淺談細胞學說的建立到細胞生物學的發展

李穎靚

【摘要】細胞生物學是研究細胞結構、功能及生活史的一門科學。本文從細胞學說的建立和細胞學的形成、電鏡下的細胞和細胞生物學的興起以及現代細胞生物學與分子生物三方面,簡述了細胞生物學的發展歷程。

【關鍵詞】細胞學 細胞生物學 分子生物學

細胞是生命活動的基本結構與功能單位,它是由蛋白質、核酸、脂類等生物大分子組成的物質系統。細胞生物學是生物科學的基礎,細胞生物學已經成為當代生物科學中一門發展最快的尖端學科。

一、細胞學說的建立和細胞學的形成

從16世紀后期到19世紀30年代,是細胞發現和細胞知識的積累階段。英國羅伯特·胡克(1633—1703年)是第一個給細胞命名的科學家。1809年,德國的自然哲學家、博物學家奧肯(1779—1851年)提出了原漿原胞的假說,可以說是細胞學說的萌芽。1838年,德國植物學家施萊登(sehleiden,1935)和動物學家施旺(Sehwann,1939)分別根據各自的研究,總結出了細胞學說,并由施旺加以定義化。雖說細胞學說是由施萊登和施旺正式創立的,但是細胞學說的基本觀點則在他們之前就提出來了。客觀而論,杜特羅切特也不失為細胞學說的奠基人之一。施旺正確地提出了細胞學說,可是他對細胞的來源問題卻是模糊不清的。后來,病理學家魏爾和(virchow,1858年)明確提出:“細胞來自細胞”。完整的細胞學說包括了三個內容:1.細胞是多細胞生物的最小結構單位。對單細胞來說,一個細胞即是一個個體。2.多細胞生物的每一個細胞為一代謝活動單位,執行特定的功能。3.細胞只能由細胞分裂而來。其中第3點則是反映了魏爾和創立的觀點。因此所謂的細胞學說顯然是包含了魏爾和的重大貢獻。[1]

自細胞學說的建立到十九世紀末是細胞學發展史上的一個黃金時代。在此期間相繼發現了有絲分裂(w.Flemming,1850)、中心體(T.Bovori,1588)、染色體(W.Waldeyer,1890)、高爾基體(C.eolgi,1898)、線粒體(C.Benda,1898)。正在這一興旺發達時期,德國胚胎學家和解剖學家赫特維格(Hertwig,1892)發表了“細胞與組織”的論文。他得出結論認為:“生物變化過程是細胞變化過程的反映”。[2]這篇論文的發表,標志著細胞學做為一門獨立的生物學科形成了。

二、電鏡下的細胞和細胞生物學的興起

世界上第一架電鏡是1935年由德國科學家魯斯卡(Ruska)設計制造的。電子顯微鏡的發明又把細胞帶入了第三個大發展時期。本世紀四五十年代,人們利用電鏡不僅發現了一些微小的細胞器,而且還觀察了一些細胞器的內部細微結構,即超微結構。

1961年布拉舍(J.Bracbet)根據細胞在電鏡下的形象,繪制了一個細胞模式圖。這是細胞學史上的第三個具有代表性的細胞模型。[3]

電鏡的使用使人們對細胞結構的認識更加精細了,同時結合分子生物學的進展,進一步了解到細胞的各種生命活動是發生在細胞的各級結構水平上。戴羅伯底斯(E.D.P.DeRobortis,1960)在其第三版《普通細胞學》中就這樣寫道:“我們現在正處在亞顯微生物學時代。這就是研究組成原生質體系的分子和分子團的形態、集合方式和空間排列方式。這亞微世界的發現非常重要,因為組成它的分子和分子團、酶、激素等以及各種代謝產物之間,產生著生命現象所特有的全部化學變化和能量轉變刀。”[4]這一見解精辟地反映了在使用電鏡和提出DNA分子雙螺旋模型之后,學者們對細胞的認識又進入了一個新的境界,也預示著細胞學正在孕育著新的飛躍。1965年戴羅伯底斯將其第四版的細胞學教科書更名為《細胞生物學》(CellBiology)。[5]細胞生物學不同于細胞學主要表現在兩方面:1.深刻性。它從超微結構和分子水平對細胞進行剖析,從細胞各級結構水平上探尋生命活動的根據。細胞學則是著重于細胞結構的形態和功能的描述。2.綜合性。它所研究的內容廣泛,涉及到生理學、生物化學、免疫學、遺傳學、發育生物學等。因此細胞生物學不是電鏡下的細胞學,而是生命現象的細胞基礎。

三、現代細胞生物學與分子生物學

二十世紀五十年代由于受電鏡分辨力和標本固定技術的限制,對所謂的細胞質基質的結構幾乎一無所知。二十世紀六十年代,由于電鏡標本固定技術的改進,人們發現在基質中還有微管和微絲的存在。七十年代在高壓電鏡下又發現了更細微的網架狀的微梁系統。至此人們認識到,所謂的細胞質基質中也具有一定秩序的立體空間結構,這些結構形成了縱橫交錯的“骨架”。細胞骨架同細胞器的空間分布和功能活動有著密切的關系,各種成分總是處于動態平衡之中。波特(K.R.Porter)于1976年繪制了細胞微梁網架的模式圖。[6]這個模式圖雖然稱不上第四個細胞模型,但它卻在細胞局部上刷新了過去的一些概念。

把各種生命活動同細胞的分子結構變化聯系起來,是現代細胞生物學的基本特征。分子生物學的興起恰是反映了這種發展趨勢,它正是要從分子的物理化學變化,探索生命活動的機理。在現代細胞生物學中必須樹立起分子在細胞中的空間結構和時間順序變化的概念。近二十年來,細胞生物學已取得了不少成就,但從分子水平上徹底弄清細胞生命活動的規律,尚有大量的工作要做。我們可以預期,總有一天人類將會有技術顯示出構成超微結構的分子三維結構變化。當前細胞生物學正面臨著分子解剖的艱巨任務。

可以預見,在未來的時代細胞生物學仍然是生命科學的領頭學科,是支撐生物技術發展的基礎科學。

【參考文獻】

[1]Bruce Alberts et al. Molecular Biology of the Cell 4th. Garland Science, 2002.

[2]裴新澍.生物進化控制論[M].北京:科學出版社,1998.

[3]Harvey Lodish et al. Molecular Cell Biology 4th. W. H. Freeman and Company, 1999.

[4]楊建明.化學與生命[M].長沙:湖南教育出版社,2000.

[5]VGerald Karp. Cell and Molecular Biology: Concepts and Experiments 3rd. Wiley & Sons, 2002.

[6]黃厚哲.生物學概論[M].北京:高等教育出版社,1994.