La limitazione primaria sulla dimensione a cui una singola cella può crescere è un principio matematico chiamato rapporto superficie-volume. mano a mano che le dimensioni di un oggetto tridimensionale crescono, il suo volume aumenta più rapidamente rispetto alla sua superficie, che causa problemi metabolici per le cellule. Inoltre, la quantità di citoplasma che il nucleo può contenere e le limitazioni strutturali sulla cellula impediscono loro di essere più grandi.
Le cellule sono unità metaboliche discrete. Devono essere in grado di assorbire risorse ed espellere rifiuti ed energia. L'unico posto in cui una cellula può farlo è lungo la sottile membrana simile ad una pelle che lo circonda. Quando il volume della cellula aumenta di dimensioni, deve acquisire ed espellere più sostanze; tuttavia, poiché il volume aumenta più rapidamente rispetto all'area della superficie, esiste un limite alla quantità di diffusione che può entrare o uscire da una cella.
Il nucleo di una cellula è essenzialmente una piccola sfera all'interno di una sfera più grande. Poiché il nucleo deve diventare più grande per controllare una cellula più grande, il nucleo è anche suscettibile al problema del rapporto superficie-volume. Questo limita la dimensione del nucleo, che a sua volta limita le dimensioni dell'intera cella.
Mentre la membrana esterna di una cellula protegge bene la cellula a livello microscopico, le grandi cellule richiedono membrane eccezionalmente spesse. Poiché queste membrane si addensano abbastanza per contenere cellule più grandi, soffrono di una diminuzione della permeabilità.
