细胞生物学发展简史

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人类第一次发现细胞到现在已有三百多年的历史。随着科学技术和实验手段的进步，人们对细胞的认识由浅入深、由表及里，导致了当今细胞生物学的兴起与发展。根据其发展过程，可分为四个时期，即细胞学说的创立、细胞学的经典时期、实验细胞学的发展和细胞生物学的兴起。(一)细胞学说的创立

1665年，英国的物理学家胡克(R.Hooke)用自制的显微镜观察了软木(栎树皮)和其他植物组织，发表了《显微图谱》(micrographia)一书，描述了软木是由许多小室组成，状如蜂窝，称之为“细胞”(cell原意为小室)。实际上，胡克在软木组织中所看到的仅是植物死细胞的细胞壁。这是人类第一次看到细胞轮廓，人们对生物体形态的认识首次进入了细胞这个微观世界。1675年列文虎克(A.V.Leeuwenhoekia)用自制的用自制的显微镜第一次观察发现了活细胞，先后观察了池塘水中的原生动物、动物的精子，在蛙鱼的血液中发现了红细胞；1683年，他又在牙垢中看到了细菌。1831年，布朗(R.Brown)在兰科植物的叶片表皮细胞中发现了细胞核。1836年，瓦朗丁(Valentin)在结缔组织细胞核内发现了核仁。至此，细胞的基本结构都被发现了。1835年杜雅丁（E.Dujardin）在低等动物根足虫和多孔虫的细胞内首次发现了透明的胶状物质的内含物，称之为“肉样质”。1839年，捷克生理学家普金耶（J.E.Purkinje）把填满动物细胞的胶状液体定名为原生质（生命的原始物质）。1846法国植物学家冯·默尔用原生质概括细胞中的所有内含物（包括细胞质和细胞核）。十九世纪末，英国博物学家托马斯·亨利·赫胥黎（ThomaHenryHuxley，1825—1895）给原生质下了一个定义：原生质是生命的物质基础。1861年德国解剖学家舒尔策(MaxSchultze)认为有机体的组织单位是一小团原生质，这种物质在一般有机体中是相似的，并把细胞明确地定义为：“细胞是赋有生命特征的一团原生质，其中有一个核”。1880年Hanstain将细胞概念演变成由细胞膜包围着的原生质，分化为细胞核和细胞质。在19世纪以前，许多学者的工作，都着眼于细胞的显微结构方面，主要从事于形态上的描述，而对各种有机体中出现细胞的意义，均未作出理论上的阐述和概括。1838-1839年，德国植物学家施莱登(M.J.Schleiden)和动物学家施旺(T·Schwann)根据自己研究和总结前人的工作，首次提也了细胞学说(celltheory)。他们认为“一切生物从单细胞到高等动、植物都是由细胞组成的；细胞是生物形态结构和功能活动的基本单位”。20年后另一位德国科学家魏尔肖（RudolfVirchow)作出了另一个重要的论断：所有的细胞都必定来自已存在的活细胞。至此，以上三位科学家的研究结果加上许多其他科学家的发现，共同形成了比较完备的细胞学说。由此论证了生物界的统一性和共同起源。恩格斯曾对细胞学说的建立给予了高度的评价，认为它是19世纪自然科学上的三大发现之一(细胞学说、达尔文进化论、能量转化与守恒定律)。他指出，首先是三大发现，使我们对自然过程的相互联系的认识大踏步地前进了：第一次发现了细胞，发现细胞是这样一个单位，整个植物体和动物体都是从它的繁殖和分化中发育起来的。由于这一发现，我们不仅知道一切高等有机体都是按照一个共同规律发育和生长的，而且通过细胞的变异能力指出有有机体能改变自己物种并从而能实现一个比个体发育更高的发育道路。由此可见，只有在细胞学说建立之后，才能明确提出细胞是生物有机体的结构和生命活动的单位，又是生物个体发育和系统发育的基础。显然，细胞学说的创立是细胞学发展史上的一个重要里程碑，此后细胞学很快发展成为一门新的独立学科，并成为细胞生物学发展的起点。

细胞学说一经创立，很快深入到各个领域中去。在1885年，德国病理学家魏尔肖(R.Virchow)把细胞理论应用于病理学，证明病理过程在细胞和组织中进行，提出了“疾病为外力引起细胞间内战”的著名论断，发展了细胞病理学，支持与丰富了细胞学说。

(二)细胞学的经典时期

从19世纪中叶到20世纪初叶，这一时期细胞学得到蓬勃发展，研究方法主要是显微镜一的形态描述，称为细胞学的经典时期。

这一时期，首先是实验技术的革新。研究的主要特点是应用固定和染色技术，在光学显微镜下观察细胞的形态结构和细胞的分裂活动。Corti(1851年)和Hartig(1854年)等使用洋红、Bōhm(1865年)使用苏木精，对细胞进行染色；Oschatz设计出第一台切片机，而ErnestAbbe'(1887年)设计出一台复式显微镜并具有消色差物镜、载物台下聚光器和照明，这些技术和仪器观察细胞形态和微观结构都起到了重要的推动作用。

1841年，雷马克(Remak)在观察鸡胚的血球细胞时，发现了细胞的直接分裂。其后，费勒明(Flemming)在动物细胞中以及施特拉斯布格(Strasburger)在植物细胞中发现了间接分裂。1882年，费勒明又把直接分裂称为无丝分裂(amitosis)，间接分裂称为有丝分裂(mitosis)。1883年范·贝内登(VanBeneden)、1886年，施特拉斯布格又分别在动、植物细胞中发现了减数分裂(meiosis)。此外，1875年，赫特维希(O·Hertwig)发现卵的受精和精卵两亲本核的融合。1888年，沃尔德耶(Waldeyer)把分裂细胞核内的染色小体命名为染色体(chromosome)。

19世纪末叶，人们对细胞质的形态观察也较注意，相继观察到几种重要的细胞器。1883年范·贝内登和博费里(Boveri)发现了中心体；1897年，斑达(Banda)发现了线粒体；1898年，高尔基(Golgi)发现了高尔基体。由于诸多发现，使大家对细胞结构的复杂性有了较为深入的理解。

(三)实验细胞学的发展

从20世纪初叶到中叶，为实验细胞学的发展时期。此期间，细胞学的研究从形态结构的观察深入到生理功能、生物化学、遗传发育机制的研究。利用20世纪的新技术、新方法，在相邻学科的渗透下采用了实验手段，使细胞学与有关学科相互渗透，从而逐渐形成一些分支学科。特别是这一阶段后期，由于体外培养技术的应用，使实验细胞学得到迅速发展。

1887年，赫特维希克弟(O.Hertwig和R.H)用实验方法研究海胆卵的受精作用和蛔虫卵发育中核质关系，将细胞学与实验胚胎学紧密结合起来，发展了实验细胞学。此后，人们广泛应用实验手段与分析的方法来研究细胞学中的一些基本问题，为细胞学的研究开拓了一条新途径。从1900年孟德尔(Mendel)遗传法则被重新发现，1902年博韦里(T.Boveri)和萨顿(W.S.Sutton)提出“染色体遗传理论”，到1926年摩尔根(Morgan)的《基因论》一书的出版，使细胞学与遗传学相结合，形成了细胞遗传学。1943年，Cloude应用高速离心机从活细胞中把细胞核和各种细胞器(如线粒体、叶绿体、微粒体等)分离出来，分别研究它们的生理活性，这对了解各种细胞器的生理功能和酶的分布，起了很大作用。在细胞化学方面，1924年，孚尔根(Feulgen)首创核染色反应，即Feulgen染色法，测定了细胞核内的DNA。其后，1940年，布勒歇(Brachet)应用昂纳(Unna)染液染色，测定了细胞中的RNA。与此同时，卡斯柏尔森(Casperson)用紫外光显微分光光度法测定细胞中DNA的含量。还有实验说明，蛋白质的合成可能与RNA有关。从20世纪40年代开始，电子显微镜的应用，使细胞形态学的研究深入到亚显微水平。1933年，Ruska设计制造了第一台电子显微镜，其性能远远超过了光学显微镜.电子显微镜的分辨率由最初的500nm改进到现在的0.2nm，放大倍数可达到几十万倍以上。1949年，Soverdlow发明了异丁烯酸定理，1952年，Palade使用锇酸固定法，1953年，设计了超薄切片用的切片用的切片机。由此，许多学者用电镜技术观察了细胞内各种细胞器的亚微结构，如内质网、高尔基体、线粒体、溶酶体等。因而，对细胞质的结构和功能的认识又深入了一步，使细胞学的研究得到全面的发展。1981年瑞士科学家盖尔德·宾尼（GerdBining）和海因里希·罗雷尔（HeinrichRohrer）在苏黎世（Zurich）的IBM实验室发明了扫描隧道显微镜（scanningtunnelingmicroscope），与电镜发明者Ruska同获1986年度的物理学诺贝尔奖。STM使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景，被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一

。1928年E.H.Synge提出了一种可以克服(远场)衍射极限的方法：用一个直径比波长小很多的小孔光阑作光源并使其离试样的距离也小于一个波长，则成像的分辨率将受小孔尺寸的限制。由于技术上的困难，直到1982年发明了扫描隧道显微镜(

STM)，这种近场光学显微镜才可能实现。1989年R.C.Reddick等制成光子扫描隧道显微镜PSTM

，其机理与STM相似，分辨率优于光波半波长值。而且可以利用光学显微镜成熟的多种成像机制和方法研究观察大气条件下的透明体等一般电子显微镜和扫描隧道显微镜难以解决的课题，引起世人瞩目。光子扫描隧道显微镜是一种特殊的光学显微镜，它利用全内反射的隐失场，打破了传统光学显微镜衍射极限的限制，实现了纳米水平的分辨率。它不仅可以观测样品的表面形貌，而且可以测量样品的微区折射率分布情况。事实上，电子扫描隧道显微镜（ESTM)与光子扫描隧道显微镜(PSTM)不论在机理上,还是在结构上都有着极为相似的一面。相比之下，光子扫描隧道显微镜可以说是显微仪器家族的新成员，其理论基础来源于近场光学。左图是PSTM的作用机理图示，右图是光子扫描隧道显微镜的基本构造图示。相对于扫描电镜，光子扫描隧道显微镜由于不需要真空条件，使用成本和维修费用都很低，其应用范围也较为广泛，尤其在生物工程等领域，更具优势。因为电子显微镜的真空工作环境对活细脆具有直接的破坏作用，而PSTM则可以看到活细胞的三维立体图像。(四)细胞生物学的兴起

从20世纪50年代开始，逐步开展了在分子水平上研究细胞的结构和功能，这方面的研究成果以及分子生物学取得的巨大成就，大大促进了细胞生物学的兴起和发展。

20世纪40年代，随着生物化学、微生物学与遗传学的相互渗透和结合，分子生物学开始萌芽。1941年，比德尔(Beadle)和塔特姆(Tatum)提出了“一个基因一个酶”的理论。1944年，艾弗里(Avery)等在生物的转化实验中证明了DNA是遗传物质，1948年，博伊文(Boivin)等从测定生殖细胞和各种体细胞中DNA的含量，提出了DNA含量恒定理论。1953年沃森(Watson)和克里克(Crick)用X射线衍射法得出了DNA双螺旋分子结构模型，这一划时代的成就，奠定了分子生物学的基础。1956年科恩伯格(Kornberg)从大肠杆菌提取液中获得了DNA聚合酶，并以该菌的DNA单链片段为引物,在离体条件下第一次成功地合成了DNA片段的互补链。1958年，梅塞尔森(Meselson)等利用放射性同位素与梯度离心法，分析了DNA的复制过程，证明了DNA复制是“半保留复制”。同年，克里克又创立了遗传信息传递的“中心法则”。1961年，尼伦堡(Nirenberg)和马泰(Matthaei)等通过对核糖核酸的研究，确定了每一种氨基酸的“密码”。同年，雅各布(Jacob)和莫诺(Monod)又提出了操纵子学说。由于这些分子生物