細(xì)胞生物學(xué)發(fā)展簡史

PAGEPAGE2細(xì)胞生物學(xué)發(fā)展簡史

人類第一次發(fā)現(xiàn)細(xì)胞到現(xiàn)在已有三百多年的歷史。隨著科學(xué)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)手段的進(jìn)步，人們對(duì)細(xì)胞的認(rèn)識(shí)由淺入深、由表及里，導(dǎo)致了當(dāng)今細(xì)胞生物學(xué)的興起與發(fā)展。根據(jù)其發(fā)展過程，可分為四個(gè)時(shí)期，即細(xì)胞學(xué)說的創(chuàng)立、細(xì)胞學(xué)的經(jīng)典時(shí)期、實(shí)驗(yàn)細(xì)胞學(xué)的發(fā)展和細(xì)胞生物學(xué)的興起。(一)細(xì)胞學(xué)說的創(chuàng)立

1665年，英國的物理學(xué)家胡克(R.Hooke)用自制的顯微鏡觀察了軟木(櫟樹皮)和其他植物組織，發(fā)表了《顯微圖譜》(micrographia)一書，描述了軟木是由許多小室組成，狀如蜂窩，稱之為“細(xì)胞”(cell原意為小室)。實(shí)際上，胡克在軟木組織中所看到的僅是植物死細(xì)胞的細(xì)胞壁。這是人類第一次看到細(xì)胞輪廓，人們對(duì)生物體形態(tài)的認(rèn)識(shí)首次進(jìn)入了細(xì)胞這個(gè)微觀世界。1675年列文虎克(A.V.Leeuwenhoekia)用自制的用自制的顯微鏡第一次觀察發(fā)現(xiàn)了活細(xì)胞，先后觀察了池塘水中的原生動(dòng)物、動(dòng)物的精子，在蛙魚的血液中發(fā)現(xiàn)了紅細(xì)胞；1683年，他又在牙垢中看到了細(xì)菌。1831年，布朗(R.Brown)在蘭科植物的葉片表皮細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞核。1836年，瓦朗丁(Valentin)在結(jié)締組織細(xì)胞核內(nèi)發(fā)現(xiàn)了核仁。至此，細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)都被發(fā)現(xiàn)了。1835年杜雅?。‥.Dujardin）在低等動(dòng)物根足蟲和多孔蟲的細(xì)胞內(nèi)首次發(fā)現(xiàn)了透明的膠狀物質(zhì)的內(nèi)含物，稱之為“肉樣質(zhì)”。1839年，捷克生理學(xué)家普金耶（J.E.Purkinje）把填滿動(dòng)物細(xì)胞的膠狀液體定名為原生質(zhì)（生命的原始物質(zhì)）。1846法國植物學(xué)家馮·默爾用原生質(zhì)概括細(xì)胞中的所有內(nèi)含物（包括細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核）。十九世紀(jì)末，英國博物學(xué)家托馬斯·亨利·赫胥黎（ThomaHenryHuxley，1825—1895）給原生質(zhì)下了一個(gè)定義：原生質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)。1861年德國解剖學(xué)家舒爾策(MaxSchultze)認(rèn)為有機(jī)體的組織單位是一小團(tuán)原生質(zhì)，這種物質(zhì)在一般有機(jī)體中是相似的，并把細(xì)胞明確地定義為：“細(xì)胞是賦有生命特征的一團(tuán)原生質(zhì)，其中有一個(gè)核”。1880年Hanstain將細(xì)胞概念演變成由細(xì)胞膜包圍著的原生質(zhì)，分化為細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)。在19世紀(jì)以前，許多學(xué)者的工作，都著眼于細(xì)胞的顯微結(jié)構(gòu)方面，主要從事于形態(tài)上的描述，而對(duì)各種有機(jī)體中出現(xiàn)細(xì)胞的意義，均未作出理論上的闡述和概括。1838-1839年，德國植物學(xué)家施萊登(M.J.Schleiden)和動(dòng)物學(xué)家施旺(T·Schwann)根據(jù)自己研究和總結(jié)前人的工作，首次提也了細(xì)胞學(xué)說(celltheory)。他們認(rèn)為“一切生物從單細(xì)胞到高等動(dòng)、植物都是由細(xì)胞組成的；細(xì)胞是生物形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能活動(dòng)的基本單位”。20年后另一位德國科學(xué)家魏爾肖（RudolfVirchow)作出了另一個(gè)重要的論斷：所有的細(xì)胞都必定來自已存在的活細(xì)胞。至此，以上三位科學(xué)家的研究結(jié)果加上許多其他科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)，共同形成了比較完備的細(xì)胞學(xué)說。由此論證了生物界的統(tǒng)一性和共同起源。恩格斯曾對(duì)細(xì)胞學(xué)說的建立給予了高度的評(píng)價(jià)，認(rèn)為它是19世紀(jì)自然科學(xué)上的三大發(fā)現(xiàn)之一(細(xì)胞學(xué)說、達(dá)爾文進(jìn)化論、能量轉(zhuǎn)化與守恒定律)。他指出，首先是三大發(fā)現(xiàn)，使我們對(duì)自然過程的相互聯(lián)系的認(rèn)識(shí)大踏步地前進(jìn)了：第一次發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞是這樣一個(gè)單位，整個(gè)植物體和動(dòng)物體都是從它的繁殖和分化中發(fā)育起來的。由于這一發(fā)現(xiàn)，我們不僅知道一切高等有機(jī)體都是按照一個(gè)共同規(guī)律發(fā)育和生長的，而且通過細(xì)胞的變異能力指出有有機(jī)體能改變自己物種并從而能實(shí)現(xiàn)一個(gè)比個(gè)體發(fā)育更高的發(fā)育道路。由此可見，只有在細(xì)胞學(xué)說建立之后，才能明確提出細(xì)胞是生物有機(jī)體的結(jié)構(gòu)和生命活動(dòng)的單位，又是生物個(gè)體發(fā)育和系統(tǒng)發(fā)育的基礎(chǔ)。顯然，細(xì)胞學(xué)說的創(chuàng)立是細(xì)胞學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑，此后細(xì)胞學(xué)很快發(fā)展成為一門新的獨(dú)立學(xué)科，并成為細(xì)胞生物學(xué)發(fā)展的起點(diǎn)。

細(xì)胞學(xué)說一經(jīng)創(chuàng)立，很快深入到各個(gè)領(lǐng)域中去。在1885年，德國病理學(xué)家魏爾肖(R.Virchow)把細(xì)胞理論應(yīng)用于病理學(xué)，證明病理過程在細(xì)胞和組織中進(jìn)行，提出了“疾病為外力引起細(xì)胞間內(nèi)戰(zhàn)”的著名論斷，發(fā)展了細(xì)胞病理學(xué)，支持與豐富了細(xì)胞學(xué)說。

(二)細(xì)胞學(xué)的經(jīng)典時(shí)期

從19世紀(jì)中葉到20世紀(jì)初葉，這一時(shí)期細(xì)胞學(xué)得到蓬勃發(fā)展，研究方法主要是顯微鏡一的形態(tài)描述，稱為細(xì)胞學(xué)的經(jīng)典時(shí)期。

這一時(shí)期，首先是實(shí)驗(yàn)技術(shù)的革新。研究的主要特點(diǎn)是應(yīng)用固定和染色技術(shù)，在光學(xué)顯微鏡下觀察細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)和細(xì)胞的分裂活動(dòng)。Corti(1851年)和Hartig(1854年)等使用洋紅、Bōh(huán)m(1865年)使用蘇木精，對(duì)細(xì)胞進(jìn)行染色；Oschatz設(shè)計(jì)出第一臺(tái)切片機(jī)，而ErnestAbbe'(1887年)設(shè)計(jì)出一臺(tái)復(fù)式顯微鏡并具有消色差物鏡、載物臺(tái)下聚光器和照明，這些技術(shù)和儀器觀察細(xì)胞形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)都起到了重要的推動(dòng)作用。

1841年，雷馬克(Remak)在觀察雞胚的血球細(xì)胞時(shí)，發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞的直接分裂。其后，費(fèi)勒明(Flemming)在動(dòng)物細(xì)胞中以及施特拉斯布格(Strasburger)在植物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了間接分裂。1882年，費(fèi)勒明又把直接分裂稱為無絲分裂(amitosis)，間接分裂稱為有絲分裂(mitosis)。1883年范·貝內(nèi)登(VanBeneden)、1886年，施特拉斯布格又分別在動(dòng)、植物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了減數(shù)分裂(meiosis)。此外，1875年，赫特維希(O·Hertwig)發(fā)現(xiàn)卵的受精和精卵兩親本核的融合。1888年，沃爾德耶(Waldeyer)把分裂細(xì)胞核內(nèi)的染色小體命名為染色體(chromosome)。

19世紀(jì)末葉，人們對(duì)細(xì)胞質(zhì)的形態(tài)觀察也較注意，相繼觀察到幾種重要的細(xì)胞器。1883年范·貝內(nèi)登和博費(fèi)里(Boveri)發(fā)現(xiàn)了中心體；1897年，斑達(dá)(Banda)發(fā)現(xiàn)了線粒體；1898年，高爾基(Golgi)發(fā)現(xiàn)了高爾基體。由于諸多發(fā)現(xiàn)，使大家對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性有了較為深入的理解。

(三)實(shí)驗(yàn)細(xì)胞學(xué)的發(fā)展

從20世紀(jì)初葉到中葉，為實(shí)驗(yàn)細(xì)胞學(xué)的發(fā)展時(shí)期。此期間，細(xì)胞學(xué)的研究從形態(tài)結(jié)構(gòu)的觀察深入到生理功能、生物化學(xué)、遺傳發(fā)育機(jī)制的研究。利用20世紀(jì)的新技術(shù)、新方法，在相鄰學(xué)科的滲透下采用了實(shí)驗(yàn)手段，使細(xì)胞學(xué)與有關(guān)學(xué)科相互滲透，從而逐漸形成一些分支學(xué)科。特別是這一階段后期，由于體外培養(yǎng)技術(shù)的應(yīng)用，使實(shí)驗(yàn)細(xì)胞學(xué)得到迅速發(fā)展。

1887年，赫特維?？说?O.Hertwig和R.H)用實(shí)驗(yàn)方法研究海膽卵的受精作用和蛔蟲卵發(fā)育中核質(zhì)關(guān)系，將細(xì)胞學(xué)與實(shí)驗(yàn)胚胎學(xué)緊密結(jié)合起來，發(fā)展了實(shí)驗(yàn)細(xì)胞學(xué)。此后，人們廣泛應(yīng)用實(shí)驗(yàn)手段與分析的方法來研究細(xì)胞學(xué)中的一些基本問題，為細(xì)胞學(xué)的研究開拓了一條新途徑。從1900年孟德爾(Mendel)遺傳法則被重新發(fā)現(xiàn)，1902年博韋里(T.Boveri)和薩頓(W.S.Sutton)提出“染色體遺傳理論”，到1926年摩爾根(Morgan)的《基因論》一書的出版，使細(xì)胞學(xué)與遺傳學(xué)相結(jié)合，形成了細(xì)胞遺傳學(xué)。1943年，Cloude應(yīng)用高速離心機(jī)從活細(xì)胞中把細(xì)胞核和各種細(xì)胞器(如線粒體、葉綠體、微粒體等)分離出來，分別研究它們的生理活性，這對(duì)了解各種細(xì)胞器的生理功能和酶的分布，起了很大作用。在細(xì)胞化學(xué)方面，1924年，孚爾根(Feulgen)首創(chuàng)核染色反應(yīng)，即Feulgen染色法，測定了細(xì)胞核內(nèi)的DNA。其后，1940年，布勒歇(Brachet)應(yīng)用昂納(Unna)染液染色，測定了細(xì)胞中的RNA。與此同時(shí)，卡斯柏爾森(Casperson)用紫外光顯微分光光度法測定細(xì)胞中DNA的含量。還有實(shí)驗(yàn)說明，蛋白質(zhì)的合成可能與RNA有關(guān)。從20世紀(jì)40年代開始，電子顯微鏡的應(yīng)用，使細(xì)胞形態(tài)學(xué)的研究深入到亞顯微水平。1933年，Ruska設(shè)計(jì)制造了第一臺(tái)電子顯微鏡，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了光學(xué)顯微鏡.電子顯微鏡的分辨率由最初的500nm改進(jìn)到現(xiàn)在的0.2nm，放大倍數(shù)可達(dá)到幾十萬倍以上。1949年，Soverdlow發(fā)明了異丁烯酸定理，1952年，Palade使用鋨酸固定法，1953年，設(shè)計(jì)了超薄切片用的切片用的切片機(jī)。由此，許多學(xué)者用電鏡技術(shù)觀察了細(xì)胞內(nèi)各種細(xì)胞器的亞微結(jié)構(gòu)，如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、線粒體、溶酶體等。因而，對(duì)細(xì)胞質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能的認(rèn)識(shí)又深入了一步，使細(xì)胞學(xué)的研究得到全面的發(fā)展。1981年瑞士科學(xué)家蓋爾德·賓尼（GerdBining）和海因里?！ち_雷爾（HeinrichRohrer）在蘇黎世（Zurich）的IBM實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了掃描隧道顯微鏡（scanningtunnelingmicroscope），與電鏡發(fā)明者Ruska同獲1986年度的物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)。STM使人類第一次能夠?qū)崟r(shí)地觀察單個(gè)原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物化性質(zhì)，在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣泛的應(yīng)用前景，被國際科學(xué)界公認(rèn)為20世紀(jì)80年代世界十大科技成就之一

。1928年E.H.Synge提出了一種可以克服(遠(yuǎn)場)衍射極限的方法：用一個(gè)直徑比波長小很多的小孔光闌作光源并使其離試樣的距離也小于一個(gè)波長，則成像的分辨率將受小孔尺寸的限制。由于技術(shù)上的困難，直到1982年發(fā)明了掃描隧道顯微鏡(

STM)，這種近場光學(xué)顯微鏡才可能實(shí)現(xiàn)。1989年R.C.Reddick等制成光子掃描隧道顯微鏡PSTM

，其機(jī)理與STM相似，分辨率優(yōu)于光波半波長值。而且可以利用光學(xué)顯微鏡成熟的多種成像機(jī)制和方法研究觀察大氣條件下的透明體等一般電子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡難以解決的課題，引起世人矚目。光子掃描隧道顯微鏡是一種特殊的光學(xué)顯微鏡，它利用全內(nèi)反射的隱失場，打破了傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡衍射極限的限制，實(shí)現(xiàn)了納米水平的分辨率。它不僅可以觀測樣品的表面形貌，而且可以測量樣品的微區(qū)折射率分布情況。事實(shí)上，電子掃描隧道顯微鏡（ESTM)與光子掃描隧道顯微鏡(PSTM)不論在機(jī)理上,還是在結(jié)構(gòu)上都有著極為相似的一面。相比之下，光子掃描隧道顯微鏡可以說是顯微儀器家族的新成員，其理論基礎(chǔ)來源于近場光學(xué)。左圖是PSTM的作用機(jī)理圖示，右圖是光子掃描隧道顯微鏡的基本構(gòu)造圖示。相對(duì)于掃描電鏡，光子掃描隧道顯微鏡由于不需要真空條件，使用成本和維修費(fèi)用都很低，其應(yīng)用范圍也較為廣泛，尤其在生物工程等領(lǐng)域，更具優(yōu)勢。因?yàn)殡娮语@微鏡的真空工作環(huán)境對(duì)活細(xì)脆具有直接的破壞作用，而PSTM則可以看到活細(xì)胞的三維立體圖像。(四)細(xì)胞生物學(xué)的興起

從20世紀(jì)50年代開始，逐步開展了在分子水平上研究細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能，這方面的研究成果以及分子生物學(xué)取得的巨大成就，大大促進(jìn)了細(xì)胞生物學(xué)的興起和發(fā)展。

20世紀(jì)40年代，隨著生物化學(xué)、微生物學(xué)與遺傳學(xué)的相互滲透和結(jié)合，分子生物學(xué)開始萌芽。1941年，比德爾(Beadle)和塔特姆(Tatum)提出了“一個(gè)基因一個(gè)酶”的理論。1944年，艾弗里(Avery)等在生物的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)中證明了DNA是遺傳物質(zhì)，1948年，博伊文(Boivin)等從測定生殖細(xì)胞和各種體細(xì)胞中DNA的含量，提出了DNA含量恒定理論。1953年沃森(Watson)和克里克(Crick)用X射線衍射法得出了DNA雙螺旋分子結(jié)構(gòu)模型，這一劃時(shí)代的成就，奠定了分子生物學(xué)的基礎(chǔ)。1956年科恩伯格(Kornberg)從大腸桿菌提取液中獲得了DNA聚合酶，并以該菌的DNA單鏈片段為引物,在離體條件下第一次成功地合成了DNA片段的互補(bǔ)鏈。1958年，梅塞爾森(Meselson)等利用放射性同位素與梯度離心法，分析了DNA的復(fù)制過程，證明了DNA復(fù)制是“半保留復(fù)制”。同年，克里克又創(chuàng)立了遺傳信息傳遞的“中心法則”。1961年，尼倫堡(Nirenberg)和馬泰(Matthaei)等通過對(duì)核糖核酸的研究，確定了每一種氨基酸的“密碼”。同年，雅各布(Jacob)和莫諾(Monod)又提出了操縱子學(xué)說。由于這些分子生物