第一章 绪论第二节细胞生物学简史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。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世纪未一19世纪30年代，是细胞发现和细胞知识的积累阶段第二阶段：从19世纪30—20世纪中期，细胞学说形成后，主要进行细胞显微形态的研究。第三阶段：从20世纪30年代一70年代，以细胞超微结构、核型、带型研究为主要内容。第四阶段：从20世纪80年代分子克隆技术的成熟到当前，细胞生物学与分子生物学的结合愈来愈紧密，基因调控、信号转导、细胞分化和调亡、肿瘤生物学等领域成为当前的主流研究内容。一、显微镜的发明与细胞的发现没有显微镜就不可能有细胞学诞生。1.1590荷兰眼镜制造商J.Janssen和Z.Janssen父子制作了第一台复式显微镜，尽管其放大倍数不超过10倍，但具有划时代的意义。2.1665英国人RobertHook用自己设计与制造的显微镜（放大倍数为40-140倍，图1-1)观察了软木（栎树皮)的薄片，第一次描述了植物细胞的构造，并首次用拉丁文cella（小室）这个词来称呼所看到的类似蜂巢的极小的封闭状小室（实际上只是观察到到纤维质的细胞壁)。3.1672，1682英国人NehemaihGrew出版了两卷植物显微图谱，注意到了植物细胞中细胞壁与细胞质的区别。4.1680年荷兰人AvanLeeuwenhoek成为皇家学会会员，一生中制作了200多台显微镜和500多个镜头（图1-2）。他是第一个看到活细胞的人，观察过原生动物、人类精子、鲑鱼的红细胞、牙垢中的细菌等等。5.1752英国望远镜商人J.Dollond发明消色差显微镜。-
1 第一章 绪论 第二节 细胞生物学简史 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。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 世纪末—19 世纪 30 年代，是细胞发现和细胞知识的积累阶段。 第二阶段：从 19 世纪 30—20 世纪中期，细胞学说形成后，主要进行细胞显微形态的研究。 第三阶段：从 20 世纪 30 年代—70 年代，以细胞超微结构、核型、带型研究为主要内容。 第四阶段：从 20 世纪 80 年代分子克隆技术的成熟到当前，细胞生物学与分子生物学的结合愈 来愈紧密，基因调控、信号转导、细胞分化和凋亡、肿瘤生物学等领域成为当前的主流研究内容。 一、显微镜的发明与细胞的发现 没有显微镜就不可能有细胞学诞生。 1. 1590 荷兰眼镜制造商 J.Janssen 和 Z.Janssen 父子制作了第一台复式显微镜，尽管 其放大倍数不超过 10 倍，但具有划时代的意义。 2. 1665 英国人 Robert Hook 用自己设计与制造的显微镜（放大倍数为 40-140 倍，图 1- 1)观察了软木（栎树皮)的薄片，第一次描述了植物细胞的构造，并首次用拉丁文 cella（小室) 这个词来称呼所看到的类似蜂巢的极小的封闭状小室（实际上只是观察到到纤维质的细胞壁)。 3. 1672，1682 英国人 Nehemaih Grew 出版了两卷植物显微图谱，注意到了植物细胞中 细胞壁与细胞质的区别。 4. 1680 年荷兰人 A. van Leeuwenhoek 成为皇家学会会员，一生中制作了 200 多台显微镜和 500 多个镜头（图 1-2）。他是第一个看到活细胞的人，观察过原生动物、人类精子、鲑鱼的红细胞、 牙垢中的细菌等等。 5. 1752 英国望远镜商人 J. Dollond 发明消色差显微镜
图1-1RobertHook和他的显微镜图1-2A.vanLeeuwenhoek的显微镜（图片来自http://www.arsmachina.com）6.1812苏格兰人D.Brewster发明油浸物镜，并改进了体视显微镜。7.1886德国人ErnstAbbe发明复消差显微镜，并改进了油浸物镜，至此普通光学显微镜技术基本成熟。8.1932德国人M.Knoll和E.A.F.Ruska描述了一台最初的电子显微镜，1940年美国和德
2 图 1-1 Robert Hook 和他的显微镜 图 1-2 A. van Leeuwenhoek 的显微镜（图片来自 http://www.arsmachina.com） 6. 1812 苏格兰人 D. Brewster 发明油浸物镜，并改进了体视显微镜。 7. 1886 德国人 Ernst Abbe 发明复消差显微镜，并改进了油浸物镜，至此普通光学显微镜技 术基本成熟。 8. 1932 德国人 M. Knoll 和 E. A. F. Ruska 描述了一台最初的电子显微镜，1940 年美国和德
国制造出分辨力为0.2nm的商品电镜。9.1932荷兰籍德国人F.Zernike成功设计了相差显微镜（phasecontrastmicroscope），并因此获1953年诺贝尔物理奖。10.1981瑞士人G.Binnig和H.Roherl在BM苏黎世实验中心（ZurichResearchCenter）发明了扫描隧道显微镜而与电镜发明者Ruska同获1986年度的诺贝尔物理学奖。二、细胞学说的建立在十九世纪以前许多学者的工作都着眼于细胞的显微结构方面，从事形态上的描述，而对各种有机体中出现细胞的意义一直没有作出理论的概括，直到19世纪30年代德国人施莱登MatthiasJacobSchleiden、施旺TheodarSchwann提出：一切植物、动物都是由细胞组成的，细胞是切动植物的基本单位。这一学说即"细胞学说（CellTheory)"，在19世纪已有不少科学家的工作对细胞学说的创立做出了很大的贡献，如：1.Jean-BaptistedeLamark（1744~1829)，获得性遗传理论的创始人，法国退伍陆军中尉，50岁成为巴黎动物学教授，1909年他认为只有具有细胞的机体，才有生命。“Ithasbeenrecognizedfor a long time that the membranes which form the envelopes of the brain, of the nerves, ofvessels,ofallkindsofglands,ofvisceraofmusclesandtheirfibers,andeventheskinofthebody are in general the productions of cellular tissue。 But no one,so far as Iknow, has yetperceivedthat cellulartissueisthegeneralmatrixof all organizationandthat withoutthistissueno living bodywould beable to exist,nor could ithavebeenformed。"2.CharlesBrisseauMilbel（1776~1854)，法国植物学家，1802年认为植物的每一部分都有细胞存在，“theplant is whollyformedofa continuous cellularmembranoustissue。Plants aremadeupof cells,all partsofwhichareincontinuityandformoneandthesamemembranoustissue。"。3.HenriDutrochet（1776~1847），法国生理学家，1824年进一步描述了细胞的原理，他认为“All organictissuesareactuallyglobularcellsofexceedingsmallness，whichappeartobeunitedonlybysimpleadhesiveforces;thusalltissuesall animal(andplant)organs,areactualyonly a cellular tissue variously modified。This uniformity of finer structure proves that organsactuallydifferamongthemselvesmerelyinthenatureofthesubstancescontainedinthevesiculacells of which they are composed”。4.MatthiasJacobSchleiden（1804~1881)，德国植物学教授[1]，1938年发表"植物发生3
3 国制造出分辨力为 0.2nm 的商品电镜。 9. 1932 荷兰籍德国人 F. Zernike 成功设计了相差显微镜（phasecontrast microscope) ，并 因此获 1953 年诺贝尔物理奖。 10. 1981 瑞士人 G. Binnig 和 H. RoherI 在 BM 苏黎世实验中心（Zurich Research Center） 发明了扫描隧道显微镜而与电镜发明者 Ruska 同获 1986 年度的诺贝尔物理学奖。 二、细胞学说的建立 在十九世纪以前许多学者的工作都着眼于细胞的显微结构方面，从事形态上的描述，而对各种 有机体中出现细胞的意义一直没有作出理论的概括，直到 19 世纪 30 年代德国人施莱登 Matthias Jacob Schleiden 、施旺 Theodar Schwann 提出：一切植物、动物都是由细胞组成的，细胞是一 切动植物的基本单位。这一学说即“细胞学说（Cell Theory)”，在 19 世纪已有不少科学家的工作对 细胞学说的创立做出了很大的贡献，如： 1. Jean-Baptiste de Lamark （1744~1829)，获得性遗传理论的创始人，法国退伍陆军中尉， 50 岁成为巴黎动物学教授，1909 年他认为只有具有细胞的机体，才有生命。“It has been recognized for a long time that the membranes which form the envelopes of the brain，of the nerves，of vessels，of all kinds of glands，of viscera，of muscles and their fibers，and even the skin of the body are in general the productions of cellular tissue。 But no one，so far as I know， has yet perceived that cellular tissue is the general matrix of all organization and that without this tissue no living body would be able to exist，nor could it have been formed。” 2. Charles Brisseau Milbel（1776~1854)，法国植物学家，1802 年认为植物的每一部分都有 细胞存在，“the plant is wholly formed of a continuous cellular membranous tissue。Plants are made up of cells，all parts of which are in continuity and form one and the same membranous tissue。”。 3. Henri Dutrochet （1776~1847），法国生理学家，1824 年进一步描述了细胞的原理，他认 为 “All organic tissues are actually globular cells of exceeding smallness，which appear to be united only by simple adhesive forces; thus all tissues， all animal (and plant) organs, are actually only a cellular tissue variously modified。This uniformity of finer structure proves that organs actually differ among themselves merely in the nature of the substances contained in the vesicular cells of which they are composed” 。 4. Matthias Jacob Schleiden（1804~1881)，德国植物学教授[1]，1938 年发表“植物发生
论”(Beitr?gezurPhytogenesis)，认为无论怎样复杂的植物都有形形色色的细胞构成。他认识到了Brown发现细胞核的重要意义，这一点Brown本人并未做到，他试图重建细胞发育的过程，为此他聪明地选择了胚胎细胞作为他研究的起点，他还在细胞中发现了核仁。5.TheodorSchwann（1810~1882)，德国解剖学教授，一开始就研究Schleiden的细胞形成学说，他完全接受了这个学说，并把它扩展为所有生命现象的起源和基础的一般理论。他把Schleiden在植物中的发现应用到动物中去，并于1838年提出了“细胞学说”（CellTheory)这个术语；1939年发表了关于动植物结构和生长一致性的显微研究"(MikroskopischeUntersuchungenuberdieubereinstimmunginderStrukturunddemWachstumderTiereundPflanzen)。因此细胞学说的创立被认为归功于Schleiden和Sehwann两个人，而且年份也被定到1839年。Schwann提出：1）有机体是由细胞构成的；2）细胞是构成有机体的基本单位。1855德国人R.Virchow提出"一切细胞来源于细胞”（omniscellulaecellula）的著名论断，进一步完善了细胞学说。把细胞作为生命的一般单位，以及作为动植物界生命现象的共同基础的这种概念立即受到了普遍的接受。恩格斯将细胞学说誉为19世纪的三大发现之一。三、细胞生物学的发展1.细胞学发展的显微水平时期(1）原生质理论的提出·1840年普金耶（J.E.Pukinye）和1846年莫尔（V.Mohl)将动、植物细胞的内容物称为原生质(protoplasm);1861年，舒尔策（M.Schultze）确定了动、植物细胞中的原生质本质上是相同的，认为动、植物有机体的组织单位是一团原生质；1880年，J.vonHanstein提出原生质体”（protoplast）的概念，后称之为原生质理论。“细胞是一团生活物质或原生质，分化为细胞核和细胞质”：(2）细胞分裂的研究·1841年，雷马克(R.Remak)发现鸡胚细胞的直接分裂；1879年，德国人W.Flemming观察到蝶螈细胞的间接分裂；1882年将直接分裂称为无丝分裂(amitosis)，间接分裂称为有丝分裂(mitosis)。4
4 论”(Beitr?ge zur Phytogenesis)，认为无论怎样复杂的植物都有形形色色的细胞构成。他认识到了 Brown 发现细胞核的重要意义，这一点 Brown 本人并未做到，他试图重建细胞发育的过程，为此 他聪明地选择了胚胎细胞作为他研究的起点，他还在细胞中发现了核仁。 5. Theodor Schwann（1810~1882)，德国解剖学教授，一开始就研究 Schleiden 的细胞形成 学说，他完全接受了这个学说，并把它扩展为所有生命现象的起源和基础的一般理论。他把 Schleiden 在植物中的发现应用到动物中去，并于 1838 年提出了“细胞学说”（Cell Theory)这个术 语；1939 年发表了“关于动植物结构和生长一致性的显微研究”(Mikroskopische Untersuchungen über die übereinstimmung in der Struktur und dem Wachstum der Tiere und Pflanzen)。因此细胞 学说的创立被认为归功于 Schleiden 和 Sehwann 两个人，而且年份也被定到 1839 年。 Schwann 提出： 1) 有机体是由细胞构成的； 2) 细胞是构成有机体的基本单位。 1855 德国人 R. Virchow 提出“一切细胞来源于细胞”（omnis cellula e cellula）的著名论断， 进一步完善了细胞学说。 把细胞作为生命的一般单位，以及作为动植物界生命现象的共同基础的这种概念立即受到了普 遍的接受。恩格斯将细胞学说誉为 19 世纪的三大发现之一。 三、细胞生物学的发展 1. 细胞学发展的显微水平时期 (1) 原生质理论的提出 •1840 年普金耶 (J. E. Pukinye) 和 1846 年莫尔 (V. Mohl)将动、植物细胞的内容物称为原生质 ( protoplasm)； •1861 年，舒尔策 (M. Schultze) 确定了动、植物细胞中的原生质本质上是相同的，认为动、植 物有机体的组织单位是一团原生质 ； •1880 年，J. von Hanstein 提出“原生质体” (protoplast) 的概念，后称之为原生质理论。“细胞是 一团生活物质或原生质，分化为细胞核和细胞质”； (2) 细胞分裂的研究 •1841 年，雷马克(R. Remak)发现鸡胚细胞的直接分裂； •1879 年，德国人 W. Flemming 观察到蝾螈细胞的间接分裂；1882 年将直接分裂称为无丝分裂 (amitosis)，间接分裂称为有丝分裂 (mitosis)
1880年，E.Strasburger在植物细胞中发现了有丝分裂；·1883年，比利时人VanBeneden在马虫上发现减数分裂现象：·1886年，E.Strasburger在植物上发现减数分裂现象。至此，细胞分裂的3种类型被发现。(3)重要细胞器的发现由于显微镜分辨率的提高和石蜡切片法及其它重要染色方法的发明，一些重要细胞器相继被发现。1883年，VanBeneden和Boveri发现中心体；1894年，Altmann发现线粒体；1898年Golgi发现高尔基器。2.细胞学发展的亚显微水平时期细胞生物学的发展与电子显微镜的发明及其他物理、化学技术的建立密不可分。20世纪50年代，电镜技术的应用揭示出惊人的细胞亚显微世界，发现了一些光镜下看不见的细胞器及其结构。·1945年，K.R.Porter和A.D.Claude等发现内质网；·1954年，Johannes和Rhodin发现过氧化物体；1956年，ChristiandeDuve发现溶酶体；1958年，Robertis发现核蛋白体；·利用电子显微镜观察到细胞器的精细结构，如叶绿体(Granick,1947)、线粒体(Palade,1952,1953)、高尔基器(Dalton,Felix，1953,1954)等；解决了许多悬而未决或争议的问题。20世纪60年代开始，将细胞结构与功能和生化生理相结合，对细胞的结构和功能研究的层次越来越深入，向细胞生物学转变。3.细胞生物学的形成和发展1928年，英国微生物学家F.Griffith发表了著名的肺炎双球菌转化试验；·1944年，美国人O.Avery,C.Macleod和M.McCarthy等通过微生物转化试验证明了遗传物质为DNA：1953年，美国人J.D.Waston和英国人F.H.C.Crick提出DNA双螺旋模型·1957年，英国人Crick提出蛋白质合成的遗传信息传递途径一—中心法则(centraldogma)；指出遗传信息的传递途径是DNARNA蛋白质；?1961一1964年美国人M.W.Nirenberg破译DNA遗传密码1968年，瑞士人W.Arber从细菌中发现DNA限制性内切酶：·1970年，美国人D.Baltimore,R.Dulbecco和H.Temin由于发现逆转录酶而共享诺贝尔生理学或医学奖：5
5 •1880 年，E. Strasburger 在植物细胞中发现了有丝分裂； •1883 年，比利时人 Van Beneden 在马蛔虫上发现减数分裂现象； •1886 年， E. Strasburger 在植物上发现减数分裂现象。至此，细胞分裂的 3 种类型被发现。 (3) 重要细胞器的发现 由于显微镜分辨率的提高和石蜡切片法及其它重要染色方法的发明，一些重要细胞器相继被 发现。1883 年，Van Beneden 和 Boveri 发现中心体；1894 年，Altmann 发现线粒体；1898 年， Golgi 发现高尔基器。 2. 细胞学发展的亚显微水平时期 细胞生物学的发展与电子显微镜的发明及其他物理、化学技术的建立密不可分。20 世纪 50 年代，电镜技术的应用揭示出惊人的细胞亚显微世界，发现了一些光镜下看不见的细胞器及其结 构。 •1945 年，K. R. Porter 和 A. D. Claude 等发现内质网； •1954 年，Johannes 和 Rhodin 发现过氧化物体； •1956 年，Christian de Duve 发现溶酶体； •1958 年，Robertis 发现核蛋白体； •利用电子显微镜观察到细胞器的精细结构，如叶绿体(Granick, 1947)、线粒体(Palade, 1952, 1953)、高尔基器(Dalton, Felix, 1953, 1954)等；解决了许多悬而未决或争议的问题。 •20 世纪 60 年代开始，将细胞结构与功能和生化生理相结合，对细胞的结构和功能研究的层 次越来越深入，向细胞生物学转变。 3. 细胞生物学的形成和发展 •1928 年，英国微生物学家 F. Griffith 发表了著名的肺炎双球菌转化试验； •1944 年，美国人 O. Avery, C. Macleod 和 M. McCarthy 等通过微生物转化试验证明了遗传物质 为 DNA； •1953 年，美国人 J. D. Waston 和英国人 F. H. C. Crick 提出 DNA 双螺旋模型； •1957 年，英国人 Crick 提出蛋白质合成的遗传信息传递途径——中心法则(central dogma)；指 出遗传信息的传递途径是 DNA RNA 蛋白质； •1961－1964 年美国人 M. W. Nirenberg 破译 DNA 遗传密码； •1968 年，瑞士人 W. Arber 从细菌中发现 DNA 限制性内切酶； •1970 年，美国人 D. Baltimore, R. Dulbecco 和 H. Temin 由于发现逆转录酶而共享诺贝尔生理 学或医学奖；
1975年，德国人G.J.F.Kohler，阿根廷人C.Milstein和丹麦科学技N.K.Jerne发展了单克隆抗体技术，荣获1984年诺贝尔生理学或医学奖；·1981年美国首次发现艾滋病；1983年，法国巴斯德研究所的L.Montagbier发现AIDS病毒·1982年，美国人S.B.Prusiner在患羊瘙痒病的羊体内发现蛋白质感染因子一病毒(prion)，更新了医学感染的概念，获1997年诺贝尔生理学或医学奖；·1990年，美国国会正式批准“人类基因组计划，计划在15年内投入30亿美元以上的资金进行人类基因组分析。我国1993年加入该项目，承担其中1%的任务。·1994年美国人A.G.吉尔曼，M罗德贝尔发现G蛋白及其在细胞信息转导作用获诺贝尔生理学或医学奖；·1995年，美国人E.B.刘易斯、EF.维绍斯和德国人C.N.福尔哈德发现了控制早期胚胎发育的重要遗传机理（同源异形基因的发现），获得获诺贝尔生理学或医学奖：1996年7月5日，世界上首例体细胞克隆羊多莉的诞生，有力地证明了细胞全能性学说成为上世纪末的重大新闻：2000年6月28日人类基因组工作草图完成，使生物学发展进入“基因组与后基因组学"时代：2001年，美国人L.H.Hartwell、英国人P.M.Nurse和RT.Hunt因对细胞周期调控机理的研究分享诺贝尔生理学或医学奖；2002年，英国人S.Brenner、美国人H.RHorvitz和英国人J.E.Sulston，因在器官发育的遗传调控和细胞程序性死亡方面的研究获得诺贝尔生理学或医学奖；2003年，美国科学家P.Agre和R.MacKinnon，分别因对细胞膜水通道、离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖：细胞生物学的发展历史大致可分为四个主要阶段第一阶段：细胞的发现，16世纪末一—19世纪30年代。第二阶段：细胞学说的建立，19世纪30年代—20世纪中期。第三阶段：亚显微结构研究，20世纪30年代一—20世纪60年代，第四阶段：分子细胞生物学，20世纪60年代随分子生物学技术的发展应运而生。6
6 •1975 年，德国人 G. J. F. Kohler，阿根廷人 C. Milstein 和丹麦科学技 N. K. Jerne 发展了单克隆 抗体技术，荣获 1984 年诺贝尔生理学或医学奖； •1981 年美国首次发现艾滋病；1983 年，法国巴斯德研究所的 L. Montagbier 发现 AIDS 病毒； •1982年，美国人S. B. Prusiner 在患羊瘙痒病的羊体内发现蛋白质感染因子——朊病毒 (prion)， 更新了医学感染的概念，获 1997 年诺贝尔生理学或医学奖； •1990 年，美国国会正式批准“人类基因组计划”，计划在 15 年内投入 30 亿美元以上的资金进 行人类基因组分析。我国 1993 年加入该项目，承担其中 1％的任务。 •1994 年美国人 A. G. 吉尔曼，M. 罗德贝尔发现 G 蛋白及其在细胞信息转导作用获诺贝尔生 理学或医学奖； •1995 年，美国人 E. B. 刘易斯、E．F．维绍斯和德国人 C. N. 福尔哈德发现了控制早期胚胎 发育的重要遗传机理（同源异形基因的发现），获得获诺贝尔生理学或医学奖； •1996 年 7 月 5 日，世界上首例体细胞克隆羊多莉的诞生，有力地证明了细胞全能性学说， 成为上世纪末的重大新闻； •2000 年 6 月 28 日人类基因组工作草图完成，使生物学发展进入“基因组与后基因组学”时 代； •2001 年，美国人 L. H. Hartwell、英国人 P. M. Nurse 和 R. T. Hunt 因对细胞周期调控机理的研 究分享诺贝尔生理学或医学奖； •2002 年，英国人 S. Brenner、美国人 H. R. Horvitz 和英国人 J. E. Sulston，因在器官发育的遗 传调控和细胞程序性死亡方面的研究获得诺贝尔生理学或医学奖； •2003 年，美国科学家 P. Agre 和 R. MacKinnon，分别因对细胞膜水通道、离子通道结构和机 理研究而获诺贝尔化学奖； 细胞生物学的发展历史大致可分为四个主要阶段: 第一阶段：细胞的发现，16 世纪末——19 世纪 30 年代。 第二阶段：细胞学说的建立，19 世纪 30 年代——20 世纪中期。 第三阶段：亚显微结构研究，20 世纪 30 年代——20 世纪 60 年代。 第四阶段：分子细胞生物学，20 世纪 60 年代随分子生物学技术的发展应运而生