“我不长大，是因为我天生就长不大”

说到“细胞”，大家的第一反应就是“小”。

英国物理学家胡克利用显微镜观察软木切片时发现许多密集排布的蜂窝状小室，为此取名“cell”，这是细胞英文名的来源。近代数学家/植物学家李善兰在翻译《植物学》一书时将之译为细胞，意味着“小的胞体”，“细”正是李善兰老家浙江海宁方言中的“小”。无论是英语的“小室”还是中文的“细胞”，无不说明细胞的微小。

不但体积微小，细胞还长不大，人体由高达100多种、总数45万亿-60万亿的细胞组成，这些细胞基本不能被肉眼观察到。而我们能够发育成长不是因为细胞变大了，而是因为细胞变多了。

其实这是一个数学问题，同时也是个管理问题。

如果用人类世界来类比，一个细胞就是一个“帝国”。

细胞由细胞核（原核细胞为拟核）、细胞质和细胞膜组成，分别对应着帝国的都城、国土和国界。

细胞核是遗传物质DNA的所在地，细胞核作为这个国家的都城，是整个国家的政治中心，DNA就像皇帝一样坐镇都城并控制整个细胞的生理活动。细胞的绝大部分体积是细胞质，细胞质也是细胞各类生物化学反应和生理活动的主要发生场所。细胞膜相当于国界，细胞内外的物质运输和信息交流活动需要通过细胞膜实现，细胞膜上的载体蛋白就像这个国家的边境口岸，物质运输和信息交流的效率取决于国界线和边境口岸的多少。

细胞的这些特性，决定了它是一名精明的“会计”和出色的“管理者”。细胞之所以无法无限长大，正是因为同时面对着“经济问题”和“管理问题”。

细胞体积越大，支撑细胞生存所需的营养物质和能量也就越多，那么就需要更大的细胞膜面积和细胞膜蛋白。这就要涉及到一个数学问题，细胞的膜面积和体积并不是成比例增加的，细胞的相对表面积是指细胞的表面积和体积的比例。

如果将细胞看作一个边长为r的立方体，根据立方体的表面积（S = 6r²）和体积公式（V= r³）得知，细胞的相对表面积等于6/r，与边长成反比。也就是细胞体积越大，相对表面积越小。

细胞体积增大导致细胞对物质和能量的需求增加，但是体积增加也导致从细胞膜向内运输物质和传递信息的距离增加，带来的影响就是体积增大，物质运输效率降低，信息传递效率越低。物质通过扩散或者经马达蛋白沿着细胞骨架向内运输，而远距离运输导致能耗大幅增加，运输成本和效率均增加。

细胞生存需要合适的相对表面积。为此，作为“会计”的细胞会综合考量“成本和收益”，细胞不能无限长大是为了满足细胞体积日益增长对物质和能量的极大需求与信息交流和物质运输效率随体积不断下降之间的矛盾。

如果细胞无限增大，那么生命活动所需要的物质无法及时运达，细胞产生的有害物质无法及时排出，细胞外部受到的损害也无法及时传达给内部。所谓兵马未动，粮草先行。如果细胞王国的物质运输和信息交流得不到保障，就等同于行军打仗时粮草物资得不到供应，边境战况不能及时获悉传达，结果可想而知。

为此，在自然界，一些体积比较大的细胞会通过多种方式增加相对表面积。如人体中最长的细胞为神经细胞，其长度可达一米多，神经细胞形成细而薄的纤维状结构增大表面积，从而实现神经信号的高效传递。免疫细胞的巨无霸-巨噬细胞，通过伸出伪足扩大表面积，实现免疫吞噬功能。

细胞一方面当“会计”抓经济建设（用合适的表面积均衡体积和物质运输效率），一方面做管理保障上行下达的有效沟通——这就是DNA对生命活动的强有力且有效的控制。

DNA可以通过控制蛋白质的合成来控制细胞生理功能，这其中就包括细胞体积的控制。

细胞绝大部分功能的实现需要蛋白质参与完成。不过，蛋白质并不接受DNA的直接管理，DNA（皇帝）通过转录将信息传达给RNA（外派的传旨官员），RNA再按照DNA的指示指导核糖体（地方官吏）合成蛋白质（百姓）。要想指挥更多的蛋白质干活，不仅需要DNA转录更多的RNA，还需要核糖体数量足够且活性足够高。为此，基因组DNA含量高且核糖体活性高的细胞蛋白质含量高，有更多的蛋白质负责干活，细胞的体积也会相应增大。

如果一个王朝皇帝掌控力强（DNA含量高，转录出的RNA多），手下人足够多且积极响应（核糖体足够且活性高），那么才能召集更多的百姓（蛋白质）开疆拓土和建设国家。

细胞的体积与其基因组DNA含量有关的例子在自然界比比皆是。一般来说，细菌等原核生物基因组DNA少，体积较小（直径在0.5—5um），动物等真核细胞的基因组DNA多，细胞体积也较大（直径在10—100um）。具有多个细胞核的巨核细胞、骨骼肌细胞体积相比其他体细胞大很多，我们平时吃的草莓为八倍体（一个细胞中有八个染色体组）相比原始二倍体草莓具有更大的细胞体积和个头。

一项发表在《科学》杂志上的研究表明，细胞内抑制细胞分裂的蛋白质Rb蛋白含量并不随着细胞体积增长等比例增长，细胞体积增大将导致这些蛋白质的浓度下降，一旦抑制细胞分裂的蛋白质浓度下降到一定的限度，细胞周期就从G1到S期转变。细胞在S期发生DNA精准复制，细胞继续分裂就会像分家一样一分为二。

也有科学家发现类似的结论：无论细胞的初始体积有多大，一种名为KRP4的蛋白质的含量是一定的，KRP4的作用是将细胞周期阻滞在G1期，延迟S期的到来。随着细胞体积增大，KRP4浓度下降，到了一定的限度就会诱发细胞分裂。

相反，细胞没有增长到足够大小则无法引发分裂，有科学家通过切除变形虫的部分伪足阻止细胞生长，发现变形虫细胞周期阻滞在G1期，当变形虫生长到足够大小后才向S期转变。而对于不增殖的细胞，有研究发现，细胞过度生长后，DNA会重塑其蛋白质组，增加衰老相关蛋白的表达，从而诱发细胞衰老和凋亡。

看来细胞真的对自己的能力有着清晰的认识，不做自己能力范围之外的事。（如果要做，就copy一个自己出来一起做）

看到这里你应该明白细胞为什么长不大了，“我不长大，是因为我天生就长不大”。

细胞是一个精明的“会计”和出色的“管理者”，在长期的进化过程中，细胞形成了一套精准控制大小的策略。DNA通过控制蛋白质的表达和分布以控制细胞分裂等生命活动，并且通过保持合适的比表面积实现细胞生长、能量传递和信息交流效率的平衡。

细胞大小控制是胚胎发育和个体生长的关键过程，一旦失衡细胞可能面临着癌变、衰老和死亡。了解细胞大小控制机制不仅可以深化人类对生物体发育过程的认识，而且对医学、生物技术和公共卫生等领域也有深远的影响。

比如癌细胞往往不受正常大小控制机制的限制，研究细胞大小控制有助于癌症等与细胞大小控制异常相关疾病的识别和治疗，并指导相关药物的研发；随着年龄的增长，细胞会经历大小和功能的变化。研究细胞大小控制可能有助于揭示衰老的生物学基础，也许有助于帮助科学家开发延缓衰老过程的方法。

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