第3章 细胞 The Cell：生物学的原子 Biology's Atom
我第一次看到细胞是在学校里，就在我偶遇黄色蝴蝶后不久。全班同学种下的洋葱苗发了芽，于是我们剥下球根表皮，把它们放到显微镜下观察其构成。生物课老师基思·尼尔很擅长启发我们，他解释说我们将看到细胞，它是生命的基本单位。然后，一排排整齐的箱状细胞出现在我眼前，它们规整地叠成一列又一列。多么不可思议啊！靠这么小的细胞生长、分裂，就足以将洋葱的球根推入土壤，为生长中的植株提供水分和养分，并起到固定作用。
我越了解细胞，就越觉得细胞很神奇。细胞有各种形状和大小，令人难以置信。大部分细胞都很小——真的非常微小——无法用肉眼看到。有一种能感染膀胱的寄生细菌，可以在1毫米的间隙中挤下3000多个细胞。还有些细胞大得离谱。要是你早餐吃了鸡蛋，不妨想一下：整个蛋黄就只是一个单细胞。我们体内的一些细胞也很大。比如，有些单个的神经细胞可以从你的脊柱底部一直延伸到大脚趾尖。也就是说，那些神经细胞各个都能长达1米！
尽管这些多样性令人震惊，但最让我感兴趣的是所有细胞的共同点。科学家一向对确认基本单位这件事充满热情，最好的例子莫过于物质的基本单位——原子。生物学中的原子就是细胞。细胞不仅是所有有机体的基本结构单位，也是生命体的基本功能单位。我这话的意思是：细胞是具有生命核心特征的最小实体。这就是生物学家所说的细胞学说的基础：就我们目前所知，地球上的一切生命，要么是一个细胞，要么是多个细胞的集合。可以确凿地说：细胞是最简单的生命。
细胞学说已有差不多一个半世纪的历史，是生物学重要的基础理论之一。考虑到这一学说对理解生物学是如此重要，我本以为它会激发大众的想象力，可结果并非如此，这令我颇为诧异。可能是因为在学校的生物课上，大多数人学到的都是仅仅将细胞视为类似砖块的构件，用于搭建更复杂的生命体。然而现实远比这有趣多了！
细胞的故事可以追溯到1665年，罗伯特·胡克（Robert Hooke），当时刚刚成立的世界上最早的科学院之一——伦敦皇家学会的成员。一项新技术催生了新的发现，这在科学界是常有的情况。由于大多数细胞都太小了，肉眼无法看到，所以直到17世纪初，显微镜被发明出来后，科学家们才发现了细胞的存在。科学家们常常身兼双职，既是理论家，也是能工巧匠，这一点在胡克身上体现得淋漓尽致。他在探索物理学、建筑学和生物学前沿的同时，还热衷于发明科学仪器。他自己制造了一台显微镜，再用它来探索肉眼看不见、始终隐藏在未知领域的新奇世界。
胡克观察的物体之一是一块薄薄的橡木皮。他看到软木是由一排又一排相叠的空洞组成的，恰如300年后身为学生的我看到的洋葱表皮细胞。胡克以拉丁语cella命名这些细胞，意为“小房间”或“小隔间”。当时的胡克还不知道，他发现的细胞不仅是所有植物的基本组成部分，也是所有生命体的基本单位。
胡克之后没过多久，荷兰科学家安东尼·范·列文虎克（Anton van Leeuwenhoek）在观察到单细胞生物时有了另一个重大发现。他在池塘水的样本中发现了游动的微小生物，并发现它们也存在于从自己的牙齿上刮下的牙垢中，这个发现让他极为不安，要知道，他本来挺为自己的口腔卫生自豪呢！他给这些微小的生物起了一个可爱的名字——微动物（animalcules），但我们现在已不再使用这个词了。他发现的那些在齿间繁衍的小东西，实际上是有史以来第一种被描述的细菌。列文虎克误打误撞，意外地开启了一个由微小的单细胞生命体统领的全新领域。
我们现在已经知道，细菌和其他种类的微生物细胞（“微生物”是所有能以单细胞形式存活的微小生物的总称）是迄今为止地球上数量最多的生命体。它们存活在一切环境中：从高空大气层到地壳深处，几乎无处不在。要是没有它们，这个世界就会停滞。它们分解废物，肥沃土壤，回收营养物质，从空气中收集动植物生长所需的氮气。当科学家们观察人类的身体时，他们发现，相对于我们身体中的30万亿个或更多的人类细胞，微生物细胞的数量只多不少。你——以及所有人类——都不是孤立的个体，而是一个由人类和非人类细胞组成的不断变化的群落。这些微小的细菌和真菌细胞就生活在我们的身体表面和身体内部，持续影响着我们的消化能力和抗病能力。
不过，在17世纪之前，根本没有人知道这些看不见的细胞的存在，更不用说理解它们工作的基本原理和所有肉眼可见的生命体是一样的了。
时间经过18世纪，来到19世纪初，显微镜及其技术得到进一步发展，科学家们很快便可以识别从各种各样的生物身上提取的细胞了。有些人开始推测，所有植物和动物都是列文虎克等前人所识别出的那些微生物的集合。由此，经过漫长的孕育，细胞学说终于圆满诞生。1839年，植物学家马蒂亚斯·施莱登（Matthias Schleiden）和动物学家特奥多尔·施旺（Theodore Schwann）总结了自己和许多研究者的工作成果，写下结论：“我们已经发现，所有生物体都是由本质上相似的部分——细胞——组成的。”一锤定音，拨云见日，科学界就这个结论达成共识：细胞是生物体结构和功能的基本单位。
当生物学家们意识到每个细胞本身就是一个生命体后，上述结论的含义变得更加耐人寻味。1858年，病理学界的先驱鲁道夫·菲尔绍（Rudolf Virchow）[2]写道：“每一个动物都是生命单位的总和，每一个生命单位都具有完整的生命特征。”
这意味着所有细胞都是有生命的。生物学家们证明这一点的方法非常生动直观：他们从动物或植物的多细胞组织中提取细胞，将它们保存在俗称“培养皿”的玻璃或塑料平底容器中。其中有些细胞系在世界各地的实验室中存活了几十年。正因为有它们，研究人员在无须处理一个完整的复杂生物体的情况下就能研究生物学过程。细胞是活的，可以移动，对环境做出反应，其内部始终处于动态。与动物或植物——或者说整个生物体相比，细胞看上去好像很简单，但绝对是有生命的。
然而，施莱登和施旺率先提出的细胞学说中有个要命的空白点：该学说没有解释新细胞是怎么来的。直到生物学家们认识到，细胞是通过将自身分裂成两个细胞来增殖，并得出结论：只有靠一个已经存在的细胞一分为二才能产生新细胞，这个空白才得以补全。菲尔绍用一句拉丁文警句让这个观点变得深入人心：每一个细胞都来自另一个细胞。这句话也有助于反驳当时仍在某些人群中盛行的错误观点：生命是从惰性物质中自发产生的——事实并非如此。
细胞分裂是一切有机体生长发育的根源。在胚胎形成的整个过程里——从单个完整的动物受精卵转化为细胞组成的球形体，最终转化为一个高度复杂、有序的生命体——细胞分裂当数第一个决定性的事件。一切都始于一个细胞分裂成两个独立的细胞。随之而来的胚胎发育也同样基于这个过程——细胞分裂再分裂，随着细胞发育成熟并分化成各种分工更细的组织和器官，精妙复杂的胚胎最终被构造完成。这意味着，一切有生命的有机体，无论大小，无论结构复杂与否，都是从一个细胞开始的。如果我们牢记，每个人都曾经是一个单细胞，一个在受孕的那一刻由精子和卵子融合而成的单细胞，那我们一定会更加尊重细胞吧。
细胞分裂也能解释身体为什么能奇迹般地自愈。如果你被这页纸的边缘割破了手指头，那么，伤口周围的细胞可以通过分裂修复伤口，让你的身体保持健康。然而，祸兮福所倚，正是因为身体具有让细胞分裂产生新细胞的能力，癌症也由此而生。癌症就是由于细胞不受控制地生长、分裂而引起的，并恶性扩散，损害身体，甚至导致死亡。
生长、修复、退化和癌变都与我们的细胞在病态和健康态、青年和老年等不同状况下的特性有关。事实上，大多数疾病都可以归因于细胞的功能失调，要想研发出新的治疗方法，首先必须了解细胞出了什么问题。
细胞学说持续影响着生命科学和医学实践的研究轨迹，也彻底塑造了我的生命历程。自13岁时，我眯着眼睛凑在显微镜前看到洋葱球根表皮细胞后，我就对细胞及其运作原理充满了好奇。在我成为一名生物学研究者后，我决定专攻细胞，特别是细胞如何自我增殖，如何控制分裂。
20世纪70年代，我的研究刚起步时，研究的是酵母菌——没错，就是大多数人认为只适合用来酿酒或做面包，并不适合用来解决生物学基础问题的酵母。但事实上，酵母菌是理解更复杂的生物体细胞运作方式的绝佳样板。酵母菌是一种真菌，但它的细胞与植物和动物细胞的相似度高得惊人。而且它们很小，培养起来相对容易，只需要喂一点营养物质，它们就能长得飞快，成本低廉。在实验室里，我们要么让它们随意地漂浮在肉汤里，要么在塑料培养皿里铺一层果冻，任由它们在果冻上面长成几毫米宽的奶油色菌落，每个菌落都包含数百万个细胞。尽管酵母细胞很简单，或者更准确地说恰恰因为它们很简单，才刚好有助于我们了解细胞在大多数有机生命体（包括人类细胞）中是如何分裂的。如今，我们对癌细胞不受控制的细胞分裂已经有所了解，事实上这要感谢如此不起眼的酵母菌。因为在癌细胞分裂这个课题上，不少知识最初都来自对酵母菌的研究。
细胞是生命的基本单位。细胞是独立的生命体，被裹在脂质（类似脂肪）细胞膜中。但是，就像原子包含电子和质子，细胞也包含更小的成分。如今，显微镜的功能非常强大，生物学家们用它来揭示细胞内复杂且通常极其美丽的内部结构。其中一些相对较大的结构被称为细胞器，每个细胞器都被包裹在各自的膜里。在所有内部结构中，细胞核是细胞的指挥中心，因为它包含了记录在染色体上的遗传指令，线粒体（在某些细胞中可能有数百个）的作用好比微型发电厂，为细胞提供生长和存续所需的能量。细胞内其他容器和隔室的功能则好比精妙的物流系统，可以构建、分解或回收细胞内的部件，还可以在细胞内部运送物质，或把物质送进或运出细胞。
然而，并不是所有生物的细胞都有这些裹在膜中的细胞器和复杂的内部结构。依据细胞核的有无，可以将生物分为两大类：含有细胞核的生物被称为真核生物，比如动物、植物和真菌；而没有细胞核的生物则被称为原核生物，它们要么是细菌，要么是古细菌。从大小和结构上看，古细菌和细菌相似，但实际上却是它的远亲。在某些方面，古细菌的分子运作原理更近似于我们这样的真核生物，反而不那么像细菌。
无论是原核生物还是真核生物，细胞膜都是细胞的重要组成部分。虽然细胞膜只有两个分子厚，但它形成了一道灵活的“墙”，或称屏障，将每个细胞与外部环境隔离开来，从而界定了“内”和“外”。无论从哲学还是实用层面上看，这道屏障都至关重要。归根结底，这解释了生命体何以能成功抵抗全宇宙那种横扫一切、走向无序和混乱的大趋势。就在那道与外界隔绝的薄膜内，细胞可以建立、培养它需要执行的内部秩序，与此同时，细胞也可以在其外部环境里制造混乱。这样一来，生命体就不会违背伟大的热力学第二定律了。
所有细胞都能觉察出自己的内部世界和周遭世界里的变化，并做出反应。所以，哪怕它们与外界隔绝，却依然能与外部环境保持密切交流。为了维持使它们得以生存和发展的内部环境，它们也在不断地活动和工作。细胞与更多肉眼可见的生物体——比如我小时候看到的那只蝴蝶，或者说我们人类——共享这样的特质。
事实上，细胞与各种动物、植物和真菌有许多共同特征。它们生长、繁殖、自我维持，而在这一过程中，它们都展现出了一种目的性：不管怎样都必须坚持下去，必须活下去，必须繁殖，将生命延续下去。所有的细胞——从列文虎克在齿间发现的细菌，到让你读到这些文字的神经元——和所有的生物都具有这些特性。了解细胞的运作原理，我们就离了解生命的运作原理更近了一步。
细胞存在的核心是基因，也就是我们接下来要讨论的主题。每一个细胞都用基因编码指令来构建和组织自己，当细胞和有机体繁殖时，它们必须把这些基因指令传承给新世代。