认识细胞

地球上的生物，除了病毒以外，所有的生物体都是由细胞构成的。细胞不仅是生物体的结构单位，而且生物体的一切生命活动都是通过细胞进行的。因此，细胞是生物体的结构和功能的基本单位。近几十年来，由于电子显微技术，以及近代物理学和化学的新技术在细胞研究上的广泛应用，特别是近年来分子生物学概念与方法的引入，促使对于细胞的研究进入更加深入的阶段，正在迅速发展。

构成生物体的细胞很微小，几乎都不能用肉眼看到，绝大多数只能在显微镜下才能观察到。要观察细胞内部的精细结构，必须应用电镜或其他更为精密的仪器。

多细胞生物体一般由数以亿计细胞组成。如成年人身体大约含有10¹⁴个细胞。细胞的种类繁多，大小、形状各不相同。大多数细胞的大小在微米(μm)水平，有些细胞较大。细胞的形状多种多样，功能也不相同，并且形成了不同组织。

根据细胞结构的特点和复杂程度的不同，可将细胞分为原核细胞和真核细胞两大类。绝大多数生物是由真核细胞构成的，叫做真核生物。支原体、细菌、蓝藻和放线菌等是由原核细胞构成的，叫做原核生物。细胞虽然很微小，但是却有非常精细的结构和复杂的自控功能，这些就是细胞之所以能够进行一切生命活动的基础。

真核细胞的结构比原核细胞复杂得多，由细胞膜、细胞质和细胞核等构成

细胞的繁殖

活细胞也和生物体一样，经过生长、衰老、细胞分裂死亡几个阶段。细胞本身的繁殖是以细胞分裂方式进行的。单细胞生物通过细胞分裂产生新个体；多细胞生物能以细胞分裂的方式，不断产生新细胞，使生物体正常生长发育。出生的婴儿不过3公斤左右，而小学生已有几十公斤，这都是细胞分裂的 功劳。植株生长也靠细胞分裂。

人和大多数动植物的体细胞，都以有丝分裂方式增加数目。分裂前的准备时期叫分裂间期，分裂进行时叫分裂期。分裂期发生一系列复杂变化，可把 它分成前期、中期、后期和末期，但不管怎么变，其中染色体复制后，又平均分入两个子细胞中。这样x×2÷2=x，不论分裂多少次，染色体数目都稳定不 变，从而保持物种的特征不变。

但是产生精子和卵细胞时，进行有丝分裂就麻烦了。如果精子和卵都是46条染色体，下一代染色体就是92条，肯定不是人了。所以生殖时进行减数分 裂，染色体复制一次，平分两次。那么x×2÷2÷2=1/2x，精子和卵细胞染色体数都减半，下一代仍然是46条染色体。

最长的细胞

运动神经细胞一般细胞都很微小，只有在显微镜下才能看清它们的面貌。但是，也有长达1米以上的细胞。

神经解剖学家发现，在哺乳类动物的神经系统中，有些专管运动功能的神经元（也就是神经细胞），它的突起部分可以长达1米以上。它们的细胞体位于大脑皮层或脊髓灰质中，但它们的突起末端却可伸到很远的地方。位于大脑皮质的叫做锥体细胞，这种细胞有个很长的突起叫轴突。轴突是用来传递信 息的通道，大脑下达的运动指令就是沿着这条线通过脑干到达脊髓。脊髓中接受大脑皮质下达指令的细胞叫脊髓前角运动神经元，它也有一个很长的轴突，这个轴突穿出锥管，沿着脊神经直达所支配的肌肉，将大脑的运动指令转变成肌肉运动的信号，肌肉就按大脑的意图运动。

细胞的结构与功能相一致。大脑皮质到脊髓、脊髓到肌肉的距离都很长，建立距离这么远的两部分之间联系的神经细胞必然有特定的结构，因而具有那样长的突起。而且，动物的个体越大，它的运动神经元也就越长。

细胞膜的重要作用

生物体的生命活动主要是以细胞为基本单位进行的。细胞表面有细胞膜，它使每个细胞与周围环境隔离开，维持着相对稳定的细胞内部环境，并且具有保护细胞的作用。同时，细胞与周围环境不断地交换与运输物质，主要依靠细胞膜进行。此外，活细胞中的各种代谢活动，都与细胞膜的结构和功能有密切关系。

研究细胞膜的化学组成，大都用动物细胞、红细胞、神经髓质等作为研究材料。通过对这些细胞膜的化学分析知道，细胞膜主要是一层由磷脂和蛋白质构成的膜。在不同的细胞膜中，磷脂和蛋白质的比例不同。

观察细胞膜，只有在电子显微镜下才能真正看到一层厚约80×10-10m的膜。细胞膜具有三个层次，内层和外层，以及中间层。具体来说，在膜的中间是磷脂双分子层，实际上包括两层磷脂分子，这是细胞膜的基 本支架，由它支持着许多蛋白质分子。有些蛋白质分子排布在磷脂双分子层的外侧，镶嵌在膜的表层，另一类蛋白质分子，有的嵌插在磷脂双分子层中，有的甚至贯穿在整个磷脂双分子层中。分布在磷脂双分子层表层的蛋白质分子，与嵌插、贯穿在内的蛋白质分子，是不均匀、不对称的。构成细胞膜的磷脂分子和蛋白质分子大都是可以流动的，而不是静止的。细胞膜的这种结构特点，对于它完成各种生理功能是非常重要的。在细胞膜的外表，有一层由细胞膜上的蛋白质与多糖结合形成的糖蛋白，叫做糖被。它在细胞生命活动中具有重要的功能。例如，消化道和呼吸道等表皮细胞表面的糖蛋白有保护和润滑作用，而尤其是糖被对于细胞表面的识别有密切关系。经研究发现，动物细胞表面糖蛋白的识别作用，好比是细胞与细胞之间，或者细胞与其他大分子之间，互相联络用的文字或语言。 以前认为细胞的表面仅仅有一层细胞膜而已，现在认识到细胞膜是一个复合的结构体系，并且也是一个多功能体系。据目前的研究知道，细胞表面主要包括：细胞膜、糖被和膜下溶胶层，以及细胞表面的一些特化结构，细胞之间的各种联结结构。关于细胞表面的研究，还需进一步探讨。

细胞膜有多方面的重要功能，它与细胞的物质交换、细胞识别、分泌、排泄、免疫等都有密切的关系。

活细胞不停地进行新陈代谢作用，它必须不断地与周围环境交换物质，物质通过细胞膜进出细胞。离子和小分子物质进出细胞主要通过自由扩散和主动运输等方式，而大分子和颗粒性物质主要通过内吞作用进入细胞。

自由扩散 这种方式是被选择吸收的物质，从浓度高的一侧通过细胞膜向浓度低的一侧转运，例如O2、CO2、甘油、乙醇、苯等物质，可以从浓度高的一侧转运到浓度低的一侧。这种物质出入细胞的方式叫做自由扩散。自由扩散不需要消耗细胞内新陈代谢所释放的能量，是一种简单的运输方式。这种方式与主动运输相比，叫做被动运输。

主动运输 主动运输的特点是被选择吸收的物质是从浓度低的一侧，通过细胞膜运输到浓度高的一侧，必须有载体蛋白质的协助，需要消耗细胞内新陈代谢所释放的能量(如图)。例如，轮藻细胞中K+的含量比它所生存的水环境中的K+多63倍。人的红细胞中K+的浓度比血浆中K+的浓度要高出30倍，而红细胞中Na+的浓度却比血浆中Na+的浓度低6倍。可见，轮藻细胞和人的红细胞具有不断地积累K+和运出Na+的能力，以致不会使细胞膜内外的K+和Na+的浓度达到平 衡。因为这种物质出入细胞的方式，一般是物质从浓度低的一侧运输到浓度高的一侧，所以，需要消耗细胞内新陈代谢所释放的能量。主动运输这种物质出入细胞的方式，能够保证活细胞按照生命活动的需要，主动地选择吸收所需要的营养物质，排出新陈代谢产生的废物和对细胞有害的物质。可见，主动运输对于活细胞完成各项生命活动有重要作用。上面讲述的物质通过细胞膜出入细胞的两种方式，可以说明细胞膜是一种选择透过性膜。这种膜可以让水分子自由通过，细胞要选择吸收的离子和小分子也可以通过，而其他的离子、小分子和大分子则不能通过。

细胞的内吞作用和外排作用 大分子和颗粒性物质主要通过内吞作用进入细胞。这些物质由于与细胞膜上的某些蛋白质有特异的亲和力而附着在膜上，然后这部分细胞膜内陷，形成小囊，这些物质就被包围在内。接着，小囊从细胞膜上分离下来而形成小泡，并且进入细胞内部，这种现象叫做内吞作用。与内吞作用相反，有些物质在细胞膜内被一层膜所包围，形成小泡，小泡逐渐移到细胞表面，小泡膜与细胞膜融合在一起，并且向细胞外张开，使内含物质排出细胞之外，这种现象叫做外排作用。细胞通过外排作用向外分泌物质。 植物细胞在细胞膜的外面还有一层细胞壁，它的化学成分主要是纤维素和果胶。细胞壁对于植物细胞有支持和保护作用。

人类探索细胞的历史

早在细胞发现之前，人们已对人体的构造进行了研究。公元十一二世纪，我国已有根据实物 绘制的人体解剖图谱。1543年，比利时解剖学家维萨里发表了《人体的构造》，逐步建立了解剖学。但维萨里本人却受到宗教迫害，1564年死在流放的岛上。他的学生继续他的工作，终于以事实证明了教会的荒谬无知。1604年，英国医生哈维正式在伦敦开设解剖学讲座。1625年，他又用实验的方法发现了血液循环。科学家在解剖学上的胜利，不仅为解剖学的发展扫清了道路，也为人类探索细胞世界打下了思想基础。但是由于人眼的分辨率只有100微米，不能看出小于100微米的物体。而组成动植物身体的大多数细胞才20～30微米。因此，在显微镜发明之前，还不可能知道细胞是什么东西。人类对于客观世界规律的正确认识，不是凭空产生的，而是在实践中继承和积累起来的，人们对细胞世界的认识也不例外。细胞学的发展总是和观察工具的发展联系在一起的。

1665年，英国科学家胡克用自己制作的显微镜观察了用锋利小刀切下的一片薄的软木，他看到了木片是由许多蜂窝状小格子组成的。他把这一个个的小室叫做"细胞"。当时他认为这些小室起着和动物身体中血管类似的作用，在生活时有液体在其中流动以运送营养。事实上，他当时看到的只是已经死亡的植物细胞的细胞壁。但是胡克在《显微图谱》中有关细胞的描写，是人类对细胞的首次观察记录。

荷兰生物学家列文虎克用业余时间研究并制作显微镜。1675年，他向伦敦皇家学会报告了用自制显微镜对一滴水中的单细胞生物的观察。他还是首次观察到活鱼红血球中细胞核的人。

细胞的研究大门打开了。但由于当时所用的显微镜都是手工磨制的，时间长，价格贵，质量差。由于受到研究工具的限制，因此，从1675－1830年间的150多年中，有关细胞的知识几乎没有什么进展。

1830年后，随着工业生产的发展，显微镜制作克服了镜头模糊与色差等的缺点，分辨率提高到1微米，显微镜也开始逐渐普及。改进后的显微镜，细胞及其内含物被观察得更为清晰。1839年，德国植物学家施莱登从大量植物的观察中得出结论：所有植物都是由细胞构成的。与此同时，德国动物学家施旺做了大量动物细胞的研究工作。当时由于受胡克的影响，对细胞的观察侧重于细胞壁而不是细胞的内含物，因而对无细胞壁的动物细胞的认识就比植物细胞晚得多。施旺进行了大量研究，第一个描述了动物细胞与植物细胞相似的情况。

细胞学说的创立，有着巨大的哲学意义。18世纪时，差不多整个化学界和生物界对生命现象仍然是不可理解的，认为是上帝创造天下，许多反科学的迷信论断遮住了人们的双眼。细胞的发现使人们从表面上无限多样的生物世界中看到了它的统一性，尤其是施旺和施莱登宣布，从单细胞生物到高等动植物，包括人在内的所有生物都是由细胞组成的。人们终于明白了，世界上的万物都是由细胞组成的，并不是由哪个神灵凭空创造出来的。因此，恩格斯对细胞学说的评价很高，指出这是19世纪自然科学最有决定意义的、伟大的三大发现之一。

细胞学说的创立，也是生物科学发展的一个里程碑，对生物科学的发展有着深远的影响。人们开始对各种有机体的细胞组成进行广泛的研究。1870年发明了切片机，能把组织的细胞群体切成几微米的薄片供显微镜观察；新的工业染料的发现与合成，使细胞能被有效地染上颜色，在显微镜下观察就显得更为清晰。光学显微镜提供了研究细胞结构的重要教学手段，人们逐步认识了细胞核及其作用。

随着对细胞的不断深入研究，光学显微镜就显示出了明显的局限性，由于它以可见光作为光源，因此在观察物体时，分辨能力必定受到限制。

生命的基质----细胞

这是一群围绕着自己产下的印乱转的昆虫，它们似乎在举行某种欢庆仪式，以表达新生命产生的庄严与神圣。

自从生命在地球上出现以来，生物区对生命的产生方式和生命的萌芽物产生了某种特有的崇拜与依恋槽结——鸟类精Its＼孵卵，人类十目怀路，生命惟有在母性的抚爱中才能够诞生井茁壮成长，这是生命的本能。直到1665年英国人罗伯特·胡克发现了细胞，解开生命之谜的大门才渐渐开启。当年，胡克用他的那架老掉牙的显微镜观察软木片的切片时竟然发现了许多小空洞，空洞中布满了气孔，除此之外一无所有。那时候，胡克并不知道，他亲自打开了充满了奥妙与神奇的生命宝盒。现在，显微镜的发展使人们已经十分清楚，所有的生命都是由这些被称为“细胞”的小率洞组成的。细胞乃是生命的原型与基质，其内部结构及功能相当复杂，远非胡克所认识得那样简单。今天，人们在高倍显微镜下可以清晰地看到细胞的内部结构。植物细胞的外面有细胞壁，细胞与细胞之间有一层胶状物，把两个细胞壁紧紧地粘合在一起。在相邻两个细胞之间的壁上有胞间连丝，使细胞之间彼此互通。此外，植物细胞内还有细胞质和细胞核。细胞质内有核糖体、内质网、高尔基体和液泡等内容物。核糖体是合成蛋白质的地方，内质网和高尔基体有合成、包装和运输物质的功能。细胞质内还有丝状和管状结构，类似细胞的肌肉和骨架，与细胞的运动有关。细胞核内有核膜，使核与细胞质分开。此外还有染色质和核仁。细胞核是细胞的“中枢”，是遗传信息储存、复制和转录的场所。细胞内还有两个较大的细胞器，就是线粒体和质体。线粒体能起呼吸作用。动物细胞与植物细胞最显著的区别是它的表面由一层质膜包裹，控制着细胞内外物质的运输。在电子显微镜下，质膜的结构变化多端，有的向内折叠成手指状，有的向外凹陷，形成月芽状。

有的细胞，人的肉眼就可以看见，比如鸟类的蛋，最大的直径达10厘米；最小的细胞直径只有0．互微米，比如原始细菌，要用高倍显微镜才能够看清楚。细胞的形状千差万别，有球体、多面体、纺锤体和柱状体等。通常，细胞的结构和功能密切相关，如神经细胞能够伸展好几米，有利于传导外界的刺激信息。

以上内容都是今天人们所熟知的自然常识，而在19世纪30年代德国植物学家施莱登和生理学家施旺创立细胞学说之前，细胞在人们心目中的印象还是相当模糊的。在他们所共同创立的细胞学说中，细胞被认为是“一个具有生命特性的有机体，整个动物和植物体乃是细胞的集合体，细胞是生命体结构与功能的基本单位，它们依照一定的规律排列在动植物体内”。

施莱登和施旺均探讨过细胞的成长发育过程，他们深信，既然所有的生命在结构上都由细胞组成，那么所有生命的发生也应当从一个细胞开始，组织的发育必定是通过细胞的增殖进行的。施莱登、施旺的以上观点后来被德国生物学家韦尔素概括为一句名言：“一切细胞都来自细胞。”韦尔素的这句名言也暗含了另外一层意思：一切生命均来自于生命，因此，细胞也可以恰如其分地被认为是全部生命的基质。

现在看来，细胞学说的创立和细胞对于生命的重要性如同原子学说和原子对于物理、化学的重要性，它们把生命的奥秘和生命本身浓缩到了一个微观境界。由于细胞的发现，人们不仅知道一切高能有机体都是按照一个共同的规律生长发育的，而且通过细胞的变异，不断地改变自己，并向更高的生命层次迈进。和达尔文进化论一样，细胞学说也被誉为19世纪的三大发现之一。