生物細(xì)胞：一歷史與展望

細(xì)胞生物學(xué)教程主講：博士CELLBIOLOGYCOURSE電話：8345002電郵：trg@網(wǎng)址：第一章歷史與展望HISTORYANDPERSPECTIVE本章內(nèi)容提要第一節(jié)一小段歷史一、細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)二、細(xì)胞學(xué)說三、細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)討論四、分子細(xì)胞生物學(xué)其次節(jié)細(xì)胞生物學(xué)學(xué)習(xí)方法第三節(jié)對將來的展望附錄細(xì)胞生物學(xué)參考書第一節(jié)一小段歷史細(xì)胞生物學(xué)討論細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、功能和生活史。分三個層次：1）顯微水平，光學(xué)顯微鏡下可見的結(jié)構(gòu)。2）超微水平，電子顯微鏡下可見的結(jié)構(gòu)。3）分子水平，細(xì)胞結(jié)構(gòu)的分子組成，及其在生命活動中的作用。細(xì)胞生物學(xué)由細(xì)胞學(xué)（Cytology）進(jìn)展而來。是當(dāng)代生物技術(shù)的支撐學(xué)科。進(jìn)展飛快，期刊數(shù)量最多，SCI源期刊中細(xì)胞生物學(xué)的平均影響影子為4.1。是生物、農(nóng)學(xué)、醫(yī)學(xué)等專業(yè)的一門必修課程。細(xì)胞生物學(xué)經(jīng)歷了四個主要進(jìn)展階段：1）1665-1830s，細(xì)胞發(fā)現(xiàn)，顯微生物學(xué)。2）1830s-1930s，細(xì)胞學(xué)說，Cytology誕生。3）1930s-1970s，電鏡技術(shù)應(yīng)用，Cytology進(jìn)展為細(xì)胞生物學(xué)。4）1970s以來，分子細(xì)胞生物學(xué)時代。一、細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)細(xì)胞生物學(xué)的變革和顯微技術(shù)的改進(jìn)息息相關(guān)。1590年J.和Z.Janssen制作第一臺復(fù)式顯微鏡。1610年GalileoGalilei用顯微鏡觀察昆蟲。1665年英國人RobertHooke出版《顯微圖譜》。觀察了軟木，并首次用cells來描述“細(xì)胞”。

RobertHookeandhis“cells”RobertHooke’smicroscopeMicrographia

Micrographia

1680年A.vanLeeuwenhoek當(dāng)選為英國皇家學(xué)會會員。他是第一個描述活細(xì)胞的科學(xué)家。觀察過植物、原生動物、水、鮭魚的紅細(xì)胞、牙垢中的細(xì)菌、唾液、血液、精液等等。Hooke之后的160多年里，對細(xì)胞的討論沒有實(shí)質(zhì)進(jìn)展。直到1830s消色差顯微鏡消滅，人們才對細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能有了新的熟識。

MadebyA.vanLeeuwenhoek(1632-1723).Magnificationrangesat50-275x.1831年R.Brown在蘭科植物表皮細(xì)胞內(nèi)發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞核。1836年GG.Valentin在動物神經(jīng)細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞核與核仁。這些工作對于細(xì)胞學(xué)說的誕生具有重要意義。二、細(xì)胞學(xué)說CellTheory是19世紀(jì)的重大發(fā)現(xiàn)之一，其基本內(nèi)容有三條：①有機(jī)體是由細(xì)胞構(gòu)成的；②細(xì)胞是構(gòu)成有機(jī)體的基本單位；③新細(xì)胞來源于已存在細(xì)胞的分裂。通常認(rèn)為施萊登（MJ.Schleiden）和施旺（T.Schwann）正式提出了細(xì)胞學(xué)說。實(shí)際上它是19世紀(jì)很多科學(xué)家共同努力的結(jié)果。包括:BC.Dumortier、JB.deLamark、CB.Milbel、H.Dutrochet、R.Brown、JE.Purkyne、R.Remak、R.Virchow等很多聞名科學(xué)家。Jean-BaptistedeLamark1838年Schleiden發(fā)表“植物發(fā)生論”，認(rèn)為無論怎樣簡潔的植物都由細(xì)胞構(gòu)成。但他以free-cellformation理論來解釋細(xì)胞形成。Schwann提出了“細(xì)胞學(xué)說”（CellTheory)；1839年發(fā)表了“關(guān)于動植物結(jié)構(gòu)和生長全都性的顯微討論”。MatthiasJacobSchleidenTheodarSchwannSchwann提出：有機(jī)體是由細(xì)胞構(gòu)成的；細(xì)胞是構(gòu)成有機(jī)體的基本單位。但他也采納了的Schleiden細(xì)胞形成理論。1855德國人R.Virchow提出omniscellulaecellula的聞名論斷；進(jìn)一步完善了細(xì)胞學(xué)說。RudolfVirchow

19世紀(jì)30年月后發(fā)現(xiàn)活細(xì)胞并不是空的而是布滿粘稠的液體。F.Dujardin（1835）將之稱為“sarcode”；JE.Purkinje（1839）和vonMohl（1846）則將之稱作原生質(zhì)“protoplasm”。如今“原生質(zhì)”一詞已從生物學(xué)文獻(xiàn)中消滅了，但在當(dāng)時具有十分重要的意義。三、細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)討論1932年德國人E.Ruska和M.Knoll發(fā)明透射電鏡，人類視野進(jìn)入超微領(lǐng)域。1939年Siemens公司生產(chǎn)商品電鏡。1940-50s用電鏡觀察了各類細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)。并結(jié)合超速離心、電泳、無細(xì)胞體系等分析技術(shù)討論這些結(jié)構(gòu)的功能。Cytology進(jìn)展為CellBiology。四、分子細(xì)胞生物學(xué)時代1869年瑞士人F.Miescher從膿細(xì)胞中分離出核酸，但未引起重視。1944年O.Avery等通過細(xì)菌轉(zhuǎn)化試驗，1952年M.Chase等通過噬菌體標(biāo)記感染實(shí)驗肯定了核酸與遺傳的關(guān)系。微生物轉(zhuǎn)化試驗1952年Franklin拍攝到清楚的DNA晶體X-衍射照片。1953年她認(rèn)為DNA是一種對稱結(jié)構(gòu)，可能是螺旋。1953年，Watson和Crick提出DNA雙螺旋模型。與Wilkins共享1962年諾貝爾生理學(xué)與醫(yī)學(xué)獎。1958年Crick提出分子遺傳的“中心法則”。1961-1964年Nirenberg等破譯遺傳密碼。1972年DA.Jackson，RH.Symons和P.Berg創(chuàng)建DNA體外重組。1973年SN.Cohen和HW.Boyer將外源基因拼接在質(zhì)粒中，并在大腸桿菌中表達(dá)。一系列技術(shù)和理論的提出，使細(xì)胞生物學(xué)與分子生物學(xué)的結(jié)合越來越緊密。1983年，Mullis發(fā)明PCR儀，于1993年獲諾貝爾化學(xué)獎。1990年，美國國會正式批準(zhǔn)的“人類基因組計劃”（HumanGenomeProject）。我國于1993年加入該計劃，擔(dān)當(dāng)其中1%的任務(wù)，即人類3號染色體短臂上約30Mb的測序任務(wù)。2000年6月28日人類基因組工作草圖完成。同年，美國國立衛(wèi)生討論院給一名患有先天性重度聯(lián)合免疫缺陷病的4歲女孩實(shí)施了首例基因治療。這種疾病因腺苷脫氨酶（ADA）基因變異引起。1996年7月5日，世界上第一只克隆羊“多利”在英國蘇格蘭盧斯林討論所的試驗基地誕生。DollywithherfirstbornlambEMBRYOCOLONING2001年，美國人Leland

Hartwell、英國人PaulNurse、Timothy

Hunt因?qū)?xì)胞周期調(diào)控機(jī)理的討論而獲諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎。LelandH.Hartwell

R.Timothy(Tim)Hunt

SirPaulM.Nurse

2002年，英國人布雷諾爾、美國人霍維茨和英國人蘇爾斯頓，因在器官發(fā)育的遺傳調(diào)控和細(xì)胞程序性死亡方面的討論獲諾貝爾諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。SydneyBrennerH.RobertHorvitzJohnE.Sulston

2003年，美國科學(xué)家彼得·阿格雷和羅德里克·麥金農(nóng)，分別因?qū)?xì)胞膜水通道，離子通道結(jié)構(gòu)和機(jī)理討論而獲諾貝爾化學(xué)獎。PeterAgreRoderickMacKinnon

2004年，美國人RichardAxel和LindaB.Buck獲諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎，他們發(fā)現(xiàn)氣味受體和嗅覺系統(tǒng)的組成。RichardAxelLindaB.Buck2005年BarryJ.Marshall和J.RobinWarren獲諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎，他們發(fā)現(xiàn)幽門螺桿菌及其在胃炎和胃潰瘍方面的作用。BarryJ.MarshallJ.RobinWarren2006年美國人AndrewZ.Fire和CraigC.Mello因?qū)NA干擾的討論而獲諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎。AndrewZ.Fire CraigC.Mello2007年美國的馬里奧·卡佩奇、奧利弗·史密斯和英國的馬丁·伊文思因?qū)虼虬屑夹g(shù)的討論而獲諾貝爾生理學(xué)醫(yī)學(xué)獎。MarioR.CapecchiSirMartinJ.EvansOliverSmithies其次節(jié)細(xì)胞生物學(xué)學(xué)習(xí)方法一、熟識細(xì)胞生物學(xué)課程的重要性細(xì)胞是生命的基本單位。細(xì)胞生物學(xué)是生物技術(shù)的重要支撐學(xué)科，人類所面臨的人口、食品、能源、環(huán)境、健康等一系列問題都有待生命科學(xué)回答。諾貝爾獎頻繁授予細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域。二、了解生物科學(xué)與哲學(xué)和其它自然科學(xué)的關(guān)系人類對于生命的熟識論主要有：活力論（vitalism）機(jī)械論、還原論（reductionism），機(jī)械唯物論整體論（holism），即辯證唯物論現(xiàn)代生物學(xué)是一門實(shí)驗科學(xué)，與其它自然科學(xué)具有親密的關(guān)系。DNA雙螺旋模型的提出就是理科知識綜合應(yīng)用的典范。三、掌握學(xué)科的基本規(guī)律掌握學(xué)科的思維規(guī)律對于學(xué)習(xí)和預(yù)見一個有價值的發(fā)現(xiàn)很有幫助。1．結(jié)構(gòu)與功能2．基因與表型3．信號與效應(yīng)4．趨同于分異5．同源與同工四、將學(xué)過的知識關(guān)聯(lián)起來學(xué)而不思則罔，思而不學(xué)則殆。將學(xué)過的知識關(guān)聯(lián)起來，多問幾個為什么？盡可能形成對細(xì)胞和生命的完整印象，不要只見樹木不見森林。擅長靈敏應(yīng)用學(xué)過的知識解釋生命現(xiàn)象。五、了解學(xué)科的過去、現(xiàn)在和將來了解學(xué)科的進(jìn)展，把握時代的脈搏，才能作出有價值的工作，當(dāng)前的熱點(diǎn)主要有“膜生物學(xué)”、“信號轉(zhuǎn)導(dǎo)”、“細(xì)胞周期調(diào)控”、“細(xì)胞凋亡”、“細(xì)胞分化”、“腫瘤生物學(xué)”、“干細(xì)胞”等。讀一點(diǎn)科技史，了解科學(xué)家的成功之路。讀一些新的文獻(xiàn)。以下供應(yīng)一些免費(fèi)文獻(xiàn)入口。免費(fèi)的數(shù)據(jù)庫，供應(yīng)918種期刊的全文。包括聞名的JCB、PNAS、JBC等細(xì)胞生物學(xué)專業(yè)優(yōu)秀期刊，供應(yīng)1955年以來的全文。生物化學(xué)方面的優(yōu)秀期刊，供應(yīng)1905年以來的全文。美國科學(xué)院學(xué)報，供應(yīng)1915年以來的全文，一些經(jīng)典細(xì)胞生物學(xué)論文發(fā)表于該刊。Pubmed，大名鼎鼎的免費(fèi)數(shù)據(jù)庫，屬于美國國立醫(yī)學(xué)圖書館，可查閱生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的文摘。我校具有以下數(shù)據(jù)庫，初步能夠滿意學(xué)習(xí)需要。中文科技期刊全文數(shù)據(jù)庫（重慶維普）中國期刊網(wǎng)鏡像萬方數(shù)據(jù)資源系統(tǒng)鏡像國家科技圖書文獻(xiàn)中心（NSTL）EBSCOhost外文全文數(shù)據(jù)庫Elsevier（已過期，但可查閱文摘）Springer外文電子期刊第三節(jié)對將來的展望人類在一萬年前進(jìn)入農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)，18世紀(jì)60進(jìn)入工業(yè)經(jīng)濟(jì)，20世紀(jì)50年月迎來信息時代。據(jù)估量這一經(jīng)濟(jì)形態(tài)的“壽命”為75~80年，到本世紀(jì)20年月人類將迎接下一個經(jīng)濟(jì)時代，即生物經(jīng)濟(jì)時代的到來。它有以下特點(diǎn)：一、推動產(chǎn)業(yè)革命，制造新的經(jīng)濟(jì)生長點(diǎn)生物產(chǎn)業(yè)的比重將逐步提高。目前藥品中有15%基于生物技術(shù)，這一數(shù)字據(jù)估量到2010年會增加到40%。生物芯片已廣泛應(yīng)用于科研、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、食品、環(huán)境保護(hù)、司法鑒定等領(lǐng)域。轉(zhuǎn)基因動植物的市場前景寬闊，2004年全球轉(zhuǎn)基因作物的種植面積已經(jīng)達(dá)到8100萬公頃。GeneChip二、推動醫(yī)學(xué)革命，延長人類壽命20世紀(jì)抗生素和疫苗的應(yīng)用、醫(yī)療技術(shù)的提高使人類平均壽命從20世紀(jì)初的40幾歲在世紀(jì)末達(dá)到70多歲。但是心血管病、癌癥和各類遺傳病或遺傳相關(guān)的疾病仍然是威脅人類健康的主兇。21世紀(jì)生物技術(shù)將推動新一輪醫(yī)學(xué)革命，從疾病預(yù)防、疾病診斷、藥物研制、基因治療、組織工程、器官移植、抗年輕等方面，延長人類壽命。三、推動綠色革命，解決食品危機(jī)。20世紀(jì)60年月以來，雜交高產(chǎn)作物的廣泛應(yīng)用，引起第一次綠色革命。二十一世紀(jì)轉(zhuǎn)基因動植物、組織培育、胚胎移植、動物克隆等一系列新技術(shù)將再一次轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)的面貌，制造新品種、生產(chǎn)人類所急需的糧食、藥物和工業(yè)用品，推動其次次綠色革命。四、制造新品種，改善生態(tài)環(huán)境植物抗旱、抗寒、抗鹽基因的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用，將有可能徹底轉(zhuǎn)變10億畝干旱地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，使5億畝不毛之地、鹽堿地變?yōu)榱继?。用于廢氣、廢水、廢渣處理的基因工程極端微生物的應(yīng)用，可降解生物塑料產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化推廣，解決工業(yè)排放、白色垃圾等環(huán)保難題，有效改善生態(tài)環(huán)境。五、進(jìn)展綠色能源，解決能源危機(jī)煤、石油等化石能源的枯竭指日可待，替代能源的開發(fā)涉及國家平安。全球生物質(zhì)能的儲量為18000億噸，相當(dāng)于640億噸石油。開發(fā)生物乙醇、生物柴油、生物發(fā)電、生物氫等，已經(jīng)納入很多國家的能源戰(zhàn)略規(guī)劃。植物光合作用機(jī)理討論取得重大突破，人工光解水產(chǎn)生的氫氣將成為繼化石燃料之后主要的能源。六、生物平安關(guān)系到國