细胞生物学的研究内容、范围和意义

自1839年M.J .施莱登和T.A.H .王石的细胞学说问世以来,就确立了细胞(真核细胞)是多细胞生物结构和生命活动的基本单位。然而,长期以来,细胞学研究主要集中在结构上。此后,在相邻学科进步的影响下,逐渐向其他方面发展。比如细胞遗传学在遗传学的驱动下发展起来,加深了对染色体的认识;在生物化学的影响下,发展了细胞生物化学,通过生物化学手段了解细胞成分的生化组成和功能活动;在物理和化学的渗透下,形成了细胞化学,对细胞化学成分和位置的研究为细胞生物学的形成和发展奠定了基础。

自20世纪50年代以来,对细胞超微结构的研究使人们对光学显微镜下看不到的精细结构有了清晰的认识。以原核生物为基础的分子生物学和分子遗传学的成就,使人们了解了原核生物的遗传密码、中心法则和基因表达调控等基本问题,直接推动了细胞生物学的发展。但由于原核细胞与真核细胞不同,后者有核膜,染色质除DNA外还含有组蛋白和非组蛋白,细胞质中的结构比前者复杂得多。因此,有必要了解在原核生物中取得的成果在多大程度上适用于真核细胞,并研究遗传和发育在真核细胞中是如何被操纵的。

虽然细胞生物学是一个相对年轻的学科,但它可以追溯到学术思想的更早时代。在1883中,德国胚胎学家W. Lu阐述了他关于遗传和发展的思想。他假设一个受精卵包含了所有的遗传物质,这些遗传物质在卵裂时并没有均匀地分配给子细胞,这种异质分裂决定了子细胞及其后代的命运。德国动物学家魏斯曼发展了这一思想,提出了胚质理论,认为卵裂球的不平等分裂导致了细胞的分化。虽然这些意见都被证明是错误的,但可以看出细胞生物学要解决的问题在当时就已经提出来了。后来E.B .威尔逊在他的巨著《细胞内发育和遗传》中明确指出,细胞是生命活动的基本单位,这些生命现象的发育和遗传都要在细胞上进行研究。1934年,美国遗传学家和胚胎学家T.H .摩根在他试图整合发育和遗传的著作《胚胎学和遗传学》中写道:“可以想象,最初原生质区域的差异会影响基因的活性,然后基因反向影响原生质,后者会开始一系列新的和相应的反应。这样,我们就可以勾勒出胚胎各个部分的逐渐建立和分化。”但是,在摩尔根的时代,由于细胞学还没有与其他相邻学科紧密联系,或者说其他学科还没有能力在细胞水平上开展发育和遗传的研究,细胞生物学只有在各方面都逐渐成熟的20世纪50年代以后才能蓬勃发展。从研究内容来看,细胞生物学的发展可以分为三个层次,即微观层次、超微层次和分子层次。从时间的纵轴看,细胞生物学的历史可以大致分为四个主要阶段:

第一阶段:16世纪后期到19世纪30年代,是细胞发现和细胞知识积累阶段。通过对大量动植物的观察,人们逐渐认识到不同的生物是由各种细胞组成的。

第二阶段:19的30年代至20世纪初,细胞理论形成后,开辟了新的研究领域,这一时期的主要特点是在微观层面上研究细胞的结构和功能。形态学、胚胎学、染色体知识的积累,使人们认识到细胞在生命活动中的重要作用。1893年赫特维格的专著《泽尔与吉韦》的出版标志着细胞学的诞生。后来哥伦比亚大学威尔逊1896主编的《发育与遗传中的细胞》和墨尔本大学阿加尔1920主编的《细胞学》是这方面最早的教材。

第三阶段:20世纪30-70年代,电子显微镜技术出现后,细胞学进入第三个发展时期。在这短短的40年间,不仅发现了细胞的超微结构,而且认识了细胞膜、线粒体、叶绿体等不同结构的功能,使细胞学发展成为细胞生物学。De Robertis等人在1924年出版的《普通细胞学》在1965年第四版中被命名为《细胞生物学》,是最早的细胞生物学教材之一。

第四阶段:从20世纪70年代基因重组技术出现到现在,细胞生物学和分子生物学的结合越来越紧密,研究细胞的分子结构及其在生命活动中的作用成为主要任务。基因调控、信号转导、肿瘤生物学、细胞分化和凋亡是当代的研究热点。