我第一次看到細胞是在學校里，就在我偶遇黃色蝴蝶后不久。全班同學種下的洋蔥苗發了芽，于是我們剝下球根表皮，把它們放到顯微鏡下觀察其構成。生物課老師基思·尼爾很擅長啟發我們，他解釋說我們將看到細胞，它是生命的基本單位。然后，一排排整齊的箱狀細胞出現在我眼前，它們規整地疊成一列又一列。多么不可思議啊！靠這么小的細胞生長、分裂，就足以將洋蔥的球根推入土壤，為生長中的植株提供水分和養分，并起到固定作用。
我越了解細胞，就越覺得細胞很神奇。細胞有各種形狀和大小，令人難以置信。大部分細胞都很小——真的非常微小——無法用肉眼看到。有一種能感染膀胱的寄生細菌，可以在1毫米的間隙中擠下3000多個細胞。還有些細胞大得離譜。要是你早餐吃了雞蛋，不妨想一下：整個蛋黃就只是一個單細胞。我們體內的一些細胞也很大。比如，有些單個的神經細胞可以從你的脊柱底部一直延伸到大腳趾尖。也就是說，那些神經細胞各個都能長達1米！
盡管這些多樣性令人震驚，但最讓我感興趣的是所有細胞的共同點。科學家一向對確認基本單位這件事充滿熱情，最好的例子莫過于物質的基本單位——原子。生物學中的原子就是細胞。細胞不僅是所有有機體的基本結構單位，也是生命體的基本功能單位。我這話的意思是：細胞是具有生命核心特征的最小實體。這就是生物學家所說的細胞學說的基礎：就我們目前所知，地球上的一切生命，要么是一個細胞，要么是多個細胞的集合。可以確鑿地說：細胞是最簡單的生命。
細胞學說已有差不多一個半世紀的歷史，是生物學重要的基礎理論之一。考慮到這一學說對理解生物學是如此重要，我本以為它會激發大眾的想象力，可結果并非如此，這令我頗為詫異。可能是因為在學校的生物課上，大多數人學到的都是僅僅將細胞視為類似磚塊的構件，用于搭建更復雜的生命體。然而現實遠比這有趣多了！
細胞的故事可以追溯到1665年，羅伯特·胡克（Robert Hooke），當時剛剛成立的世界上最早的科學院之一——倫敦皇家學會的成員。一項新技術催生了新的發現，這在科學界是常有的情況。由于大多數細胞都太小了，肉眼無法看到，所以直到17世紀初，顯微鏡被發明出來后，科學家們才發現了細胞的存在。科學家們常常身兼雙職，既是理論家，也是能工巧匠，這一點在胡克身上體現得淋漓盡致。他在探索物理學、建筑學和生物學前沿的同時，還熱衷于發明科學儀器。他自己制造了一臺顯微鏡，再用它來探索肉眼看不見、始終隱藏在未知領域的新奇世界。
胡克觀察的物體之一是一塊薄薄的橡木皮。他看到軟木是由一排又一排相疊的空洞組成的，恰如300年后身為學生的我看到的洋蔥表皮細胞。胡克以拉丁語cella命名這些細胞，意為“小房間”或“小隔間”。當時的胡克還不知道，他發現的細胞不僅是所有植物的基本組成部分，也是所有生命體的基本單位。
胡克之后沒過多久，荷蘭科學家安東尼·范·列文虎克（Anton van Leeuwenhoek）在觀察到單細胞生物時有了另一個重大發現。他在池塘水的樣本中發現了游動的微小生物，并發現它們也存在于從自己的牙齒上刮下的牙垢中，這個發現讓他極為不安，要知道，他本來挺為自己的口腔衛生自豪呢！他給這些微小的生物起了一個可愛的名字——微動物（animalcules），但我們現在已不再使用這個詞了。他發現的那些在齒間繁衍的小東西，實際上是有史以來第一種被描述的細菌。列文虎克誤打誤撞，意外地開啟了一個由微小的單細胞生命體統領的全新領域。
我們現在已經知道，細菌和其他種類的微生物細胞（“微生物”是所有能以單細胞形式存活的微小生物的總稱）是迄今為止地球上數量最多的生命體。它們存活在一切環境中：從高空大氣層到地殼深處，幾乎無處不在。要是沒有它們，這個世界就會停滯。它們分解廢物，肥沃土壤，回收營養物質，從空氣中收集動植物生長所需的氮氣。當科學家們觀察人類的身體時，他們發現，相對于我們身體中的30萬億個或更多的人類細胞，微生物細胞的數量只多不少。你——以及所有人類——都不是孤立的個體，而是一個由人類和非人類細胞組成的不斷變化的群落。這些微小的細菌和真菌細胞就生活在我們的身體表面和身體內部，持續影響著我們的消化能力和抗病能力。
不過，在17世紀之前，根本沒有人知道這些看不見的細胞的存在，更不用說理解它們工作的基本原理和所有肉眼可見的生命體是一樣的了。
時間經過18世紀，來到19世紀初，顯微鏡及其技術得到進一步發展，科學家們很快便可以識別從各種各樣的生物身上提取的細胞了。有些人開始推測，所有植物和動物都是列文虎克等前人所識別出的那些微生物的集合。由此，經過漫長的孕育，細胞學說終于圓滿誕生。1839年，植物學家馬蒂亞斯·施萊登（Matthias Schleiden）和動物學家特奧多爾·施旺（Theodore Schwann）總結了自己和許多研究者的工作成果，寫下結論：“我們已經發現，所有生物體都是由本質上相似的部分——細胞——組成的。”一錘定音，撥云見日，科學界就這個結論達成共識：細胞是生物體結構和功能的基本單位。
當生物學家們意識到每個細胞本身就是一個生命體后，上述結論的含義變得更加耐人尋味。1858年，病理學界的先驅魯道夫·菲爾紹（Rudolf Virchow）[2]寫道：“每一個動物都是生命單位的總和，每一個生命單位都具有完整的生命特征。”
這意味著所有細胞都是有生命的。生物學家們證明這一點的方法非常生動直觀：他們從動物或植物的多細胞組織中提取細胞，將它們保存在俗稱“培養皿”的玻璃或塑料平底容器中。其中有些細胞系在世界各地的實驗室中存活了幾十年。正因為有它們，研究人員在無須處理一個完整的復雜生物體的情況下就能研究生物學過程。細胞是活的，可以移動，對環境做出反應，其內部始終處于動態。與動物或植物——或者說整個生物體相比，細胞看上去好像很簡單，但絕對是有生命的。
然而，施萊登和施旺率先提出的細胞學說中有個要命的空白點：該學說沒有解釋新細胞是怎么來的。直到生物學家們認識到，細胞是通過將自身分裂成兩個細胞來增殖，并得出結論：只有靠一個已經存在的細胞一分為二才能產生新細胞，這個空白才得以補全。菲爾紹用一句拉丁文警句讓這個觀點變得深入人心：每一個細胞都來自另一個細胞。這句話也有助于反駁當時仍在某些人群中盛行的錯誤觀點：生命是從惰性物質中自發產生的——事實并非如此。
細胞分裂是一切有機體生長發育的根源。在胚胎形成的整個過程里——從單個完整的動物受精卵轉化為細胞組成的球形體，最終轉化為一個高度復雜、有序的生命體——細胞分裂當數第一個決定性的事件。一切都始于一個細胞分裂成兩個獨立的細胞。隨之而來的胚胎發育也同樣基于這個過程——細胞分裂再分裂，隨著細胞發育成熟并分化成各種分工更細的組織和器官，精妙復雜的胚胎最終被構造完成。這意味著，一切有生命的有機體，無論大小，無論結構復雜與否，都是從一個細胞開始的。如果我們牢記，每個人都曾經是一個單細胞，一個在受孕的那一刻由精子和卵子融合而成的單細胞，那我們一定會更加尊重細胞吧。
細胞分裂也能解釋身體為什么能奇跡般地自愈。如果你被這頁紙的邊緣割破了手指頭，那么，傷口周圍的細胞可以通過分裂修復傷口，讓你的身體保持健康。然而，禍兮福所倚，正是因為身體具有讓細胞分裂產生新細胞的能力，癌癥也由此而生。癌癥就是由于細胞不受控制地生長、分裂而引起的，并惡性擴散，損害身體，甚至導致死亡。
生長、修復、退化和癌變都與我們的細胞在病態和健康態、青年和老年等不同狀況下的特性有關。事實上，大多數疾病都可以歸因于細胞的功能失調，要想研發出新的治療方法，首先必須了解細胞出了什么問題。
細胞學說持續影響著生命科學和醫學實踐的研究軌跡，也徹底塑造了我的生命歷程。自13歲時，我瞇著眼睛湊在顯微鏡前看到洋蔥球根表皮細胞后，我就對細胞及其運作原理充滿了好奇。在我成為一名生物學研究者后，我決定專攻細胞，特別是細胞如何自我增殖，如何控制分裂。
20世紀70年代，我的研究剛起步時，研究的是酵母菌——沒錯，就是大多數人認為只適合用來釀酒或做面包，并不適合用來解決生物學基礎問題的酵母。但事實上，酵母菌是理解更復雜的生物體細胞運作方式的絕佳樣板。酵母菌是一種真菌，但它的細胞與植物和動物細胞的相似度高得驚人。而且它們很小，培養起來相對容易，只需要喂一點營養物質，它們就能長得飛快，成本低廉。在實驗室里，我們要么讓它們隨意地漂浮在肉湯里，要么在塑料培養皿里鋪一層果凍，任由它們在果凍上面長成幾毫米寬的奶油色菌落，每個菌落都包含數百萬個細胞。盡管酵母細胞很簡單，或者更準確地說恰恰因為它們很簡單，才剛好有助于我們了解細胞在大多數有機生命體（包括人類細胞）中是如何分裂的。如今，我們對癌細胞不受控制的細胞分裂已經有所了解，事實上這要感謝如此不起眼的酵母菌。因為在癌細胞分裂這個課題上，不少知識最初都來自對酵母菌的研究。
細胞是生命的基本單位。細胞是獨立的生命體，被裹在脂質（類似脂肪）細胞膜中。但是，就像原子包含電子和質子，細胞也包含更小的成分。如今，顯微鏡的功能非常強大，生物學家們用它來揭示細胞內復雜且通常極其美麗的內部結構。其中一些相對較大的結構被稱為細胞器，每個細胞器都被包裹在各自的膜里。在所有內部結構中，細胞核是細胞的指揮中心，因為它包含了記錄在染色體上的遺傳指令，線粒體（在某些細胞中可能有數百個）的作用好比微型發電廠，為細胞提供生長和存續所需的能量。細胞內其他容器和隔室的功能則好比精妙的物流系統，可以構建、分解或回收細胞內的部件，還可以在細胞內部運送物質，或把物質送進或運出細胞。
然而，并不是所有生物的細胞都有這些裹在膜中的細胞器和復雜的內部結構。依據細胞核的有無，可以將生物分為兩大類：含有細胞核的生物被稱為真核生物，比如動物、植物和真菌；而沒有細胞核的生物則被稱為原核生物，它們要么是細菌，要么是古細菌。從大小和結構上看，古細菌和細菌相似，但實際上卻是它的遠親。在某些方面，古細菌的分子運作原理更近似于我們這樣的真核生物，反而不那么像細菌。
無論是原核生物還是真核生物，細胞膜都是細胞的重要組成部分。雖然細胞膜只有兩個分子厚，但它形成了一道靈活的“墻”，或稱屏障，將每個細胞與外部環境隔離開來，從而界定了“內”和“外”。無論從哲學還是實用層面上看，這道屏障都至關重要。歸根結底，這解釋了生命體何以能成功抵抗全宇宙那種橫掃一切、走向無序和混亂的大趨勢。就在那道與外界隔絕的薄膜內，細胞可以建立、培養它需要執行的內部秩序，與此同時，細胞也可以在其外部環境里制造混亂。這樣一來，生命體就不會違背偉大的熱力學第二定律了。
所有細胞都能覺察出自己的內部世界和周遭世界里的變化，并做出反應。所以，哪怕它們與外界隔絕，卻依然能與外部環境保持密切交流。為了維持使它們得以生存和發展的內部環境，它們也在不斷地活動和工作。細胞與更多肉眼可見的生物體——比如我小時候看到的那只蝴蝶，或者說我們人類——共享這樣的特質。
事實上，細胞與各種動物、植物和真菌有許多共同特征。它們生長、繁殖、自我維持，而在這一過程中，它們都展現出了一種目的性：不管怎樣都必須堅持下去，必須活下去，必須繁殖，將生命延續下去。所有的細胞——從列文虎克在齒間發現的細菌，到讓你讀到這些文字的神經元——和所有的生物都具有這些特性。了解細胞的運作原理，我們就離了解生命的運作原理更近了一步。
細胞存在的核心是基因，也就是我們接下來要討論的主題。每一個細胞都用基因編碼指令來構建和組織自己，當細胞和有機體繁殖時，它們必須把這些基因指令傳承給新世代。