第一节 细胞学与细胞生物学
一、细胞的发现
1838德国施莱登和1939年施旺发现并提出。
二、细胞学说的建立及其意义
细胞学说产生于19世纪的德国，这并非偶然。当时的德国自然科学相当发达，自然哲学非常流行，科学家面对纷繁复杂的自然界时，总是力图运用哲学思辨，提炼出纷乱现象背后的本质。于是，人们对植物和动物的大量显微观察所得到的结果，借助哲学思辨的头脑分析和总结归纳，上升到理论的高度，细胞学说应运而生。1838年，德国植物学家施莱登发表了《植物发生论》，指出细胞是构成植物的基本单位。1839年，德国动物学家施万发表了《关于动植物的结构和生长的一致性的显微研究》论文，在总结前人工作的基础上提出：一切植物、动物都是由细胞组成的，细胞是生物体的基本结构单位。这就是著名的“细胞学说”(cell theory)。然而，此刻的细胞学说并不完善，在不少细节上还存在谬误。如施莱登曾认为，细胞的繁殖是新细胞在老细胞的核中产生，通过细胞崩解而完成的。这种看法随即被一系列学者的研究所修正。德国医生和病理学家R. Virchow 1858年指出，“细胞只能来自细胞”，“正如动物只能来自动物，植物只能来自植物一样”。此外，他还提出有机体的一切病理表现都是基于细胞的损伤。Virchow关于细胞来自细胞的观点，进一步指明了细胞作为一个相对独立的生命活动基本单位的性质，通常被认为是对细胞学说的一个重要补充和完善。因此，有些人认为细胞学说应当是在1858年才最后完成的。
细胞学说提出后的十几年中，这一理论迅速得到充实、发展而日臻完善，并影响了许多生物领域的研究。如C.T.E. von Siebold研究表明，不仅动植物，而且原生动物也是由细胞组成的，它就是只含一个细胞的动物，能独立地进行全部生命活动；A. Kolliker通过对胚胎学的研究，证明了生物个体发育的过程就是细胞不断繁殖和分化的连续过程。至19世末期，细胞学说得到了普遍的承认，也标志着细胞学的建立，从而为现代生物学的发展奠定了基础。恩格斯说：“有了这个发现，有机的有生命的自然产物的研究—比较解剖学、生理学和胚胎学——才获得了巩固的基础。”同时他把细胞学说、能量守恒定律和达尔文进化论并列为19世纪自然科学的“三大发现”。进化论解释了生物的多样性，而细胞学说提出了生物同一性的细胞学基础，因而大大推进了人类对整个自然界的认识，有力地促进了自然科学和哲学的进步。
三、从经典细胞学到实验细胞学时期
细胞学说的建立，很自然地掀起了对多种细胞进行广泛地观察与描述的高潮。19世纪的最后25年，各种细胞器和细胞分裂活动相继被发现，这称为细胞学的经典时期。进入20世纪以后，人们对细胞的探索从好奇或消遣性地观察进入了主动地科学实验，称为实验细胞学时期，细胞学呈现出繁荣的景象，同时也促进和带动了生物学多学科的发展。
经典细胞学时期的主要进展有如下几个方面：
(1)原生质理论的提出 1840年J.E. Purkinje和1846年H. von Mohl首次将动物和植物细胞内的均匀、有弹性的胶状物质称为“原生质”(protoplasm)。1861年，M. Schultze提出了原生质理论，认为组成有机体的基本单位是一小团原生质，这种物质在各种有机体中是相似的。1880年，J. von Hanstein提出“原生质体”(protoplast)概念，细胞的概念进一步演绎成具有生命活性的一小团原生质。 protoplast显然比cell(小室)对细胞的理解更为确切，但由于cell一词已经通行，所以就沿用下来。然而，这一重要的基本概念的深化，极大促进了人们对细胞中具有生命活性的物质及其结构的研究进程。
(2)细胞分裂的研究 W. Flemming在动物细胞，E.A. Strasburger在植物细胞中都发现了细胞核的分裂过程，1880年 Flemming称其为有丝分裂(mitosis)，并证实有丝分裂的实质是核内丝状物(染色体)的形成及其向两个子细胞的平均分配。 van Beneden(1883年)和Strasburger(1886年)分别在动物与物细胞中发现减数分裂，至此发现了细胞分裂的基本类型。
(3)细胞器的发现 随着显微镜分辨力的提高和石蜡切片及多种染色方法的发明，各种细胞器相继被发现。如1883年 van Beneden和T. Boveri发现中心体，1894年R. Altmann发现线粒体，1898年C. Golgi发现高尔基体等。这一系列重要的发现，极大地丰富了人们对细胞的认识并引发人们更深入的探索。
1892年，O. Hertwig在《细胞和组织》一书中，提出生物学的基础在于研究细胞的特性、结构和机能，并以细胞为基础，对所有生物学现象进行归纳与综合，从而使细胞学成为生命科学的一个独立分支。同时，由于他采用实验方法研究海胆和蛔虫卵发育中的核质关系实际上创立了实验细胞学。此后，人们广泛应用实验的手段与分析的方法，借助各种模式生物来研究细胞学中的一些重要问题，为细胞学的研究开辟了众多新的领域，并与生物学其他领域相结合，形成了一些重要的分支学科。特别是在后期，组织与细胞体外培养技术的建立与应用，使实验细胞学得到迅速的发展，其主要内容包括：
(1)细胞遗传学 1876年 Hertwig发现了动物的受精现象；1883年 van Beneden发现了蛔虫的卵和精子的染色体只有体细胞的一半；1888年 Strasburger等在植物体中也发现受精现象，并证明生殖细胞的染色体数是体细胞的一半；1900年，孟德尔在34年前发现的遗传法则被重新提出；1905年E.B. Wilson发现性别与染色体的关系，A. Weissman推测遗传单位有序地排列在染色体上。在这些研究的基础上，德国的 Boveri同美国的W. Sutton不谋而合地提出遗传的染色体假说，把染色体的行为同孟德尔的遗传因子联系起来；1910年，摩尔根(T.H. Morgan)用果蝇做了大量的实验遗传学工作，证明基因是决定遗传性状的基本单位，而且直线排列在染色体上。上述的工作使细胞学与遗传学结合起来，奠定了细胞遗传学的基础。
细胞遗传学主要从细胞学角度，特别是从染色体的结构和功能，以及染色体和其他细胞器的关系来研究遗传现象，阐明遗传和变异的机制。其核心就是染色体基因学说。虽然当今染色体和基因的概念与研究内容已发生了根本的变化，人们已经很少提起细胞遗传学这个概念，但染色体结构与基因表达控制关系这一科学问题仍是人们关注的热点。
(2)细胞生理学19世纪末期开始，人们注意到活细胞的运动，如细胞的变形运动、细胞质流动、纤毛与鞭毛运动和肌肉收缩等，并进行了相关的研究。随着生理学技术的发展，人们在细胞质膜及其通透性、细胞的应激性与神经传导等方面也开展了大量研究工作。
1909年，R. Harrison和A.Care创立了组织培养技术，为研究细胞生理学开辟了一条重要途径。1943年，A. Claude用高速离心机从活细胞内把细胞核和各种细胞器(如线粒体、叶绿体)分离出来，在体外研究它们的生理活性，这对研究细胞器的功能和化学组成，以及酶在各细胞器中的定位等起了很大的作用。细胞生理学的主要研究内容是：细胞对其周围环境的反应，细胞生长与繁殖的机制，细胞从环境中摄取营养的能力细胞的兴奋性、收缩性、分泌性，生物膜的主动运输和能量传递与生物电等。随着现代生物学的快速发展，细胞生理学这一分支学科似乎在逐渐淡化，但其研究内容却不断延伸，如物质跨膜运输、信号转导等已成为当前细胞生物学的重点。可认为这是细胞生理学研究与其他学科交融发展的结果。
(3)细胞化学 早期对生物体化学成分和基本生化反应的研究，是脱离细胞的形态结构进行的。1924年，R. Feulgen等首先建立了对细胞内脱氧核糖核酸(DNA)特异性的定性检测方法，这就是众所周知的福尔根反应(Feulgen reaction)。此后，1940年J. Brachet用甲基绿-派洛宁染色方法来测定细胞中的DNA与RNA，T.O. Casperson用紫外显微分光光度法测定DNA在细胞中的含量。细胞组分分离技术、放射自显影技术和超微量分析等方法的广泛运用，对细胞内核酸与蛋白质的代谢研究也有很大的促进作用。细胞化学这分支学科一直保持着强劲的发展势头，由显微分光光度法到流式细胞术，由福尔根反应到核酸分子原位杂交技术，由免疫荧光技术到激光扫描共聚焦显微技术等，使人们对细胞成分，特别是核酸与蛋白质的定性定位、定量以及动态变化研究达到前所未有的精确性与专一性。
上述实验细胞学分支学科并没有停步不前，其内容与内涵也在不断发展与演变，直至现在依然还是细胞生物学的重要组成部分。
四、细胞生物学学科的形成与发展
20世纪50年代以来，随着电子显微镜超薄切片技术的发展，在人们眼前呈现出一个崭新的细胞微观世界—细胞超微结构。不仅已知的细胞结构，诸如线粒体、高尔基体、细胞质膜、核膜、核仁、染色质与染色体等结构以新的面貌展现在人们的面前，而且还发现了些新的重要的细胞结构，如内质网、核糖体、溶酶体、核孔复合体与细胞骨架体系等，从而为细胞生物学学科的形成奠定了基础。那么，这些精细的细胞结构是怎样组成的?确切的功能是什么?它们又是如何相互协同作用，完成各种复杂的代谢活动和生命过程呢?这些问题仅靠超微形态学的研究是难以回答的。1953年沃森(J. Watson)和克里克(F. Crick)等人发现了DNA分子双螺旋结构，随后，人们提出了遗传中心法则，标志着分子生物学这一新兴学科的问世。正是由于分子生物学概念与技术的引入，分子生物学、生物化学、遗传学等学科与细胞学之间相互渗透与结合，人们对细胞结构与功能的研究水平达到了新的高度。20世纪70年代以后，细胞生物学这一学科最后得以形成并确立。20世纪70年代建立的转基因技术和单克隆抗体技术，80年代各种模式生物的建立及其大量突变株的分析，特别是90年代以来，经典基因打靶技术以及 TALEN、 CRISPR/Cas技术的广泛应用，DNA测序技术、生物芯片技术的快速发展，都极大地促进了人们在分子水平上对细胞的基本生命活动规律的探索。人类基因组计划及随后的蛋白质组等“组学”的兴起和快速发展，极大地拓展了对生物分子研究的视野，各种高通量技术以及生物信息技术的发展使人们能够“认识”并能以实验手段加以研究的基因和蛋白质的种类有了爆炸性的增加，从而也使得过去相对孤立的调控因子或信号通路的研究，日益趋于迅速细化的网络式系统。而细胞生物学自身也成为一门学科综合性很强、特别是与分子生物学密不可分的前沿学科。正因如此，自20世纪80年代以来，人们开始赋予细胞生物学以“分子细胞生物学”或“细胞分子生物学”等名称。诺贝尔奖最能集中反映当代生物科学的重大成就。综观近50年来荣获诺贝尔生理学或医学奖、化学奖的课题内容，很多都是与细胞生物学密切相关。
细胞生物学是应用现代物理学与化学的技术，以及分子生物学的概念与方法，侧重从细胞作为生命活动的基本单位的思维为出发点，研究和揭示细胞基本生命活动规律的科学。它从显微、亚显微与分子水平上研究细胞结构与功能，细胞的增殖、分化、衰老、死亡，以及细胞信号转导和基因表达调控，细胞起源与进化等重大生命过程。可以看到，细胞的结构与功能、细胞重大生命活动及其分子机制的研究日趋深入，已经成为21世纪生命科学研究的重要领域，并以空前的广度和深度，直接和强有力地影响和改变着人类的生活。
无论是单细胞的生物还是多细胞的有机体，生命体都呈现出多层次、非线性的复杂体系的性质，是高度动态的耗散性的结构体系，而细胞则是生命体结构与功能的基本单位，有了细胞才有完整的生命活动。所以毫不奇怪，细胞是生命活动的枢纽层次，细胞生物学成为生命科学的枢纽学科和前沿学科。细胞的研究既是生命科学的出发点，又是生命科学微观和宏观研究的汇聚点，也因之成为当前生命科学中发展最快的领域之一。早在1925年，生物学大师 Wilson就提出“一切生命的关键问题都要到细胞中去寻找答案”。重温这句名言，至今仍感内涵深刻。
生物的生殖发育、遗传、神经(脑)活动等重大生命现象的研究都要以细胞为基础，一切疾病发病机制也是以细胞病变为基础，以基因工程和蛋白质工程为核心的现代生物技术主要是以细胞操作为基础而进行的，因此，细胞生物学不仅与生命科学的各个分支学科，而且也与农业、医学的发展有着密不可分的联系，它将在解决人类面临的重大问题、促进经济和社会发展中发挥重要的作用。
