第一篇 总论
第一章 绪论
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内容提要
在21世纪，细胞生物学是生命科学前沿的、*活跃的、具有良好发展前景的学科。本章介绍了细胞生物学的基本概念及主要研究内容，突出了细胞生物学以细胞为着眼点，与其他学科的概念和方法相互结合，来阐明生命现象的本质。本章还介绍了细胞生物学的发展历史，了解细胞生物学学科体系的产生和发展历程，有助于人们加深对细胞生物学研究现状及研究趋势的认识。
第一节 细胞生物学的研究内容
细胞生物学（cell biology）是一门研究细胞的结构、功能以及结构和功能之间关系的基础学科，它主要应用现代物理学和化学的技术与分子生物学的概念及方法，以将细胞作为生命活动基本单位的思维为出发点，探索生命活动规律，核心问题是将遗传与发育在细胞水平上结合起来。
细胞生物学是生命科学领域的重要支柱和核心基础学科，与其他相关学科之间存在密切的联系。细胞生物学是一门从显微水平（microscopic level）、亚显微水平（submicroscopic level）和分子水平（molecular level）上研究细胞基本生命活动现象及规律的学科。
细胞是构成自然界生命体的基本单位，每一个细胞都是一个相对独立的、自控的代谢体系，都是遗传发育的基础。细胞生物学学科的发展开始于“细胞”（cell）这一重要结构的发现，迄今为止，细胞生物学这门学科已有300多年的发展历史。当前，细胞生物学的很多研究都已深入到分子或原子水平，意味着人类对生命现象的认识进入了一个前所未有的阶段。
细胞是构成有机体的基本单位。除了病毒（virus）以外，所有的生命体都是由一个或者多个细胞组成的，生物体的一切生命现象都是细胞这个基本单位的代谢活动的体现。早在1925年，美国著名生物学家威尔逊（Edmund Beecher Wilson，图1-1）就说：“所有生物学的答案*终都要到细胞中去寻找。因为所有生物体都是，或者曾经是，一个细胞。”可以说，没有细胞就没有完整的生命。
自然界中，构成生物体的细胞分为原核细胞（prokar-yotic cell）、古细菌（archaebacteria）、真核细胞（eukaryotic cell）三大类，生物学家相应地将整个生物界分为原核生物（prokaryote）、古核生物（archaea）和真核生物（eukaryote）三大类群。几乎所有的原核生物均为单细胞有机体，由单个原核细胞构成，原核细胞无典型的细胞核（cell nucleus），无结构和功能高度分化的各类细胞器分布，遗传信息结构装置相对简单，如支原体细胞（mycoplasma cell）、细菌细胞（bacterial cell）、蓝藻细胞（cyanobacteria cell）等。古细菌的形态结构和遗传结构特征与原核细胞类似，但分子进化特征更接近真核细胞。目前已发现几百种古细菌，如产甲烷细菌类、嗜盐菌等。真核生物种类繁多，包括多细胞真核生物和单细胞真核生物，真核细胞结构相对复杂，具有由双层膜包被的细胞核，含有大量细胞器，遗传信息量大，DNA和蛋白质结合形成染色体等。然而，无论结构功能和分布部位有什么不同，所有的细胞几乎都由4类基本的生物分子组成，即核酸、蛋白质、糖类和脂类物质。
图1-1 著名生物学家E.B. Wilson
病毒（如噬菌体，图1-2）主要是由核酸和蛋白质组成的非细胞形态的生命体，是迄今发现地球上*小、*简单的有机体。病毒不仅没有细胞结构，而且也不能独立生存。由核酸分子（DNA 或RNA）与蛋白质构成的核酸-蛋白质复合体，称为真病毒（euvirus）；仅由一条感染性的RNA 分子构成的称为亚病毒（viroid）；仅由具有感染性的蛋白质构成的称为朊病毒（prion virus）。这些病毒均可在宿主的活细胞中完成增殖，表现出生命的基本特征。病毒的增殖过程包括吸附（adsorption）、侵入（penetration）、复制（replication）、成熟（maturation）和释放（release）5个基本步骤。
随着现代生命科学的迅猛发展，近几年细胞生物学也取得了突破性的进展。目前，对细胞结构、功能及生命活动现象的研究都已深入到了分子水平，部分研究成果甚至深入到了原子领域。而关于细胞的各种生命活动过程是如何有序而精确地被调控的，如细胞信号转导的途径、细胞周期的调控机制，以及细胞凋亡的分子机制和生物大分子的逐级装配途径等，都是当前细胞生物学领域的重点研究内容。
细胞生物学仍是一门发展中的新型学科，与分子生物学（molecular biology）、蛋白质组学（proteomics）、遗传学（genetics）及发育生物学（developmental biology）等相近学科交错发展，人们很难确切地划定其研究范围。但是与其他学科研究重点不同，根据近年来细胞生物学的发展趋势，其研究重点主要集中在：①生物膜与细胞器；②染色体的结构功能与基因表达；③细胞骨架体系；④细胞周期及其调控；⑤细胞分化及其调控；⑥细胞衰老与细胞凋亡的分子机制；⑦细胞的起源和进化问题；⑧细胞信号转导的主要途径及其生物学机制；⑨细胞结构体系的组装和去组装；⑩细胞社会学；细胞免疫学；干细胞工程技术研究等领域。
虽然近几十年来生命科学的发展取得了令人瞩目的成就，但还有很多生命现象无法解释。显然，这些问题的解决要依靠现代细胞生物学技术和方法的进步。而且细胞生物学广泛渗透于生物科学的各个学科并促进其发展，将在后基因组时代具有更大的发展空间。
图1-2 噬菌体结构模式图（Karp et al.，2016）
第二节 细胞生物学的发展简史
迄今为止，细胞生物学学科的发展已有300多年的历史，现代细胞生物学已发展到分子细胞生物学阶段。为进一步加深对细胞生物学基础研究知识和基本原理的理解，有必要了解细胞生物学的发展简史及主要的标志性研究成果。根据其发展历程，细胞生物学学科的发展大致可以划分为以下几个阶段。
1.细胞的发现时期
1665年，英国学者罗伯特 胡克（Robert Hooke）利用自制显微镜首次观察栎树软木塞的薄片，描述了植物细胞的结构，提出了“cell”这一术语（图1-3）。此后，1677年，荷兰著名学者安东尼 列文虎克（Antony van Leeuwenhoek）用设计较好的显微镜，又观察到了精子、细菌、纤毛虫等许多动植物的活细胞和原生动物，并且第一次描述了细胞核的结构。此后，对细胞的观察和研究引起了人们的广泛关注。但是，在较长一段时间内，人们对细胞的认识和对细胞与有机体之间的关系的概括没有上升到具有普遍指导意义的高度。
2.细胞学说的建立
1838年，在前人和自己研究工作的基础上，德国植物学家施莱登（M.J. Schleiden）和动物学家施旺（T. Schwann）共同提出了著名的“细胞学说”（cell theory），指出动植物都是细胞的集合体。细胞学说的主要内容是：①细胞是有机体，所有的动植物都是由细胞和细胞产物构成的；②每个细胞既是一个相对独立的单位，又与其他细胞共同作用形成完整的生命体；③所有的细胞均可以通过已存在的细胞增殖产生。
细胞学说提出了生物同一性的生物学基础，对现代生命科学的发展起到了极大的推动作用，促进了人类对整个自然界的认识。恩格斯将细胞学说、能量转化与守恒定律和达尔文进化论称为19世纪自然科学的“三大发现”。此外，施莱登还肯定了细胞核的重要性，指出细胞的繁殖是通过老的细胞核“分裂”实现的，1858年魏尔肖（R. Virchow）提出的“细胞来自细胞”对此说法做了重要补充。
3.细胞学的经典时期
细胞学说建立后的100余年，细胞学领域先后取得了一系列重要成果。例如，提出了原生质（protoplasm）理论；发现了细胞的无丝分裂（amitosis）、有丝分裂（mitosis）和减数分裂（meiosis）三种分裂方式；发现了中心体（centrosome）、线粒体（mitochondrion）和高尔基体（Golgi body）等一些重要的细胞器。根据这些研究成果，1925年，美国的E.B. Wilson绘制出了第一个细胞模式图（图1-4）。
4.实验细胞学和细胞学分支时期
1900～1950年的半个世纪中，人们广泛应用实验的手段与分析方法研究细胞学中的重要问题，这一时期被称为实验细胞学时期（experimental cytology）。在这一时期，细胞学与其他生物学科的渗透发展，形成了一些重要的分支学科，如细胞遗传学（cytogenetics），主要从细胞学角度研究染色体的结构和功能，以及染色体与其他细胞器之间的关系，从而阐明细胞遗传和变异的机制；细胞生理学（cytophysiology），主要研究细胞对周围环境的反应，细胞从环境中摄取营养物质的能力，细胞间的能量传递及获取途径，细胞的生长、发育和繁殖受环境的影响而产生的适应性和运动性等性状；细胞化学（cytochemistry），主要采用化学染色等方法研究细胞结构的化学组成，以及化学分子在生物体中的定位、分布及其生理功能。除此以外，还出现了细胞病理学、细胞社会学、细胞生物化学等学科。
图1-3 罗伯特 胡克自制的显微镜和观察到的栎树细胞壁（Karp et al.，2016）
5.细胞生物学学科的形成
细胞生物学这一名词曾由E.B. Wilson于1896年提出，而具有现代意义的细胞生物学被认为是伴随着分子生物学的发展兴起和成熟起来的。1953年，美国科学家沃森和英国科学家克里克提出的DNA 双螺旋结构（structure of DNA double helix）模型，以及克里克于1958年提出的遗传信息传递的“中心法则”（central dogma），标志着分子生物学的诞生，对细胞生物学的形成和发展起到了极为重要的推动作用。
细胞生物学的发展必然要经历从细胞水平、亚细胞水平和分子水平多个层次上研究细胞的结构和功能。于是，20世纪80年代以来，细胞生物学的发展逐渐深入到了分子水平，进而产生了分子细胞生物学。目前，细胞生物学研究总的特点是从静态分析到活细胞的动态综合，这在很大程度上也反映了生命科学的研究趋势。
第三节 细胞生物学的研究进展及发展现状
纵观细胞生物学的发展历程，很多重大发现都对细胞学的发展起到了极大的推动作用。细胞生物学开始于细胞的发现。19世纪上半叶，细胞学说的创立是细胞生物学发展史上的一次飞跃。1892年，Hertwing出版了《细胞与组织》一书，标志着细胞生物学已作为一门独立的学科存在。随着显微技术的发展和切片机的发明，人们对细胞结构的研究更加深入，各种细胞器相继被发现，如1894年Altmann发现了线粒体的分布，1898年Golgi观察到了网状体的结构，即高尔基体。这段时期的细胞生物学主要处于以在显微镜下的形态描述为主的生物科学时期。
图1-4 E.B. Wilson绘制出了第一个细胞模式图
20世纪50年代以来，电子显微镜与超薄切片机技术在生物学领域的应用，使人们对细胞的认识深入到了超微结构领域。特别是五六十年代后，生物化学与细胞生物学相互结合与渗透，首次出现了“细胞生物学”这一概念。
近年来，细胞生物学的研究又取得了一系列重要的突破性进展。例如，1978～1988年，Lewis、Nüsslein-Volhard和Wieschaus阐明了同源异构基因在控制生物个体发育中的作用，获得了1995年的诺贝尔生理学或医学奖。
20世纪90年代，细胞生物学研究更是获得了丰硕的成果。1994年，Gilman和Rodbell因在G蛋白发现过程中的重要贡献而获得了1994年的诺贝尔生理学或医学奖；1996年，苏格兰
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