细胞的基本概念

第一节　细胞的基本概念

一、从细胞到生物圈

地球上的生物种类繁多，各种各样的生物都具有一个共同点，即所有的生物都是由细胞及其产物组成。

单个细胞就能完成各种生命活动。生物圈中存在着众多的单细胞生物，比如细菌、单细胞藻类、单细胞动物等。许多植物和动物是多细胞生物，他们依赖各种分化的细胞密切合作，共同完成一系列复杂的生命活动。例如，以细胞增殖、分化为基础的生长发育;以细胞内记忆的传递和改变为基础的遗传与变异等等。离开细胞，就没有神奇的生命乐章，所以生物的一切生命活动的基础在于细胞的正常工作，只有细胞的新陈代谢正常，才能使生物体的新陈代谢正常。

一切生物体，从最低等的原核生物到高等的人类，都是多层次的、结构复杂的系统，每一层次都有自己特殊的矛盾和运动规律，并显示出新的特征。生命系统的结构层次包括细胞、组织、器官、系统、个体、种群和群落、生态系统、生物圈8个层次。细胞是生物体的结构功能的基本单位，是生物体进行生命活动的基本单位，是最基本的生命系统;组织是多种形态相似、结构和功能相同的细胞联合在一起而形成的细胞群;器官是由不同的组织按照一定的次序联合起来，形成的具有一定功能的结构;系统是彼此之间相互作用、相互依赖的组分有规律地结合而形成的整体，共同完成某种连续的基本功能，是器官的集合体;种群是一定空间和时间内的同种生物个体的总和;群落是一定自然区域中相互之间具有直接或间接关系的各种生物的总和;生态系统是各生物群落和周围无机环境相互综合作用形成的统一整体;生物圈是地球上最大的生态系统。从整体上看，各个层次间又是相互联系、相互依存、相互制约的，这就是自然界生命系统的层次结构(图3－1)。

图3－1　生命系统的结构层次

二、细胞的多样性和统一性

虽然所有的生物(病毒除外)都是由细胞组成的，但是不同生物体细胞的大小和形状有所不同。有的细胞肉眼就可以看得见;有的细胞直径只有0.1微米，要用高倍显微镜才能看到，如原始的细菌。大多数细胞的直径是10～100微米，用低倍显微镜就能看到。细胞的大小，即使在同一生物体的相同组织中也不一样。同一个细胞，处在不同发育阶段，它的大小也是会改变的。细胞的形状多种多样，有球体、多面体、纺锤体和柱状体等。由于细胞内在的结构和自身表面张力以及外部的机械压力，各种细胞总是保持一定形状。细胞的形状和功能之间也有密切关系。例如，神经细胞会伸展几米，这是因为伸长的神经细胞有利于传导外界的刺激信息。高大的树木为什么能郁郁葱葱，这是因为植物内的导管、筛管细胞是管状的，有利于水分和营养物质的运输。

构成各种生物体的细胞种类繁多，形态与功能各异，但是作为生命活动基本单位的细胞却又有大量的共同点:

1.所有的细胞都有类似的化学组成

组成细胞的基本元素是碳、氢、氧、氮、磷、硫、钙、钾、铁、钠与镁等，这些化学元素的构成形成了细胞结构、完成细胞功能所需要的无机化合物和有机化合物。最基本的生物小分子是核苷酸、氨基酸、脂肪酸与单糖，它们又构成核酸、蛋白质、脂质与多糖类等重要的生物大分子。生物大分子又常以复合分子的形式如核蛋白、脂蛋白、糖蛋白与糖脂等组成细胞的基本结构。

2.脂－蛋白体系的生物膜

所有的细胞表面均有由磷脂双分子层与镶嵌蛋白质构成的生物膜。细胞质膜使细胞与周围环境保持相对的独立性，形成相对稳定的细胞内环境，并通过细胞质膜与周围环境进行物质交换和信息传递。

3.DNA－RNA的遗传装置

细胞有两种核酸，即DNA和RNA，作为遗传信息复制与转录的载体。而非细胞形态生命体病毒只有一种核酸，即DNA或RNA，作为遗传信息的载体。

4.一分为二的分裂方式

所有细胞的增殖都以一分为二的方式进行分裂，遗传物质在分裂前复制加倍，分裂过程中均匀分配到两个子细胞内，这是生命繁衍的基础和保证。

为什么说细胞是生命活动的基本单位呢?

1.一切有机体都是由细胞构成，细胞是构成有机体的基本单位。

一切有机体均由细胞构成，只有病毒是非细胞形态的生命体。单细胞生物的有机体仅由一个细胞构成。多细胞生物的有机体根据其复杂程度由数百乃至万、亿计的细胞构成。应该指出，构成高等生物体的细胞虽然是高度“社会化”的，具有分工与协同的关系，但是它们仍保持着形态与结构的独立性，每个细胞都具有自己独立的一套“完整”的结构体系。

2.细胞具有独立的、有序的自控代谢体系，细胞是代谢与功能的基本单位。

在有机体一切代谢活动中，细胞表现为一个独立的、有序的、自动控制性很强的代谢体系。在细胞内一切生化过程与试管内生化过程的根本不同点是:细胞是一个程序严格、自动控制的代谢体系，这是由细胞自身构成的装置及其协调性所决定的，是长达数十亿年的进化产物。细胞结构完整性的任何破坏，都会导致细胞代谢有序性与自控性的失调。虽然我们对细胞的知识领域还存在大片的空白，但我们确信即使是一个最简单的细胞，也比迄今设计出的任何计算机更为精巧。

3.细胞是有机体生长发育的基础。

一切有机体的生长与发育都是以细胞的增殖与分化为基础的。有机体的生长与发育是依靠细胞的分裂、细胞体积的增大、细胞的分化与凋亡来实现的，不管这些过程是如何繁复，但是毋庸置疑，细胞是生长与发育的基本单位。

4.细胞是遗传的基本单位，细胞具有遗传的全能性。

在一般情况下，每个细胞，不论是低等生物或高等生物的细胞、单细胞生物或多细胞生物的细胞、结构简单或复杂的细胞、未分化或分化的细胞，都包含全套的遗传基因，也就是说它们具有遗传的全能性。

除了上述的认识外，我们还必须强调，病毒虽然是非细胞形态的生命体，但是它们必须在细胞内才能表现出基本的生命特征。因此，就病毒而言，细胞是生命活动的基本单位这一概念也是完全合适的。

三、原核细胞和真核细胞

根据有没有成型的细胞核，细胞可分为原核细胞和真核细胞两类。由原核细胞构成的生物为原核生物，真核细胞构成的生物为真核生物。

表3－1　原核生物与真核生物的区别

四、细胞学说

十九世纪前研究者大多都着眼于细胞的显微结构研究，对各种有机体中出现细胞的意义一直没有作出理论概括，直到19世纪30年代德国人施莱登、施旺提出:一切植物、动物都是由细胞组成的，细胞是一切动植物的基本单位。这一学说即“细胞学说(Cell Theory)”。

施莱登，德国植物学教授，1838年发表“植物发生论”，认为无论怎样复杂的植物都由形形色色的细胞构成。他还在细胞中发现了核仁。

施旺，德国解剖学教授，一开始就研究施莱登的细胞形成学说，他完全接受了这个学说，并把它扩展为所有生命现象的起源和基础的理论。他把施莱登在植物中的发现应用到动物研究中，并于1838年提出了“细胞学说”(Cell Theory)这个术语;1839年发表了《关于动植物结构和生长一致性的显微研究》，因此细胞学说的创立被认为归功于施莱登和施旺两个人。当时“细胞学说”的基本内容是:(1)细胞是有机体，一切动植物都是由细胞发育而来，并由细胞和细胞产物所构成。(2)每个细胞作为一个相对独立的单位，既有它“自己的”生命，又对与其他细胞共同组成的整体的生命有所助益。(3)新的细胞可以通过已存的细胞繁殖产生。除此以外，施莱登还认识到细胞核作用的重要性。“细胞学说”对当时生物学的发展起了巨大的促进和指导作用，恩格斯将细胞学说誉为19世纪的三大发现之一。