄的纖維狀結構增大表面積，從而實現神經信號的高效傳遞。免疫細胞的巨無霸-巨噬細胞，通過伸出僞足擴大表面積，實現免疫吞噬功能。
《工作細胞》各類細胞身高/直徑大小（最右爲巨噬細胞）
巨噬細胞伸出僞足增大表面積（圖片來源：滬教版高中生物選擇性必修一《穩態與環境》）
細胞生存管理學
細胞一方面當“會計”抓經濟建設（用合適的表面積均衡體積和物質運輸效率），一方面做管理保障上行下達的有效溝通——這就是DNA對生命活動的強有力且有效的控制。
真核細胞相比原核細胞和病毒基因組和體積更大（圖片來源：知乎-科學學習）
DNA可以通過控制蛋白質的合成來控制細胞生理功能，這其中就包括細胞體積的控制。
細胞絕大部分功能的實現需要蛋白質參與完成。不過，蛋白質並不接受DNA的直接管理，DNA（皇帝）通過轉錄將信息傳達給RNA（外派的傳旨官員），RNA再按照DNA的指示指導核糖體（地方官吏）合成蛋白質（百姓）。要想指揮更多的蛋白質幹活，不僅需要DNA轉錄更多的RNA，還需要核糖體數量足夠且活性足夠高。爲此，基因組DNA含量高且核糖體活性高的細胞蛋白質含量高，有更多的蛋白質負責幹活，細胞的體積也會相應增大。
如果一個王朝皇帝掌控力強（DNA含量高，轉錄出的RNA多），手下人足夠多且積極響應（核糖體足夠且活性高），那麼才能召集更多的百姓（蛋白質）開疆拓土和建設國家。
細胞的體積與其基因組DNA含量有關的例子在自然界比比皆是。一般來說，細菌等原核生物基因組DNA少，體積較小（直徑在0.5—5um），動物等真核細胞的基因組DNA多，細胞體積也較大（直徑在10—100um）。具有多個細胞核的巨核細胞、骨骼肌細胞體積相比其他體細胞大很多，我們平時喫的草莓爲八倍體（一個細胞中有八個染色體組）相比原始二倍體草莓具有更大的細胞體積和個頭。
不過，細胞作爲出色的管理者，只在自身DNA的管控能力範圍內行使權力，當細胞增長到一定體積時會誘發細胞分裂和衰老事件發生。
細胞週期示意圖（圖片來源：滬教版高中生物必修一《分子與細胞》）
一項發表在《科學》雜誌上的研究表明，細胞內抑制細胞分裂的蛋白質Rb蛋白含量並不隨着細胞體積增長等比例增長，細胞體積增大將導致這些蛋白質的濃度下降，一旦抑制細胞分裂的蛋白質濃度下降到一定的限度，細胞週期就從G1到S期轉變。細胞在S期發生DNA精準複製，細胞繼續分裂就會向分家一樣一分爲二。
也有科學家發現類似的結論：無論細胞的初使體積有多大，一種名爲KRP4的蛋白質的含量是一定的，KRP4的作用是將細胞週期阻滯在G1期，延遲S期的到來。隨着細胞體積增大，KRP4濃度下降，到了一定的限度就會誘發細胞分裂。
相反，細胞沒有增長到足夠大小則無法引發分裂，有科學家通過切除變形蟲的部分僞足阻止細胞生長，發現變形蟲細胞週期阻滯在G1期，當變形蟲生長到足夠大小後才向S期轉變。而對於不增殖的細胞，有研究發現，細胞過度生長後，DNA會重塑其蛋白質組，增加衰老相關蛋白的表達，從而誘發細胞衰老和凋亡。
看來細胞真的對自己的能力有着清晰的認識，不做自己能力範圍之外的事。（如果要做，就copy一個自己出來一起做）
結語
看到這裏你應該明白細胞爲什麼長不大了，“我不長大，是因爲我天生就長不大”。
細胞是一個精明的“會計”和出色的“管理者”，在長期的進化過程中，細胞形成了一套精準控制大小的策略。DNA通過控制蛋白質的表達和分佈以控制細胞分裂等生命活動，並且通過保持合適的比表面積實現細胞生長、能量傳遞和信息交流效率的平衡。
細胞大小控制是胚胎髮育和個體生長的關鍵過程，一旦失衡細胞可能面臨着癌變、衰老和死亡。瞭解細胞大小控制機制不僅可以深化人類對生物體發育過程的認識，而且對醫學、生物技術和公共衛生等領域也有深遠的影響。
比如癌細胞往往不受正常大小控制機制的限制，研究細胞大小控制有助於癌症等與細胞大小控制異常相關疾病的識別和治療，並指導相關藥物的研發；隨着年齡的增長，細胞會經歷大小和功能的變化。研究細胞大小控制可能有助於揭示衰老的生物學基礎，也許有助於幫助科學家開發延緩衰老過程的方法。
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作者簡介
胡志國，中國科學院生物化學與分子生物學專業博士，抗腫瘤醫藥研究員/教師/科普工作者。
