我们是由细胞组成的：科学中的事实与猜想

在讨论物质结构时，我们有意漏掉了相对数量很少，然而却极为重要的一类物体，这类物体因为是活的，而与宇宙中的其他一切物体不同。生物与非生物之间有什么重要的区别呢？曾经成功地解释了非生物各种性质的物理学基本定律，现在用于解释生命现象时有多大的可信度呢？

当讨论到生命现象时，我们往往会想到一些很大很复杂的生物，如一棵树、一匹马、一个人。但是，如果从这样复杂的基体着手研究生物的基本性质，那就无异于在分析无机物的结构时以汽车之类的复杂机器为对象，结果必然是无益的。

这样做我们将遇到的困难是很明显的，一辆汽车是由不同材料、不同物理状态做成的成千上万的各种形状的零件组成的，有的是固体（如钢制底盘、铜制导线和玻璃风挡等），有的是液体（如散热器中的水、油箱中的汽油、气缸中的机油等），还有一些是混合气（如由汽化器送入气缸中的混合气）。因此，在分析这个叫作汽车的复杂物体时，第一步是把它分解成物理性质同类的、一致的单个零件。这样，我们就会发现，汽车是由各种金属（如钢、铜、铬等）、各种非晶体（如玻璃、塑料等）和各种均匀的液体（如水、汽油等）所组成的。

然后，我们可以进一步凭借各种物理研究手段进行分析，从而发现，铜制部件是由小晶粒组成的，每粒晶粒又是由一层层铜原子有规则地刚性连接叠加成的；散热器内的水是由大量松散聚集在一起的水分子组成的，每一个水分子又由一个氧原子和两个氢原子组成；通过汽化器阀门进入气缸的混合气是由一大波高速运动的氧分子、氮分子和汽油蒸气分子掺杂在一起组成的；而汽油分子又是由碳原子和氢原子组成的。

同样，在分析像人类这样复杂的活体动物时，首先，我们必须把它分解成单独的器官如大脑、心脏、胃等，然后再把它们分解成生物学上的单质，即通常所说的“组织”。

这各种各样的组织，可以说是构成复杂生物体的材料，正如各种物理上的单质组成的机械装置一样。从这种意义上说，根据各种组织的性质来研究生物体作用的解剖学和生物学，是与根据各种物质的力学、磁学、电学等性质来研究这些物质所组成的各种机器的作用的工程学相似的。

因此，单靠弄清各组织如何组成复杂的机体，还不能够解答生命之谜，我们必须搞清楚各机体中的组织在根本上是如何由一个个不可分的单元组成的。

如果你认为，可以将活的单一生物组织比作普通物理单质，那就是一个大错误。事实上，随意选取一种组织（皮肤组织、肌肉组织、脑组织等）在低倍显微镜下观察，就会发现这些组织里包含许多小单元，这些小单元的本性或多或少地决定了整个组织的性质（见图91）。生物的这些基本组成单元一般称为“细胞”，也可以叫作“生物原子”（也就是“不可再分者”），这是因为各种组织的生物学性质至少要在有一个单个细胞时才能保持下去。

图91　细胞的不同形状

（a）植物组织细胞；（b）肌肉组织细胞；（c）脑组织细胞

例如，要把一个肌肉组织切成半个细胞那么大，它就会完全失去肌肉所具有的收缩性和其他性质，正如半个镁原子就不再是镁^[1]。

构成组织的细胞是很小的（平均大小只有百分之一毫米^[2]）。一般的植物和动物都由极多个细胞组成，例如，一个成年人就是由几百万亿个细胞组成的。

小一些的生物体，细胞总数当然要少些，如一只苍蝇、一只蚂蚁，至多不过有几亿个细胞。还有一大类单细胞生物，如阿米巴、真菌（能引起“金钱癣”的那一种）和各种细菌，他们都是由单独的一个细胞组成的，只有在高倍显微镜下才能看到。对于这些在复杂机体中泰然担当其“社会职能”的单个活细胞所进行的研究，是生物学上最激动人心的篇章之一。

为了对生命问题有一个大概的了解，我们必须对活细胞的结构和性质做出解答来。

活细胞的什么性质使它和一般的无机物或死细胞——如做书桌的木头、制鞋子的皮革中的细胞——不同呢？

具有基本功能的活细胞具有以下几个特殊的基本性质：①能够从周围的物质中吸取自己需要的养分；②能够把这些养分变为供自己生长所需要的物质；③当它的体积变得足够大时，能够分成两个与原来相同但小一半的细胞（每个新细胞仍然能够生长）。与由单个细胞组成的复杂机体一样，不用说也都具有“吃”“长”“生”这三种能力。

有批判精神的读者可能会说，这三个性质也存在于普通的无机物质中。例如，在过饱和的食盐水^[3]中扔进一小粒食盐，在它的表面就会“长”出一层一层的来自溶液的（更确切地说，是从溶液中被赶出来）的食盐分子。我们还能进一步设想，当这些晶粒达到一定的大小后，会因某种机械效应——如重量的增加——而裂成两半，这样形成的“子晶”还可以继续生长下去。为什么不把这个过程看作生命现象呢？

回答这类形似的问题时，首先必须声明，把生命看成是一个较为复杂的普通物理及化学现象，那么生物与非生物之间是不会有明确界限的。这正如在以统计定律描述大量气体分子的运动状态时，我们不能确定统计定律的适用界限一样（见第八章）。事实上，我们知道，充满一个大房间的气体不会突然自行聚集在一个角落里，至少这种可能性是小到几乎不存在的。另外，如果整个房间只有两个、三个或四个分子，那么这种集中的情况就会经常发生了。

但是，我们能确定这两种不同情况在数量上的明确分界线吗？是1 000个分子，100万个分子，还是10亿个分子呢？

同样，在涉及食盐在水溶液中结晶之类的现象和活细胞的生长分裂现象，也不能期望存在一个明确的界限。生命现象虽然比结晶这种简单的分子现象复杂得多，但从根本上讲，却并没有什么不同。

不过，对于刚才那个例子，我们倒可以这样说：晶体在溶液中生长的过程，只不过是把“食物”不加变化地集中在一起，只是原来和水混合在一起的盐分子简单聚集在晶体表面上来，这只是物质的单纯机械增减，而不是生物化学上的吸收；晶粒的偶然裂开也不过是由重力造成的，而且各裂块的大小也不成比例，这与活细胞由于内部作用力的结果而不断准确分成两个细胞实在没有什么相似之处，因此，不能将它看成是生命现象。

再看看这个和生物学过程极其相似的例子。如果在二氧化碳水溶液中加入一个酒精分子（C2H5OH）后，这个酒精分子能自行把水分子和二氧化碳分子一个个地合成新的酒精分子^[4]（见图92）。因此，我们只要向苏打水中滴入一滴威士忌，就会把全部苏打水变成纯威士忌，这样，我们不得不把酒精看成是有生命的物质了。

图92　假如一个酒精分子能够把水分子和二氧化碳分子组合成一个个新的酒精分子，就会是这个样子。如果这种自我合成能够实现的话，那就真该把酒精看成一个有生命的物质了

这个例子并非虚构，因为后文我们可以看到，确实存在一种叫作病毒的复杂化学物质，它的复杂分子（由几十万个原子组成）就能从周围环境中取得分子，把它们构成与自己相同的分子。这些病毒既应被看作普通的化学分子，又应被看作是活的机体，因而正是连接生物与非生物的那个“丢失的环节”。

但是现在，我们必须回到普通细胞的生长和繁殖的问题上来，因为尽管细胞很复杂，但它毕竟还是最简单的活的机体。

通过一架高倍的显微镜，我们可以看到一个具有代表性的细胞是一种具有相当复杂的化学结构的半透明胶状物质，这种物质一般被称作原生质。原生质外面被一层细胞壁包着，在动物细胞中这是一层薄而柔软的膜，在各种植物细胞中是一层使植物获得一定强度的厚且硬的壁（见图91）。每一个细胞内都有一个小小的球状物，称为细胞核，它是由外形像一张细网的叫作染色质的东西构成的（见图93）。要注意，细胞中原生质的各部分在正常情况下对于光的透射率是相同的，因此不能直接在显微镜下看到活细胞的结构。为了看到细胞结构，我们必须给细胞染色，这是利用了原生质各部分吸收染料的能力不同这一事实。原子核的染色体特别能吸收加入的染料，因此能在浅色背景上突出地显示出来^[5]。希腊语中“染色质”（即“吸收颜色的物质”）的名称就是这样得来的。

当细胞开始进行至关重要的分裂时，细胞核的网状组织会变得与往常大不一样，成了一组丝状或棒状的东西［见图93（b）、（c）］，它们叫作“染色体”（即“吸收颜色的物体”）。请看后面图版Ⅴ（a）和（b）^[6]。

任意选定一个物种，它体内的所有细胞（生殖细胞除外）都含有相同数目的染色体。通常来讲，生物越高级，染色体的数目越多。

图93　细胞分裂的各个阶段（有丝分裂）

小小的果蝇曾以拉丁语中的腹黑果蝇引以为傲，它们曾帮助生物学家了解生命之谜，它的每个细胞中有8条染色体。豌豆有14条，玉米有20条。生物学家自己和其他所有人，细胞里都有46条染色体。看来人类可以自豪一下，因为从数学上证明了人比果蝇高级6倍；但是蛤蜊的细胞里含有200条染色体，又比人类的染色体多4倍以上。因此，还是不能一概而论。

重要的是，不同种类的物种细胞中的染色体数目都是偶数，事实上染色体的构成都是几乎完全相同的两套（见图版Ⅴa，例外的情况将在本章中另行讨论）：一套来自父体，一套来自母体。来自双亲的这两套染色体决定了一切生物的复杂的遗传性质，并且代代相传下去。

细胞的分裂是由染色体开始的：每一条染色体先沿长度方向整齐地分成较细的两条，这时，细胞体仍作为一个整体存在［见图93（d）］。当这团纠缠的染色体开始变得整齐，并要进行分裂的时候，有两个靠近细胞核外缘、相互离得很近的中心体逐渐离开，移向细胞的两端［见图93（a）、（b）和（c）］。这时，在分开的中心体细胞核中的染色体间有细线相连，当染色体分开后，每一半都因有细线的收缩被拉向相邻的中心体［见图93（e）、（f）］。当分裂过程将近尾声时［见图93（g）］，细胞膜（壁）沿中心线凹陷进去［见图93（h）］，每一半细胞都长出一层薄膜（壁），这两个只有一半大的细胞相互离开，于是形成了两个独立的新细胞。

如果这两个细胞能从外界获得充足的养分，它们就会长得和上一代细胞一样大（即长大一倍），并且在经过一段时间后，又会按同样的方式进行分裂。

对于细胞分裂，我们只能通过直接观察给出以上几个分离的步骤。至于如何对这些步骤进行科学的解释，则由于相对应各个物理化学作用力的确切本质知道得太少，至今还不能做出。要对细胞整体做物理分析，细胞似乎还是太复杂了些，因此，在攻克细胞问题之前，最好先弄清染色体的本质，这相对简单一点，我们将在下节讲到。

但是，先搞清楚由大量细胞组成的复杂生物的繁殖过程是十分有用的。这里我们可以提出这样一个问题：是先有蛋还是先有鸡？其实，在这类反复循环的过程中，无论先从会生蛋的鸡开始，还是先从能孵出小鸡的蛋开始，情况都是一样的（其他动物也是一样）。

我们就先从刚出壳的小鸡开始吧。一只正在孵化的小鸡，是经历了一系列连续分裂而迅速长成的。大家记得，一只成年的动物是由上万亿个细胞组成的，而它们都是由一个受精卵细胞不断分裂形成的。大家的第一感觉很自然地想到这个过程一定需要好多好多代的分裂才能完成。不过，如果大家还记得我们在第一章所讨论过的问题，即西萨·班·达依尔向打算赏赐他的那位马大哈国王索取构成几何级数的64堆麦粒，或是重新安置决定世界末日的64片金盘所需的时间，便能看出，只需要为数不多的分裂，就能产生出极多的细胞来。如果用x表示一个细胞变成成年人所有细胞所需的分裂次数，根据每一次分裂都使得细胞数目加倍（因为每一个细胞都变为两个），便可以列出下式：

2x=1014，

求解后得

x=47。

因此，我们身体里的每一个细胞，都是决定我们存在的那个卵细胞的大约第五十代后裔^[7]。

动物在小时候，细胞分裂进行得很快，但在成熟的生物体内，大多数细胞在正常情况下处于“休眠状态”，只是偶尔分裂一下，以补偿由于外损内耗所造成的数量减少，从而做到“收支平衡”。

现在，我们来讨论一类非常特殊的细胞分裂，即负责生殖的“配子”或叫作“婚姻细胞”的分裂过程。

各种雌雄异体的生物体，在它们的早期阶段，都以一批专门的细胞被放到一边“储存”起来，以供将来生殖时使用。这些位于专门生殖器官内的细胞，只在器官本身成长时进行几次一般的分裂，分裂次数大大少于其他器官中细胞的分裂次数。因此，到了该用这些细胞来产生下一代时，它们的生命力仍然还是旺盛的。这时，这些生殖细胞开始进行分裂，不过是以另一种比上述一般分裂大为简单的方式进行的：构成细胞核的染色体不像一般细胞那样劈成两半，而是简单地互相分开［见图94（a）、（b）和（c）］，从而使得每一个子细胞得到原来染色体的一半。

图94　配子的形成［（a）、（b）、（c）］和卵细胞的受精［（d）、（e）、（f）］。在第一阶段（减数分裂），所储备的生殖细胞未经劈裂就分成两个“半细胞”；在第二阶段（受精），精子细胞钻入卵细胞，它们的染色体配合起来，这个受精卵从此开始进行图93所示的正常分裂

细胞的一般分裂被称为“有丝分裂”，而这种产生“部分染色体”细胞的分裂方式被称为“减数分裂”。由这种分裂所产生的子细胞叫作“精子细胞”和“卵细胞”，或者叫作雄配子和雌配子。

细心的读者可能会产生一个疑问：生殖细胞是分裂成两个相同的部分，那怎么能产生雄、雌这两种配子呢？情况是这样的：在前文我们已经提到过的那两套几乎完全相同的染色体中，有一对特殊的染色体，它们在雌性生物体内是相同的，而在雄性生物体内是不同的。这对特殊的染色体叫作性染色体，用X和Y这两个符号来区分。雌性生物体内只有两条X染色体，而雄性体内有X、Y染色体各一条^[8]。把一条X染色体换成Y染色体，就意味着性别的根本不同（见图95）。

图95　男子和女子的颜值不同。女子的所有细胞都含有23对两两相同的染色体；男人却有一对不同，这一对中有一条X染色体和一条Y染色体；在女子的细胞中，两条都是X染色体

由于雌性生物的生殖器官中，所有细胞都有一对X染色体，当它们进行减数分裂时，每一个配子得到一条X染色体。但是每一个雄性生殖细胞中有X染色体和Y染色体各一条，在它所分裂成的两个配子中，一个含有X染色体，一个含有Y染色体。

在受精过程中，一个雄配子（精子细胞）和一个雌配子（卵细胞）进行结合，这时，可能产生含有一对X染色体的细胞，也可能产生含有X染色体和Y染色体各一条的细胞，这两者的机会是均等的。前者发育成女孩，后者发育成男孩。这个重要问题，我们还要在下一节中讲到，现在还是继续讲生殖过程。

精子细胞与卵细胞的结合过程被称作“配子受精”，这时得到一个完整的细胞，并开始以图92的所示的“有丝分裂”的形式一分为二。这两个细胞在经过短暂的休整后，继续各自一分为二，这四个细胞又进行分裂。这样进行下去，每一个子细胞都得到原来那个受精卵中染色体的一份精确的复制品。所有的染色体一半来自父体，一半来自母体。受精卵逐步发育成成熟个体的过程由图96简略地表示出来。

图96　从卵细胞到人的过程

在图96（a）中，我们看到的是精子进入休眠的卵细胞中。这两个配子的结合促发了这个完整的细胞开始进行新的活动，它先分裂成2个，然后是4个、8个、16个……［见图96（b）、（c）、（d）、（e）］。当细胞的数目变得非常大时，它们就会排列成肥皂泡状，每个细胞都分布在表面上，以利于更方便地从周围的营养介质中得到食物［见图96（f）］。再往后，细胞会向内部空腔凹陷进去［见图96（g）］，进入“原肠胚”阶段。在此期间，它像一个小荷包，荷包的开口兼供进食和排泄使用。简单的动物，如珊瑚虫的发育就到此为止，而更为高级的物种则继续生长和变形，一部分细胞变为骨骼，另一些细胞则变为消化、呼吸和神经系统。在经历各个不同的胚胎阶段之后［见图96（i）］，最终成为可以辨别出所属物种的生物［见图96（j）］。

我们已经提到，在发育的机体中，有一些细胞从早期发展阶段起就可以说是被放到一旁保存起来，以供将来繁殖之用。当机体成熟后，这些细胞又经历了减数分裂，产生配子，再从头开始上述整个过程，生命就是这样延续下来的。