La principale limitation de la taille à laquelle une seule cellule peut croître est un principe mathématique appelé rapport surface/volume. À mesure que la taille d'un objet tridimensionnel augmente, son volume augmente plus rapidement que sa surface, ce qui provoque des problèmes métaboliques pour les cellules. De plus, la quantité de cytoplasme que le noyau peut contenir et les limitations structurelles de la cellule les empêchent également d'être plus gros.
Les cellules sont des unités métaboliques discrètes. Ils doivent être capables d'absorber les ressources et d'expulser les déchets et l'énergie. Le seul endroit où une cellule peut le faire est le long de la fine membrane cutanée qui l'entoure. À mesure que le volume de la cellule augmente en taille, elle doit acquérir et expulser plus de substances ; cependant, comme le volume augmente plus rapidement que la surface, il y a une limite à la quantité de diffusion qui peut avoir lieu dans ou hors d'une cellule.
Le noyau d'une cellule est essentiellement une petite sphère dans une sphère plus grande. Parce que le noyau doit devenir plus gros pour contrôler une cellule plus grande, le noyau est également sensible au problème du rapport surface/volume. Cela limite la taille du noyau, qui à son tour limite la taille de la cellule entière.
Alors que la membrane externe d'une cellule protège bien la cellule à un niveau microscopique, les grandes cellules nécessiteraient des membranes exceptionnellement épaisses. Comme ces membranes s'épaississent suffisamment pour contenir des cellules plus grosses, elles souffrent d'une perméabilité réduite.
