細胞生物學

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細胞生物學(cell biology)是在顯微、亞顯微和分子水平三個層次上,研究細胞的結構、功能和各種生命規律的一門科學。細胞生物學由Cytology發展而來,Cytology是關於細胞結構與功能(特別是染色體)的研究。現代細胞生物學從顯微水平,超微水平和分子水平等不同層次研究細胞的結構、功能及生命活動。在我國基礎學科發展規劃中,細胞生物學分子生物學神經生物學和生態學並列為生命科學的四大基礎學科。

簡介

細胞生物學

  細胞生物學是以細胞為研究對象,從細胞的整體水平、亞顯微水平、分子水平等三個層次,(斯。諾。美。A11-走在生物醫學的最前沿)以動態的觀點, 研究細胞和細胞器的結構和功能、細胞的生活史和各種生命活動規律的學科。細胞生物學是現代生命科學的前沿分支學科之一,主要是從細胞的不同結構層次來研究細胞的生命活動的基本規律。從生命結構層次看,細胞生物學位於分子生物學與發育生物學之間,同它們相互銜接,互相滲透。   運用近代物理學和化學的技術成就和分子生物學的方法、概念,在細胞水平上研究生命活動的科學,其核心問題是遺傳與發育的問題。

細胞生物學簡史

階段

  從研究內容來看細胞生物學的發展可分為三個層次,即:顯微水平、超微水平和分子水平。從時間縱軸來看細胞生物學的歷史大致可以劃分為四個主要的階段:   第一階段:從16世紀後期到19世紀30年代,是細胞發現和細胞知識的積累階段。通過對大量動植物的觀察,人們逐漸意識到不同的生物都是由形形色色的細胞構成的。   第二階段:從19世紀30年代到20世紀初期細胞學說形成后,開闢了一個新的研究領域,在顯微水平研究細胞的結構與功能是這一時期的主要特點。形態學、胚胎學和染色體知識的積累,使人們認識了細胞在生命活動中的重要作用。1893年Hertwig的專著《細胞與組織》(Die Zelle und die Gewebe)出版,標志著細胞學的誕生。其後1896年哥倫比亞大學Wilson編著的The Cell in Development and Heredity、1920年墨爾本大學Agar編著的Cytology 都是這一領域最早的教科書。   第三階段:從20世紀30年代到70年代,電子顯微鏡技術出現后,把細胞學帶入了第三大發展時期,這短短40年間不僅發現了細胞的各類超微結構,而且也認識了細胞膜線粒體葉綠體等不同結構的功能,使細胞學發展為細胞生物學。De Robertis等人1924出版的普通細胞學(General Cytology)在1965年第四版的時候定名為細胞生物學(Cell Biology),這是最早的細胞生物學教材之一。   第四階段:從20世紀70年代基因重組技術的出現到當前,細胞生物學與分子生物學的結合愈來愈緊密,研究細胞的分子結構及其在生命活動中的作用成為主要任務,基因調控、信號轉導腫瘤生物學、細胞分化凋亡是當代的研究熱點。

顯微鏡的發明與細胞的發現

  沒有顯微鏡就不可能有細胞學誕生。   1.1590 荷蘭眼鏡製造商J.Janssen和Z.Janssen父子製作了第一台複式顯微鏡,儘管其放大倍數不超過10倍,但具有劃時代的意義。   2.1665 英國人Robert Hooke用自己設計與製造的顯微鏡(放大倍數為40-140倍,圖1-1)觀察了軟木(櫟樹皮)的薄片,第一次描述了植物細胞的構造,並首次用cells(小室)這個詞來稱呼他所看到的類似蜂巢的極小的封閉狀小室(實際上只是觀察到到纖維質的細胞壁)。   3.1672,1682英國人Nehemiah Grew出版了兩卷植物顯微圖譜注意到了植物細胞中細胞壁與細胞質的區別。   4.1680 荷蘭人A. van Leeuwenhoek成為皇家學會會員,一生中製作了200多台顯微鏡和500多個鏡頭(圖1-2)。他是第一個看到活細胞的人,觀察過原生動物、人類XX、鮭魚的紅細胞牙垢中的細菌等等。   5.1752 英國望遠鏡商人J. Dollond 發明消色差顯微鏡。   6.1812 蘇格蘭人D. Brewster 發明油浸物鏡,並改進了體視顯微鏡。   7.1886 德國人Ernst Abbe 發明復消差顯微鏡,並改進了油浸物鏡,至此普通光學顯微鏡技術基本成熟。   8.1932 德國人M. Knoll和E. A. F. Ruska描述了一台最初的電子顯微鏡,1940年美國和德國製造出分辨力為0.2nm的商品電鏡。   9.1932 荷蘭籍德國人F. Zernike成功設計了相差顯微鏡(phasecontrast microscope) ,並因此獲1953年諾貝爾物理獎。   10.1981瑞士人G. Binnig和H. RoherI在BM蘇黎世實驗中心(Zurich Research Center)發明了掃描隧道顯微鏡而與電鏡發明者Ruska同獲1986年度的諾貝爾物理學獎。

細胞生物學發展

  19世紀後期顯微技術的改進,生物固定技術(如:Fleming 1882,1884;Canoy 1886)和染色技術的出現極大的方便了人們對細胞顯微結構的認識,各種細胞器相繼被發現,20世紀30年代電子顯微鏡技術的問世,是細胞形態的研究達到了空前的XX。20世紀50年代分子生物學的興起,推動細胞生物學的研究XX了分子水平。

細胞生物學(16張)   1.1831 英國人Robert Brown 發現植物細胞核。   2.1832 比利時人C. J. Dumortier 觀察了藻類細胞分裂,並認為細胞來源於原來存在的細胞。   3.1835 德國人H. von Molh 仔細觀察了植物的細胞分裂,認為是植物的根和芽尖極易觀察到的現象。   4.1835 法國人F. Dujardin 觀察動物活細胞時發現「肉樣質」(Sarcode)。   5.1839 捷克人J. E. Pukinye 用protoplasm這一術語描述細胞物質,「Protoplast」為神學用語,指人類始祖亞當。   6.1841 波蘭人R. Remak發現雞胚血細胞的直接分裂(無絲分裂)。   7.1846 德國人H. von Mohl研究了植物原生質,發表了「identifies protoplasm as the substance of cells」。   8.1848 德國人W. Hofmeister 描繪了鴨跖草Tradescantia的花粉母細胞,明確的體現出染色體,但他沒有認識到之一重要性,40年後德國人H. von Waldeyer因這一結構可被鹼性染料著色而定名為Chromosome。   9.1861 德國人M. Shultze 認為動物細胞內的肉樣質和植物體內的原生質具有同樣的意義。他給細胞的定義是:「the cell is an accumulation of living substance or protoplasm definitely delimited in space and possessing a cell membrane and nucleus。」   10.1864 德國人Max Schultze 觀察了植物的胞間連絲。   11.1865 德國人J. von Suchs 發現葉綠體。   12.1866 奧地利人G. Mendel 發表了對豌豆雜交試驗結果,提出遺傳的分離規律和自由組合規律。   13.1868 英國人T. H. Huxley 在愛丁堡作題為「生命的物質基礎」(the physical basis of life)的演講報告時首次把原生質的概念介紹給了英國公眾。   14.1869 瑞士人F. Miescher 從膿細胞中分離出核酸。   15.1876 德國人O.Hertwig發現海膽的XX現象,其論文題目為「observe the fertilization of a sea urchin egg」。   16.1879 德國人W. Flemming觀察了蠑螈細胞的有絲分裂,于1882年提出了mitosis 這一術語。後來德國人E. Strasburger(1876-80)在植物細胞中發現有絲分裂,認為有絲分裂的實質是核內絲狀物(染色體)的形成及其向兩個子細胞的平均分配,動植物的XX實質上是父本和母本配子核的融合,並於1984提出了Prophase和Metaphase的概念。   17.1882 德國人E. Strasburger 提出細胞質(cytoplasm)和核質(nucleoplasm)的概念。   18.1883 比利時人E. van Beneden 證明馬蛔蟲Ascaris megalocephala配子的染色體數目是體細胞的一半,並且在XX過程中XX和XX貢獻給合子的染色體數目相等。   19.1883 比利時人E. van Beneden和德國人T. Boveri發現中心體。   20.1884 德國人O.Hertwig和E. Strasburger提出細胞核控制遺傳的論斷。   21.1886 德國人A. Weismann 提出種質論。   22.1890 德國人Richard Altmann 描述了線粒體的染色方法,他推測線粒體就像細胞的內共生物,並認為線粒體與能量代謝有關。他還於1889年提出了核酸的概念。   23.1892 德國人T. Boveri和O. Hertwig研究了減數分裂的本質,並描述了染色體聯會現象。   24.1898 義大利人C. Golgi 用銀染法觀察高爾基體。   25.1900 孟德爾在34年前發表的遺傳法則被重新發現。   26.1905 美國人Clarence McClung shows that female mammals have 2 X chromosomes and that males have an X and a Y   27.1908 美國人T. H. Morgan以Drosophila melanogaster為材料開始著名的遺傳學實驗,1910年提出遺傳的染色體理論,1919年發表「遺傳的本質」(Physical Basis of Heredity)。1926年發表「基因學說」(The Theory of the Gene)   28.1910 德國人A. Kossel獲得諾貝爾生理醫學獎,他首先分離出腺嘌呤胸腺嘧啶組氨酸。29. 1935 美國人W. M. Stanley 首次得到煙草花葉病毒的結晶體。   30.1940 德國人G. A. Kausche和H. Ruska 發表了世界第一張葉綠體的電鏡照片。   31.1941 美國人G. W. Beadle和E. L. Tatum提出一個基因一個酶的概念。   32.1944 美國人O. Avery,C. Macleod 和M. McCarthy等人通過微生物轉化試驗證明DNA是遺傳物質。   33.1945 美國的K. R. Porter、A. Claude 和E. F. Fullam發現小鼠成纖維細胞中的內質網。   34.1949 加拿大人M. Bar發現巴氏小體。   35.1951 美國人James Bonner發現線粒體與細胞呼吸有關。   36.1953 美國人J. D. Watson 和英國人F. H. C. Crick提出DNA雙螺旋模型。   37.1955 比利時人C. de Duve發現溶酶體和過氧化物酶體。   38.1955 美國人Vincent Du Vigneaud因人工合成多肽而獲諾貝爾獎   39.1956年,蔣有興(美籍華人)利用徐道覺發明的低滲處理技術證實了人的2n為46條,而不是48條。   40.1957 J. D. Robertson[2]用超薄切片技術獲得了清晰的細胞膜照片,顯示暗-明-暗三層結構。   41.1961 英國人P. Mitchell 提出線粒體氧化磷酸化偶聯的化學滲透學說,獲1978年諾貝爾化學獎。   42.1961-64 美國人M. W. Nirenberg破譯DNA遺傳密碼。   43.1968 瑞士人Werner Arber從細菌中發現DNA限制性內切酶。   44.1970 美國人D. Baltimore、R. Dulbecco 和H. Temin由於發現在RNA腫瘤病毒中存在以RNA為模板,逆轉錄生成DNA的逆轉錄酶而獲1975共享諾貝爾生理醫學獎。   45.1971 美國人Daniel Nathans 和Hamilton Smith發展了核酸酶切技術。   46.1973 美國人S. Cohen和H. Boyer將外源基因拼接在質粒中,並在大腸桿菌表達,從而揭開基因工程的序幕。   47.1975 英國人F. Sanger設計出DNA測序的雙脫氧法。于1980年獲諾貝爾化學獎。此外Sanger還由於1953年測定了牛胰島素的一級結構而獲得1958年諾貝爾化學獎。   48.1982 美國人S. B. Prusiner發現蛋白因子Prion,更新了醫學感染的概念,于1997年獲諾貝爾生理醫學獎。   49.1983 美國人K. B. Mullis發明PCR儀,1987年發表了「Specific synthesis of DNA in vitro via a polymerase-catalyzed chain reaction」,于1993年獲諾貝爾化學獎。   50.1984 德國人G. J. F. Kohler、阿根廷人C. Milstein[3]和丹麥科學家N. K. Jerne由於發展了單克隆抗體技術,完善了極微量蛋白質的檢測技術而分享了諾貝爾生理醫學獎。   51.1989 美國人S. Altman和T. R. Cech由於發現某些RNA具有酶的功能(稱為核酶)而共享諾貝爾化學獎。Bishop和Varmus由於發現正常細胞同樣帶有原癌基因而分享當年的諾貝爾生理醫學獎。   52.1997 多利羊在盧斯林研究所誕生,成為世紀末的重大新聞。多利是Ian Wilmut領導的研究小組克隆的(圖1-3)。   53.1998 美國人T. Wakayama和R. Yanagimachi成功地用凍干XX繁殖出小鼠。   54.2000 世界首例克隆豬在蘇格蘭誕生,是由Alan Coleman領導的研究小組克隆的。   55.2001 美國人Leland Hartwell、英國人Paul Nurse、Timothy Hunt因對細胞周期調控機理的研究而獲諾貝爾生理醫學獎。   56.2002 英國人Sydney Brenner、美國人H. Robert Horvitz和英國人John E. Sulston,因在器官發育的遺傳調控和細胞程序性死亡方面的研究獲諾貝爾諾貝爾生理學或醫學獎。   57.2003 美國科學家Peter Agre和Roderick MacKinnon,分別因對細胞膜水通道離子通道結構和機理研究而獲諾貝爾化學獎。

形成

  從1839年M.J.施萊登和T.A.H.施萬的細胞學說問世以來,確立了細胞(真核細胞)是多細胞生物結構和生命活動的基本單位。但是長期以來,細胞學的研究偏重在結構方面。此後,在相鄰學科的進展的影響下逐漸地發展到其他方面。例如在遺傳學的帶動下發展起細胞遺傳學,加深了對染色體的認識;在生物化學的影響之下發展起細胞生化,用生化手段了解細胞各組分的生化組成和功能活動;在物理學、化學的滲透下形成了細胞化學,研究細胞的化學成分及其定位,這些都為細胞生物學的形成和發展打下了基礎。   20世紀50年代以來,關於細胞的超顯微結構的研究,使人們對於光學顯微鏡下看不到的精細結構有了明確的認識。分子生物學、分子遺傳學原核生物為材料取得的成就,使人們了解到遺傳密碼、中心法則以及原核生物中基因表達調節與控制等基本問題,這些都直接促進了細胞生物學的發展。但由於原核細胞不同於真核細胞,後者具有核膜染色質除DNA外還含有組蛋白及非組蛋白,而且細胞質中的結構也比前者複雜得多。因此,還需要了解在原核生物得到的成就在多大程度上適用於真核細胞,研究遺傳和發育在真核細胞中是如何操縱的。

未來

  細胞生物學雖說是一個比較年輕的學科,從學術思想上卻可以追溯到較早的年代。1883年德國胚胎學家W.魯就闡述過關於遺傳和發育的設想。他假定XX卵中包含著所有的遺傳物質,後者在卵裂時不是平均地分配到子細胞中,這種不同質的分裂決定子細胞及其後代的命運。德國動物學家A.魏斯曼發展了這種想法,提出了種質學說,認為裂球的不均等分裂導致了細胞的分化。雖然這些見解都已證明是錯誤的,但是可以看出細胞生物學所要解決的問題在那時已被提出來了。以後E.B.威爾遜1927年在他的《細胞──在發育和遺傳中》的巨著中明確指出:細胞是生命活動的基本單位,發育和遺傳這些生命現象應當在細胞上研究。1934年,美國遺傳學家和胚胎學家T.H.摩爾根在遺傳學取得巨大成就之後,在企圖融合發育與遺傳的《胚胎學與遺傳學》一書中寫道:「可以設想,各原生質區域在開始時的差異會影響基因的活動,然後基因又反轉過來影響原生質,後者就開始一系列新的、相應的反應。這樣,我們可以勾畫出胚胎各部分的逐步建立和分化。」但在摩爾根的年代,由於細胞學和其他相鄰學科還未發生密切的聯繫,或者說其他學科尚未能在細胞水平上開展關於發育和遺傳的研究,所以細胞生物學只能在50年代之後,各方面的條件逐漸成熟了,才得以蓬勃發展。

細胞生物學學習方法

  第一、認識細胞生物學課程的重要性,正如原子是物理性質的最小單位,分子是化學性質的最小單位,細胞是生命的基本單位。50年代以來諾貝爾生理與醫學獎大都授予了從事細胞生物學研究的科學家,可見細胞生物學的重要性。如果你將來打算從事生物學相關的工作,學好細胞生物學能加深你對生命的理解。   第二、明確細胞生物學的研究內容,即:結構、功能、生活史。生物的結構與功能是相適應的,每一種結構都有特定的功能,每一種功能的實現都需要特定的物質基礎。如肌肉可以收縮、那麼動力是誰提供的、能量從何而來的?   第三、從顯微、超微和分子三個層次來認識細胞的結構與功能。一方面每一個層次的結構都有特定的功能,另一方面各層次之間是有機地聯繫在一起的。   第四、將所學過的知識關聯起來,多問自己幾個為什麼。細胞生物學涉及分子生物學、生物化學、遺傳學、生理學等幾乎所有生物系學過的課程,將學過的知識與細胞生物學課程中講到的內容關聯起來,比較一下有什麼不同,有什麼相同,為什麼?盡可能形成對細胞和生命的完整印象,不要只見樹木不見森林。另一方面細胞生物學各章節之間的內容是相互關聯的,如我們在學習線粒體與葉綠體的時候,要聯想起細胞物質運輸章節中學過的DNP、FCCP等質子載體對線粒體會有什麼影響,學習微管結構時要問問為什麼β微管蛋白是一種G蛋白,而α微管蛋白不是,學習細胞分裂時要想想細胞骨架在細胞分裂中起什麼作用,諸如此類的例子很多。   第五、緊跟學科前沿,當前的熱點主要有「信號轉導」、「細胞周期調控」、「細胞凋亡」等。細胞生物學是當今發展最快的學科之一,知識的半衰期很短(可能不足5年),國內教科書由於編撰周期較長,一般滯後於學科實際水平5-10年左右,課本中的很多知識都已是陳舊知識。有很多辦法可以使你緊跟學科前沿:一是選擇國外的最新教材,中國圖書進出口公司讀者服務部那裡可以買到很多價廉物美的正宗原版教材(一般200-400元,只相當於國外價格的1/5);二是經常讀一些最新的期刊資料,如果條件所限查不到國外資料,可以到中國期刊網、萬方數據等資料庫中查一些綜述文章,這些文章很多是國家自然科學基金支助的,如在中國期刊網的檢索欄輸入關鍵詞「細胞凋亡」,二次檢索輸入關鍵詞「進展」,你會發現一大堆這樣的文章,都是漢字寫的比讀英文省事。   第六、學一點科技史,尤其是生物學史,看看科學家如何開展創造發明,學習他們驚人的毅力、銳敏的眼光和獨特的思維。牛頓說過:「我之所以比別人看得更遠,是因為站在巨人的肩膀上。」

研究

  從1839年M.J.施萊登和T.A.H.施萬的細胞學說問世以來,確立了細胞(真核細胞)是多細胞生物結構和生命活動的基本單位。但是長期以來,細胞學的研究偏重在結構方面。此後,在相鄰學科的進展的影響下逐漸地發展到其他方面。例如在遺傳學的帶動下發展起細胞遺傳學,加深了對染色體的認識;在生物化學的影響之下發展起細胞生化,用生化手段了解細胞各組分的生化組成和功能活動;在物理學、化學的滲透下形成了細胞化學,研究細胞的化學成分及其定位,這些都為細胞生物學的形成和發展打下了基礎。   20世紀50年代以來,關於細胞的超顯微結構的研究,使人們對於光學顯微鏡下看不到的精細結構有了明確的認識。分子生物學、分子遺傳學以原核生物為材料取得的成就,使人們了解到遺傳密碼、中心法則以及原核生物中基因表達的調節與控制等基本問題,這些都直接促進了細胞生物學的發展。但由於原核細胞不同於真核細胞,後者具有核膜,染色質除DNA外還含有組蛋白及非組蛋白,而且細胞質中的結構也比前者複雜得多。因此,還需要了解在原核生物得到的成就在多大程度上適用於真核細胞,研究遺傳和發育在真核細胞中是如何操縱的。   細胞生物學雖說是一個比較年輕的學科,從學術思想上卻可以追溯到較早的年代。1883年德國胚胎學家W.魯就闡述過關於遺傳和發育的設想。他假定XX卵中包含著所有的遺傳物質,後者在卵裂時不是平均地分配到子細胞中,這種不同質的分裂決定子細胞及其後代的命運。德國動物學家魏斯曼發展了這種想法,提出了種質學說,認為裂球的不均等分裂導致了細胞的分化。雖然這些見解都已證明是錯誤的,但是可以看出細胞生物學所要解決的問題在那時已被提出來了。以後E.B.威爾遜1927年在他的《細胞──在發育和遺傳中》的巨著中明確指出:細胞是生命活動的基本單位,發育和遺傳這些生命現象應當在細胞上研究。1934年,美國遺傳學家和胚胎學家T.H.摩爾根在遺傳學取得巨大成就之後,在企圖融合發育與遺傳的《胚胎學與遺傳學》一書中寫道:「可以設想,各原生質區域在開始時的差異會影響基因的活動,然後基因又反轉過來影響原生質,後者就開始一系列新的、相應的反應。這樣,我們可以勾畫出胚胎各部分的逐步建立和分化。」但在摩爾根的年代,由於細胞學和其他相鄰學科還未發生密切的聯繫,或者說其他學科尚未能在細胞水平上開展關於發育和遺傳的研究,所以細胞生物學只能在50年代之後,各方面的條件逐漸成熟了,才得以蓬勃發展。

細胞學說

發展過程

  在十九世紀以前許多學者的工作都著眼于細胞的顯微結構方面,從事形態上的描述,而對各種有機體中出現細胞的意義一直沒有作出理論的概括,直到19世紀30年代德國人施萊登(Matthias Jacob Schleiden) 、施旺(Theodar Schwann)提出:一切植物、動物都是由細胞組成的,細胞是一切動植物的基本單位。這一學說即「細胞學說(Cell Theory)」,在19世紀已有不少科學家的工作對細胞學說的創立做出了很大的貢獻,如:   1.Jean-Baptiste de Lamarck (1744-1829),獲得性遺傳理論的創始人,法國退伍陸軍中尉,50歲成為巴黎動物學教授,1909年他認為只有具有細胞的機體,才有生命。「It has been recognized for a long time that the membranes which form the envelopes of the brain,of the nerves,of vessels,of all kinds of glands,of viscera,of muscles and their fibers,and even the skin of the body are in general the productions of cellular tissue。But no one,so far as I know, has yet perceived that cellular tissue is the general matrix of all organization and that without this tissue no living body would be able to exist,nor could it have been formed。」   2.Charles Brisseau Milbel(1776-1854),法國植物學家,1802年認為植物的每一部分都有細胞存在,「the plant is wholly formed of a continuous cellular membranous tissue。Plants are made up of cells,all parts of which are in continuity and form one and the same membranous tissue。」。   3.Henri Dutrochet (1776-1847),法國生理學家,1824年進一步描述了細胞的原理,他認為「All organic tissues are actually globular cells of exceeding smallness,which appear to be united only by simple adhesive forces; thus all tissues, all animal (and plant) organs, are actually only a cellular tissue variously modified。This uniformity of finer structure proves that organs actually differ among themselves merely in the nature of the substances contained in the vesicular cells of which they are composed」。   4.Matthias Jacob Schleiden(1804-1881),德國植物學教授[1],1938年發表「植物發生論」(Beiträge zur Phytogenesis),認為無論怎樣複雜的植物都有形形色色的細胞構成。他認識到了Brown發現細胞核的重要意義,這一點Brown本人並未做到,他試圖重建細胞發育的過程,為此他聰明地選擇了胚胎細胞作為他研究的起點,他還在細胞中發現了核仁。   5.Theodor Schwann(1810-1882),德國解剖學教授,一開始就研究Schleiden的細胞形成學說,他完全接受了這個學說,並把它擴展為所有生命現象的起源和基礎的一般理論。他把Schleiden在植物中的發現應用到動物中去,並於1838年提出了「細胞學說」(Cell Theory)這個術語;1939年發表了「關於動植物結構和生長一致性的顯微研究」(Mikroskopische Untersuchungen über die Übereinstimmung in der Struktur und dem Wachstum der Tiere und Pflanzen)。因此細胞學說的創立被認為歸功於Schleiden和Sehwann兩個人,而且年份也被定到1839年。

內容

  後人根據施萊登和施旺分別于1838粘合1839年發表的研究結果,綜和為以下要點:   1) 細胞是一個有機體,一切動植物都由細胞發育而來,並由細胞和細胞產物所構成。   2) 細胞是一個相對獨立的的單位,既有自己的生命,又對於其他共同組成的整體的生命起作用。   3)新細胞可以從老細胞中產生。   1855 德國人魏爾肖(R. Virchow )提出「一切細胞來源於細胞」(omnis cellula e cellula)的著名論斷,進一步完善了細胞學說。   把細胞作為生命的一般單位,以及作為動植物界生命現象的共同基礎的這種概念立即受到了普遍的接受。恩格斯將細胞學說譽為19世紀的三大發現之一。

研究方法

  細胞生物學廣泛地利用相鄰學科的成就,在技術方法上是博採眾長,凡是能夠解決問題的都會被使用。例如用分子生物學的方法研究基因的結構,用生物化學、分子生物學的方法研究染色體上的各種非組蛋白和它們對基因活動的調節和控制或者利用免疫學的方法研究細胞骨架的各種蛋白(微管蛋白、微絲蛋白、各種中等纖維蛋白)在細胞中的分佈以及在生命活動中的變化。起源於分子遺傳學的重組DNA技術和起源於免疫學的產生單克隆抗體的雜交瘤技術,也成了細胞生物學的有力工具。顯然,一種方法所解決的問題不一定屬於原來建立這一方法的學科。例如用分子生物學的方法解決了核小體的結構,嚴格地說這應是形態學的範疇。這樣的例子並不少見,在這裡學科的界限也被抹掉了。也許可以說細胞核移植、微量注XX和細胞融合是細胞生物學自身發展起來的方法,但是用這些方法進行的實驗往往也需要其他方法配合來做進一步分析

研究對象

階段

  從研究內容來看細胞生物學的發展可分為三個層次,即:顯微水平、超微水平和分子水平。從時間縱軸來看細胞生物學的歷史大致可以劃分為四個主要的階段:   第一階段:從16世紀後期到19世紀30年代,是細胞發現和細胞知識的積累階段。通過對大量動植物的觀察,人們逐漸意識到不同的生物都是由形形色色的細胞構成的。   第二階段:從19世紀30年代到20世紀初期,細胞學說形成后,開闢了一個新的研究領域,在顯微水平研究細胞的結構與功能是這一時期的主要特點。形態學、胚胎學和染色體知識的積累,使人們認識了細胞在生命活動中的重要作用。1893年Hertwig的專著《細胞與組織》(Die Zelle und die Gewebe)出版,標志著細胞學的誕生。其後1896年哥倫比亞大學Wilson編著的The Cell in Development and Heredity、1920年墨爾本大學Agar編著的Cytology 都是這一領域最早的教科書。   第三階段:從20世紀30年代到70年代,電子顯微鏡技術出現后,把細胞學帶入了第三大發展時期,這短短40年間不僅發現了細胞的各類超微結構,而且也認識了細胞膜、線粒體、葉綠體等不同結構的功能,使細胞學發展為細胞生物學。De Robertis等人1924出版的普通細胞學(General Cytology)在1965年第四版的時候定名為細胞生物學(Cell Biology),這是最早的細胞生物學教材之一。   第四階段:從20世紀70年代基因重組技術的出現到當前,細胞生物學與分子生物學的結合愈來愈緊密,研究細胞的分子結構及其在生命活動中的作用成為主要任務,基因調控、信號轉導、腫瘤生物學、細胞分化和凋亡是當代的研究熱點。

生物學理解

  細胞生物學與其說是一個學科,倒不如說它是一個領域。這可以從兩個方面來理解:一是它的核心問題的性質──把發育與遺傳在細胞水平結合起來,這就不局限於一個學科的範圍。二是它和許多學科都有交叉,甚至界限難分。例如,就研究材料而言,單細胞的原生動物既是最簡單的動物,也是最複雜的細胞,因為它們集許多功能于一身;尤其是其中的纖毛蟲,不僅對於研究某些問題,例如纖毛和鞭毛的運動,特別有利,關於發育和遺傳的研究也積累了大量有價值的資料。但是這類研究也可以列入原生動物學的範疇。其次,就研究的問題而言,免疫性是細胞的重要功能之一,細胞免疫應屬細胞生物學的範疇,但這也是免疫學的基本問題。   由於廣泛的學科交叉,細胞生物學雖然範圍廣闊,卻不能像有些學科那樣再劃分一些分支學科──如象細胞學那樣,根據從哪個角度研究細胞而分為細胞形態學、細胞化學等。如果要把它的內容再適當地劃分,可以首先分為兩個方面:一是研究細胞的各種組分的結構和功能(按具體的研究對象),這應是進一步研究的基礎,把它們羅列出來,例如基因組和基因表達、染色質和染色體、各種細胞器、細胞的表面膜和膜系、細胞骨架、細胞外間質等等。其次是根據研究細胞的哪些生命活動劃分,例如細胞分裂、生長、運動、XX性、分化、衰老與病變等,研究細胞在這些過程中的變化,產生這些過程的機制等。   當然這僅是人為地劃分,這些方面都不是各自孤立的,而是相互有關連的。從細胞的各個組分講,例如表面膜與細胞外間質有密切關係,表面膜又不是簡單地覆蓋著細胞質的一層膜,而是通過一些細微結構──已經知道其中之一是肌動蛋白分子,這又聯繫到細胞骨架了──與細胞質密切相連。這樣,表面膜才能和細胞內部息息相關。另一方面,從研究的問題出發,研究分裂、分化等生命現象,離不開結構的基礎。例如研究細胞分裂就涉及到染色質怎樣包紮成染色體,染色體的分裂和運動,細胞骨架的變化包括微管蛋白的聚合和解聚,與表面膜有關的分裂溝的形成,還有細胞分裂的調節與控制。再如研究細胞分化除去要了解某種細胞在分化過程中細胞器的變化、它們所特有的結構蛋白質的變化,主要地還要了解導致分化的物質基礎以及這些物質怎樣作用於基因調控的水平,導致有關的基因被激活。可見研究的重點儘管可以人為地劃分,但一定要把細胞作為一個整體看待,一定要把生命過程和細胞組分的結構和功能聯繫起來。

細胞分化

  既然細胞生物學的主要任務是把發育和遺傳聯繫起來,細胞分化這個問題的重要性就不言而喻。因為就整個有機體而言,遺傳特點不僅顯示在長成的個體,而是在整個生命過程不斷地顯示出來。在細胞水平,細胞的分化也就是顯示遺傳特徵的過程,例如鳥類、爬行類的水晶體,其中所含的晶體蛋白是α、β、δ三種,不同於哺乳類,後者含有α、β、γ三種。在鳥類的晶體分化中首先出現大量的δ晶體蛋白,但是在哺乳類晶體分化中卻找不到這種蛋白。可見某種細胞的分化特徵的出現,也就是它們的遺傳特徵的出現。但是這僅是在細胞水平就一種生化性狀(特異的蛋白質)在一種特化細胞中的出現而言,情況當然還比較簡單,如果涉及到一個由多細胞組成的形態學性狀,情況會複雜得多,但是性狀發生的過程仍然是遺傳表現的過程。   像晶體細胞分化這樣的例子,細胞生物學的術語稱之為終末分化,也就是走向成熟的分化,其分化的產物就是這種細胞的終末產物。由於取材方便,產物比較單一易於分析等原因,細胞分化的研究中關於終末分化的研究占很大的比重,研究得比較多的是紅細胞、肌細胞胰臟細胞、晶體細胞、黑色素細胞軟骨細胞等。   一個經常被引用的例子是紅細胞中血紅素轉換。人類胚胎早期的紅細胞中首先出現胚期血紅素,後來逐漸被胎兒期血紅素所代替,胎兒三個月之後,後者又被成體型血紅素所代替。關於這些血紅素已經有很多研究。例如它們各自由那些肽鏈組成,這些肽鏈在個體發育中交互出現的情況,它們各自的氨基酸組成和排列順序,各個肽鏈的基因位點,以至基因的結構都已比較清楚,工作可以說是相當深入了。   但是,追根到底有些問題依然沒有得到明確的解答,甚至沒有解答──這也適用於關於其他細胞的終末分化的研究。例如,為什麼胚期血紅素會在紅細胞而不在其他細胞中出現?為什麼會發生血紅素的轉換?關於前一問題,有人曾分別地從雞的輸卵管細胞(不產生血紅素)和紅細胞(產生血紅素)提取染色質,用酶來切割,觀察到兩種來源的染色質對酶的抵抗力不同。來自紅細胞的易於受到酶的攻擊,推測這可能由於核小體的構型不同。紅細胞中含有珠蛋白基因段落的核小體構型較鬆弛,因而易於受到影響;構型較鬆弛也就為RNA聚合酶在上面轉錄產生信使RNA提供了條件。但是如果追問下去,為什麼單單在紅細胞里核小體的構型比較鬆弛?RNA聚合酶怎樣識別出這樣的段落?這些問題還需進一步研究。其次,關於胚期血紅素向胎兒期血紅素的轉換。用兩種熒光染料標記兩種免疫抗體,觀察到在同一紅細胞中有兩種血紅素的存在,說明轉換不是由於出現不同的細胞,而是由於同一細胞相繼地產生了不同的血紅素。是什麼原因使得血細胞停止生產原有的而產生出新的血紅素?也許可以說是發育的「程序」,但還要回答發育程序得以實現的物質基礎是什麼。所有這些問題的解答,將使我們對基因選擇性表達的認識有極大的邁進。

一無所知

  實現了終末分化的細胞,已經失去了轉變為其他細胞類型的潛能,只能向一個方面分化。例如紅細胞,雖然發生血紅素的轉換,但不能轉變為其他類型的正常細胞,與胚胎細胞相比,它們的情況要簡單些,因為胚胎細胞在尚未獲得決定的時候是具有廣泛潛能的。拿中胚層細胞來說,它們既可以分化為肌細胞,也可以分化為前腎細胞、血細胞、間質細胞等。已經初步知道,外界因素可以影響中胚層細胞向肌細胞或紅細胞的方向分化,但是這因素是什麼,怎樣作用,都一無所知。在這裡,首先要使中胚層細胞向某一方向分化,然後那一方向(例如紅細胞)所特有的一套終末分化的步驟才得以進行下去。形象化地說,中胚層細胞中似乎存在著向不同方向分化的開關,打開某一個開關(例如紅細胞的),才能進行那一方向的分化,這當然比終末分化更複雜些,對此還一無所知。

細胞社會學

  細胞生物學的研究往往樂於使用培養的細胞,它的優點是可以提供足夠量的細胞做生化分析,並且只有一種細胞,材料比較單一,分析結果方便。但是對於某些方面的研究則有不足之處,因為細胞在任何一個有機體里都是處於一個社會之中,和別的細胞不同程度地混雜在一起,在其生命活動中不可能不受到相鄰的其他細胞的影響,甚至是相鄰的同類細胞的影響,其處境要比培養的細胞複雜得多。因此有些問題或者很難用培養的細胞進行,或者所得的結果只能部分地反映實際的情況,為了研究在一個細胞群中細胞與細胞間的相互關係,細胞社會學被提了出來。   細胞社會學的內容相當廣泛,包括不同細胞或相同細胞的相互識別,細胞的聚集與粘連、細胞間的交通和信息交流,細胞與細胞外間質的相互影響,甚至還可包括細胞群中組織分化模式的形成。有些方面已經積累了一些資料,從細胞社會學的角度有目的地深入下去一定會提供更系統的,有用的信息。由於細胞社會學是以細胞群體為對象,而且有些問題也是發育生物學需要了解的,發展下去很可能它會成為細胞生物學與發育生物學之間的橋樑。   展望細胞生物學的研究,除去上面的工作──關於各細胞組分的結構與功能,以及對各種生命現象的了解──還要繼續深入外,是什麼原因使得基因能夠有序地選擇性地表達,可能會成為今後重點研究的問題;此外,細胞社會學也會越來越受到重視。

展望未來

  20世紀50年代人們還搞不清楚自己的染色體是多少條,但到了2000年「人類基因組計劃」工作草圖完成,標志著以研究基因功能為主的后基因組時代到來。隨後蛋白質組學(proteomics),RNA組學(RNomics),糖組學(glycomics)、代謝組學(metabolomics)等各種「組學」研究相繼登場,以及計算生物學納米生物學的發展,XX了系統生物學的迅速發展時期,可以預見在不遠的將來,生物科學會將人類社會帶入一個新的發展階段。   人類經歷了漫長的採獵文明后,約在一萬年前XX農業經濟時代,18世紀60年代,英國率先XX工業經濟,20世紀50美國最早走完工業經濟的歷程,XX信息時代。據專家估計這一經濟形態的「壽命」為75~80年,到本世紀20年代將漸漸失去活力,屆時人類迎接下一個經濟時代,即生物經濟時代的到來,生物經濟的資源為基因,其核心技術為建立在細胞與分子生物學理論基礎上的各類生物技術

生物經濟時代具有以下特點

  一、推動產業革命,創造新的經濟生長點。生物產業的比重將逐步提高,目前藥品中有15%基於生物技術,這一數字據估計到2010年會增加到40 %。生物晶元已廣泛應用於科研、醫療、農業、食品環境保護、司法鑒定等領域,將會成為與微電子晶元一樣重要的產業。轉基因動植物的市場前景廣闊,2004 年全球轉基因作物的種植面積已經達到8100萬公頃。   二、推動醫學革命,延長人類壽命。20世紀初人類平均壽命約為40多歲左右,抗生素疫苗的應用、醫療技術的提高和公共衛生觀念的提出使人類擺脫了傳染病威脅,人類平均壽命逐漸提高,20世紀末人類平均壽命達到70多歲。但是心血管病癌症和各類遺傳病或遺傳相關的疾病仍然是威脅人類健康的主凶。21世紀生物技術將推動新一輪醫學革命,從疾病預防、疾病診斷藥物研製、組織工程基因治療器官移植抗衰老等方面,延長人類壽命。1990 美國國立衛生研究院(NIH)進行了世界首例基因治療,給一名患有先天重度聯合免疫缺陷病的4歲女孩實施了基因治療。這種疾病是因為缺乏正常的腺苷脫氨酶(ADA)基因而引起的。專家們以病毒作為載體,將ADA基因導入患者血液中分離出來的淋巴細胞,在體外培養后再輸回病人體內,使這位女孩體內ADA酶的含量升高,免疫功能有所恢復,能正常活動而無副作用。這是世界首例基因治療成功的病人,在此之後,全世界掀起基因治療的熱潮。   三、推動綠色革命,解決食品危機。20世紀60年代以來,雜交玉米、雜交小麥和雜交水稻農作物優質品種的栽培,標志著傳統植物育種理論和各種農業措施在作物改良中的應用達到了高峰,對農業產生了深遠的影響,被譽為第一次綠色革命。而二十一世紀轉基因動植物、組織培養胚胎移植、動物克隆等一系列新技術將再一次改變農業的面貌,新技術群將更有利於人們創造新品種、生產人類所急需的糧食、藥物和工業用品,推動第二次綠色革命。   四、創造生物新品種,改善生態環境。植物抗旱、抗鹽基因的發現與應用,將有可能徹底改變10億畝乾旱地區的生態環境,使5億畝不毛之地、鹽鹼地變為良田。用於廢氣、廢水、廢渣處理的基因工程極端微生物的應用,可降解生物塑料產品的產業化推廣,將會解決工業排放、白色垃圾等環保難題,有效改善生態環境。   五、發展綠色能源,解決能源危機。煤、石油等化石能源的枯竭指日可待,替代能源的開發具有十分重要的戰略意義。全球生物質能的儲量為18000億噸,相當於640億噸石油。生物能源將會使作物秸稈等廢棄的有機物成為能源,緩解化石能源不足的危機,為石油短缺國家解決能源危機問題找到一個較為經濟的途徑。利用「綠金」代替「黑金」,開發生物乙醇、生物柴油、生物發電、生物氫等替代部分化石能源,已經成為許多國家的能源戰略。除此之外,植物光合作用機理研究取得重大突破,人工光解水產生的氫氣將成為繼化石燃料之後主要的能源。   六、生物安全關係到國家安全。必須認識到生物技術是一柄雙刃劍,生物工程武器將徹底改變

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