细胞生物学在生命科学中的角色

细胞生物学在生命科学中的角色
07 生物
摘要 本文阐述了细胞生物学的概念、基本含义以及发展简史；概括了生命科学
的特点、应用与成果、展望了未来的发展状况；同时还指出了细胞生物学与生命
科学之间的微妙关系及细胞生物学在生命科学中所处的地位。
关键词 细胞生物学 生命科学 发展 地位
1 细胞生物学
1．1 细胞生物学概念
细胞生物学(cell biology)是在显微、亚显微和分子水平三个层次上，研究细
胞的结构、功能和各种生命规律的一门科学。细胞生物学由Cytology 发展而来，
Cytology 是关于细胞结构与功能(特别是染色体)的研究。现代细胞生物学从显微
水平，超微水平和分子水平等不同层次研究细胞的结构、功能及生命活动。在我
国基础学科发展规划中，细胞生物学与分子生物学，神经生物学和生态学并列为
生命科学的四大基础学科。
细胞生物学是以细胞为研究对象, 从细胞的整体水平、亚显微水平、分子水
平等三个层次，以动态的观点, 研究细胞和细胞器的结构和功能、细胞的生活史
和各种生命活动规律的学科。细胞生物学是现代生命科学的前沿分支学科之一，
主要是从细胞的不同结构层次来研究细胞的生命活动的基本规律。从生命结构层
次看，细胞生物学位于分子生物学与发育生物学之间，同它们相互衔接，互相渗
透。
1.2 细胞生物学简史
1.2.1 从研究内容来看细胞生物学的发展可分为三个层次，即：显微水平、超
微水平和分子水平。
1.2.2 从时间纵轴来看细胞生物学的历史大致可以划分为四个主要的阶段：
第一阶段：从16 世纪后期到19 世纪30 年代，是细胞发现和细胞知识的积
累阶段。通过对大量动植物的观察，人们逐渐意识到不同的生物都是由形形色色
的细胞构成的。
第二阶段：从19 世纪30 年代到20 世纪初期，细胞学说形成后，开辟了一
个新的研究领域，在显微水平研究细胞的结构与功能是这一时期的主要特点。形
态学、胚胎学和染色体知识的积累，使人们认识了细胞在生命活动中的重要作用。
1893 年 Hertwig 的专著《细胞与组织》出版，标志着细胞学的诞生。其后 1896
年哥伦比亚大学Wilson 编著的The Cell in Development and Heredity、1920 年墨
尔本大学Agar 编著的Cytology 都是这一领域最早的教科书。
第三阶段：从20 世纪30 年代到70 年代，电子显微镜技术出现后，把细胞
学带入了第三大发展时期，这短短 40 年间不仅发现了细胞的各类超微结构，而
且也认识了细胞膜、线粒体、叶绿体等不同结构的功能，使细胞学发展为细胞生
物学。De Robertis 等人1924 出版的普通细胞学在1965 年第四版的时候定名为细
胞生物学，这是最早的细胞生物学教材之一 。
第四阶段：从20 世纪70 年代基因重组技术的出现到当前，细胞生物学与分
子生物学的结合愈来愈紧密，研究细胞的分子结构及其在生命活动中的作用成为
主要任务，基因调控、信号转导、肿瘤生物学、细胞分化和凋亡是当代的研究热
点。
1．3 细胞生物学概述
1.3.1 细胞生物学虽说是一个比较年轻的学科，从学术思想上却可以追溯到较
早的年代。1883 年德国胚胎学家W.鲁就阐述过关于遗传和发育的设想。他假定
受精卵中包含着所有的遗传物质，后者在卵裂时不是平均地分配到子细胞中，这
种不同质的分裂决定子细胞及其后代的命运。德国动物学家 A.魏斯曼发展了这
种想法，提出了种质学说，认为裂球的不均等分裂导致了细胞的分化。虽然这些
见解都已证明是错误的，但是可以看出细胞生物学所要解决的问题在那时已被提
出来了。以后E.B.威尔逊1927 年在他的《细胞──在发育和遗传中》的巨著中
明确指出：细胞是生命活动的基本单位，发育和遗传这些生命现象应当在细胞上
研究。1934 年，美国遗传学家和胚胎学家 T.H.摩尔根在遗传学取得巨大成就之
后，在企图融合发育与遗传的《胚胎学与遗传学》一书中写道：“可以设想，各
原生质区域在开始时的差异会影响基因的活动，然后基因又反转过来影响原生
质，后者就开始一系列新的、相应的反应。这样，我们可以勾画出胚胎各部分的
逐步建立和分化。”但在摩尔根的年代，由于细胞学和其他相邻学科还未发生密
切的联系，或者说其他学科尚未能在细胞水平上开展关于发育和遗传的研究，所
以细胞生物学只能在50 年代之后，各方面的条件逐渐成熟了，才得以蓬勃发展。
2 生命科学
2.1 生命科学概念
生命科学是研究生命现象、生命活动的本质、特征和发生、发展规律，以及
各种生物之间和生物与环境之间相互关系的科学。用于有效地控制生命活动，能
动地改造生物界，造福人类生命科学与人类生存、人民健康、经济建设和社会发
展有着密切关系，是当今在全球范围内最受关注的基础自然科学。
生命科学研究不但依赖物理、化学知识，也依靠后者提供的仪器，如光学和
电子显微镜、蛋白质电泳仪、超速离心机、X-射线仪、核磁共振分光计、正电子
发射断层扫描仪等等，举不胜举。生命科学学家也是由各个学科汇聚而来。学科
间的交叉渗透造成了许多前景无限的生长点与新兴学科。
2.2 生命科学特点
当代生命科学的显著特点是：分子生物学的突破性成果，成为生命科学的生
长点，使生命科学在自然科学中的位置起了革命性的变化。20 世纪50 年代，遗
传物质DNA 双螺旋结构的发现，开创了从分子水平研究生命活动的新纪元。此
后，遗传信息由 DNA 通过 RNA 传向蛋白质这一“中心法则”的确立以及遗传
密码的破译，为基因工程的诞生提供了理论基础。蛋白质的人工合成，使人们认
清了生命现象并不神秘。这些重大的研究成果，阐明了核酸和蛋白质是生命的最
基本物质，生命活动是在酶的催化作用下进行的。所有的酶的化学本质是蛋白质。
蛋白质是一切生命活动调节控制的主要承担者。从而揭示了蛋白质、酶、核酸等
生物大分子的结构、功能和相互关系，为研究生命现象的本质和活动规律奠定了
理论基础。
2.3 生命科学的成果及应用
2.3.1 生命科学中的亲子鉴定技术
通过遗传标记的检验与分析来判断父母与子女是否亲生关系，称之为亲子试
验或亲子鉴定。DNA 是人体遗传的基本载体，人类的染色体是由DNA 构成的，
每个人体细胞有23 对（46 条）成对的染色体，其分别来自父亲和母亲。夫妻之
间各自提供的 23 条染色体，在受精后相互配对，构成了 23 对（46 条）孩子的
染色体。如此循环往复构成生命的延续。
2.3.2 生命科学中的基因检测
基因来自父母，几乎一生不变，但由于基因的缺陷，对一些人来说天生就容
易患上某些疾病，也就是说人体内一些基因型的存在会增加患某种疾病的风险，
这种基因就叫疾病易感基因。
基因检测是如何进行的呢？用专用采样棒从被测者的口腔黏膜上刮取脱落细
胞，通过先进的仪器设备，科研人员就可以从这些脱落细胞中得到被测者的DNA
样本，对这些样本进行DNA 测序和SNP 单核苷酸多态性检测，就会清楚的知道
被测者的基因排序和其他人有哪些不同，经过与已经发现的诸多种类疾病的基因
样本进行比对，就可以找到被测者的DNA 中存在哪些疾病的易感基因。
2.4 生命科学发展与展望
这个世纪是生命科学的世纪，作为医学，长期以来的任务是防病治病。可是，
从现在开始，医学的任务将主要是维护和增强人们的健康，提高人们的生活质量。
随着时代的发展，医生将也要逐渐走向社会，走入人群。从这个意义上讲，中国
的医生资源配置，也必然要发生变化。现在中国还没有一个概念，就是通往急诊
室的快速、绿色通道。建设急诊快速、绿色的通道是完全必要的。方便就医的观
念就是未来的方向。 21 世纪生命科学的研究进展和发展趋势 。
3 细胞生物学在生命科学中的地位和作用
3.1 生物界绚丽多彩、复杂多样，生体是多层次、非线性、多侧面的复杂结
构体系。然而细胞是生物体的结构于生命活动的基本单位，有了细胞才有完整的
生命活动，对细胞的研究是全面深入地认识各种生命活动的出发点，细胞的知识
是生命科学的共同基础知识。正想著名生物学家E.B.Wilson 所说：“一切生命的
关键问题最终都要到细胞中去寻找。因为所有生物体都是或曾经是一个细胞。”
由此可见，细胞生物学是现代生命科学的基础学科，并在现代生命科学研究中占
有核心地位，成为重要的支柱。生物学中是许多分支学科，诸如形态学、解剖学、
分类学、生理学、遗传学、分子生物学和发育生物学等，都要求从细胞水平上来
阐明各自领域中生命现象的机制。可以毫不讳言的说，脱离细胞 ，现代生物学
的所有分支学科都将失去意义。由于细胞生物学研究的内容十分广泛，设计生命
现象的各个方面，在其发展过程中细胞学已与许多分支学科有交叉、渗透，以至
融合形成一些交叉学科，如细胞遗传学、细胞生理学、细胞病理学、细胞化学及
生化细胞学、细胞生态学、细胞分类学等。为此，细胞生物学已成为生物科学中
一个极为活跃的研究领域，是一门综合性的新兴基础理论学科，属于现代生命科
学的前沿学科。细胞生物学的迅猛发展，必将推动21 世纪生命科学的整体发展，
并对中国医药，环境，生物技术和农业等方面的研究具有重要的实践意义。
3.2 可以预见，在未来的时代细胞生物学仍然是生命科学的领头学科，是支
撑生物技术发展的基础科学。尽管发现细胞已经300 多年了，但人类目前对细胞
在整体层次上（哪怕是“简单的”细菌）的工作机理并未获得一个完整清晰的认
识。细胞生物学在如下领域内的发现将为生物技术带来新的发展动力。①对干细
胞生长和分化的控制机制的认识或许会带来治疗应用方面的重大突破；②对遗传
基因和生化途径调控机制的认识将催生更先进的遗传修饰方法；③理解细胞感知
环境的机理会有助于研发具有广泛应用前景的生物传感器；④了解细胞骨架和分
子马达的协同工作机制将很可能在下半个世纪中引领纳米技术的生物应用。
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