細胞的結構

就像望遠鏡徹底改變了天文學一樣，顯微鏡揭示了一批最本質的、有關生命結構的原理。安東·范·列文虎克等科學家于一滴池塘水或一抔土中窺見了前人不知道的生命世界，而我們無法憑借想象來體會他們當時所感受到的驚喜和激動之情。列文虎克發現了精液和血液中的“活物”，并把它們稱為“微動物”。1665年，羅伯特·虎克借助由軟木塞切削成的薄片，觀察到了規則排列的方框樣結構，命名為“細胞”（cell）。虎克看到的結構實際上是早已死亡的細胞的細胞壁，但其他的觀察者逐漸意識到，植物和動物都是由類似的、形狀大小多樣的單元組成的，其中充滿了各種可能用于執行生命功能的結構。1839年，植物學家馬蒂亞斯·雅各布·施萊登（Matthias Jakob Schleiden）和動物學家西奧多·施旺（Theodor Schwann）進一步提出，“所有動物和植物都由細胞組成”。他們猜想一切生命體都起始于單一細胞，多細胞生物由細胞多次分裂發育而來。當代生物學最基礎的原則就是所有生命體要么是單細胞，要么由許多細胞組成，細胞是生物的基本構成單位——構成一種由一層把內容物與外界環境分開的膜包裹的結構。細胞是最小的生命單位，反過來，生命也可以被定義為由細胞組成的物體。

圖3-1展示了蠕蟲和植物莖稈的橫切面。顯而易見，兩者的結構中都包含了許多方塊樣的相互緊貼的細胞。單個有機體體內的細胞也是各不相同的；細胞組成不同的組織，例如動物身上的表皮組織（皮膚或表層）和肌肉組織，以及植物中的木質；每種組織都由獨特的細胞構成。但我們能看出細胞結構普遍包含兩種特征：一個確定的邊界（通常會使細胞形成方塊狀結構）與一個核（一個較大的球形結構，通常存在于細胞中央，而在許多植物細胞中位于側邊）。一個細胞的復雜組分由一層非常薄的膜作為與周邊的分界，并由其保持細胞的完整性，同時形成出入口控制物質的進出。

圖3-1 動物及植物細胞橫切面示意圖

用顯微鏡觀察橫切面切片可見，復雜的有機體由許多方塊狀的細胞組成。

我們可以在單個細胞上觀察到最基本的繁殖形式，它需要合適的條件，有可能發生在營養豐富的體液或植物根部的汁液中，也有可能發生在實驗室燒瓶里人工配制的營養液中。每一個細胞從環境中吸取營養并使其成為自身的組成部分，進而長大，最后一分為二（見圖3-2）。

圖3-2 細胞分裂示意圖

一切有機體都可根據細胞結構分為兩類：原核生物和真核生物。前者多包括我們熟知的細菌，它們體積極小且沒有細胞核。后者有細胞核，包括植物、動物和許多單細胞生物，例如阿米巴原蟲和藻類。接下來我們會重點講述真核細胞的結構。

現代顯微鏡技術，特別是電子顯微鏡，讓人們知道細胞內有許多相同的結構，科學家稱之為“細胞器”，如圖3-3所示。最重要的細胞器要屬細胞核——位于細胞中央，由膜包裹形成的囊狀結構。細胞核在遺傳學中格外重要，因為它內含作為遺傳物質的染色體。細胞內還有許多形狀狹長的線粒體，它們從食物分子（如糖）中獲取能量，并以可以被一切細胞活動所利用的化學能形式儲存起來。許多植物細胞中含有綠色的葉綠體，它們利用葉綠素將光能轉化為化學能。這兩種細胞器都主要由薄片狀的生物膜構成。我們還經常能見到許多在細胞內形成囊泡的膜結構，它們能儲存多種物質以備后用。許多細胞都含有廣闊的膜系統，生物學上稱之為內質網，蛋白質等物質就是在這里合成然后被運送至特定位置的，其中一些還會被運送到細胞外。

圖3-3 動物細胞結構圖

包括植物和動物在內的大多數有機體的細胞都含有許多次級結構，生物學上稱之為細胞器。該圖為電子顯微鏡下的動物細胞結構圖，圖中展示的細胞器有細胞核、線粒體和內質網的膜結構，還有一種層狀膜結構叫高爾基體。事實上，細胞內還包含許多更小的、有特殊功能的結構，這里沒有標出。

除了動植物等多細胞生物，生物世界還包括許多簡單的單細胞生物和群體生物，它們每一個都是獨立的細胞，也可能是一串或一團非常相似的細胞。這種生物中的一類為藻類，它們有著形狀詭異、顏色鮮艷的葉綠體。剩下的被稱為原生動物，它們憑借纖毛或鞭毛在池塘里或溪流中游來游去。形狀不固定的阿米巴原蟲主要借助細胞質的流動，伸出指狀的偽足進行移動。跟其他生物比起來，最小的生物——細菌，僅有正常細胞長度的1%～10%（其體積為真核細胞的百萬分之一到千分之一）。盡管如此，它們依然是細胞，因為細菌具有明確的界線和規則的形狀。不過它們沒有細胞核，即使有一條或多條作為遺傳物質的染色質，它們也沒有任何核膜結構。

生物細胞還具有一些更本質的共同點，我們必須了解它才能理解遺傳學。在這里，我們先明確一下最基本的化學假設：物質是由原子構成的，原子以一定方式結合成分子，化合物的化學式體現了其分子構成。水的化學式H2O意味著每一個水分子由兩個氫原子（H）和一個氧原子（O）組成。你還應該知道每種元素的原子對應一個確定的重量（或稱質量）：氫的質量為1個單位，碳為12個單位，鐵為55.85個單位。一個分子的質量就是組成該分子的所有原子的質量總和。