细胞学

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细胞学:各种细胞

  细胞学汉语拼音:Xibaoxue;英语:Cytology),研究细胞的结构和功能的生物学分支学科。细胞学研究的一个方面是细胞的构成成分,以及各组分的结构组成;另一个方面是细胞作为整体的功能,以及其各部分在功能上的相互关系。细胞是生物体的生理机能和所有生命现象的基础。虽然存在非细胞形态的病毒类病毒朊病毒,但它们仍以细胞为生命活动的基本单位。细胞的研究,对于认识生物遗传、发育和生理机能至关重要,对于病理学药理学育种学等具有重要的实用价值

细胞学的产生

  1665年英国R.胡克发表《显微图谱》,首次描写了细胞的存在。他通过用自制的显微镜进行观察,发现软木切片中有许多小室,并将其命名为细胞。胡克所看到的只是死细胞的细胞壁,而非活的机构。随后,学者们陆续观察到各种生物体的细胞、细胞核,并发现了细胞的内容物。在19世纪前叶,科学工作者积累了大量资料,终于使德国生物学家M.J.施莱登T.A.H.施万分别针对植物动物于1839年提出了细胞学说。首先是施莱登把植物看作细胞的共同体,并指出细胞在黏液状母质中产生,而首先产生的是核(并发现核仁);施万受此启发并总结各方面研究资料,认识到植物和动物在结构和生长中的一致性,提出了细胞学说。

  细胞学说的基本内容是:一切植物体和动物体均由细胞组成。这一学说使人们逐渐认识到细胞是生物形态、结构和功能活动的基本单位。细胞学说提出后,其基本观点很快被推广到单细胞生物(如原生动物);精子卵子也先后被组织学研究证明属于两种细胞;1855年,R.C.菲尔肖结缔组织研究的基础上指出一切细胞都来自细胞的观点;1861年,M.舒尔策将细胞定义为“一团具有一切生命特征的原生质”,并指出细胞核处在其中。细胞学说的建立,揭示了生物界的统一性,进一步诠释了各类生物共同起源的基础,为系统的生物进化学说的产生创造了条件,使得生物学进入了新阶段。细胞学因此发展为一门生物学分支学科,并与其他生物学科相互渗透,极大地推动了对生命现象本质的科学研究。

细胞形态结构的研究

  细胞是由膜包围的能够进行独立生活和繁殖的最小原生质团。不同类型的细胞大小差异很大。原核细胞的直径大约为1~10微米,真核细胞直径大多数在10~60微米之间。细胞的形态各异,特别是高等生物的细胞,有许多适应于特定环境条件的特殊类型。如肌细胞为梭形,神经细胞形成长纤维突起,胃壁细胞表面顶端内陷成胞内小管等。一般来说,细胞的结构包括细胞膜、细胞质和细胞核。真核细胞内形成了结构、功能或发生上相互联系的有界膜的细胞器。这些由内膜形成的结构构成细胞的内膜系统,如内质网、高尔基器、溶酶体、线粒体、叶绿体、过氧化物酶体等,作为最大的细胞器的细胞核由双层膜包被。在细胞质中,还有不具备界膜的细胞器,如核蛋白体、中心粒、微管、微丝、中等纤维等。细胞内的这些结构相互依存,高度协调,完成各种生命活动。细胞表面的细胞被在细胞识别、抗原决定等方面发挥重要作用。植物细胞特有的细胞壁具有保护和支持作用。

  在细胞形态结构的研究历史中,人们发现了染色体,并进一步观察到X染色体和Y染色体;对有丝分裂现象进行了仔细分析,并进而观察了减数分裂,区分出单倍体和双倍体的染色体数目。对于光学显微镜下所见到的细胞内最明显的结构——细胞核,自19世纪中期到20世纪初期就有了较为深入的理解。细胞核以染色质的形式储存了细胞的遗传物质。在细胞质物质的探讨中,人们发现了中心体、高尔基器、线粒体、内质网等细胞器。进入20世纪之后,细胞遗传学的研究促使染色体等方面研究的进一步深入,并发现和详细研究了多线染色体及其功能。20世纪40年代电子显微镜的广泛使用,标本包埋、切片制作等技术的完善,使得细胞器的细节得到深入研究,并发现了溶酶体、过氧化物酶体、核糖体、细胞骨架纤维甚至微梁系统和细胞中的各种膜,单位膜的真实结构也被逐步阐明。在细胞膜上,还发现了细胞间连接(桥粒、紧密连接和间隙连接等),与细胞间的结合和物质交流有关。到了20世纪70年代,人们在电子显微镜下观察到核小体,染色体的多级包装结构理论不断发展。此时,正是分子生物学引入经典细胞学,形成当代细胞生物学的历史阶段。

细胞功能的研究

  细胞是生命活动的基本功能单位。能够表现各种生命现象,如新陈代谢、生长和发育、繁殖、遗传和变异、应激性、环境适应性等。细胞是高度组织性的整体,其不同的结构和组分既相互独立,又相互联系。如细胞壁具有保护细胞的作用,细胞膜控制细胞物质内外交流和信号接收,细胞核储存遗传信息和控制细胞生命,线粒体产生能量,内质网参与蛋白质储运及激素合成,核糖体是蛋白质的合成场所,高尔基器常与细胞分泌过程相关,溶酶体是细胞的再生清除场所,中心粒构成细胞分裂时纺锤体的两极等。

  细胞功能的研究是在其他学科的推动下不断得到进展的。胚胎学的研究通过发育过程看到了卵子各部分的作用,通过杂交研究了异种精核的作用,将细胞与遗传联系起来;通过发育过程,认识到细胞核的遗传潜能等同性、细胞质与细胞核的协调关系。遗传学的研究确立了遗传因子(基因)的载体是染色体,为遗传变异、物种分化和性别决定等找到了细胞学基础。细胞学与其他学科的渗透发展产生了细胞生理学,在细胞膜对于物质内外交换中的作用、细胞呼吸等方面做了大量工作。细胞中存在复杂的酶系统,承担多种专一性功能;细胞中的结构通过分子和能量流动相互协调。一些独特的细胞结构发挥特殊功能,如植物细胞中的液泡,用于调节渗透压,能适时改变细胞的张力,也是养料和代谢产物的储存场所。细胞学与其他许多学科并行发展、相互促进。例如,电子显微镜的应用产生了超显微形态学;细胞结构和生物大分子染色技术等的发展,促成了细胞化学。

  20世纪70年代以来,亚显微结构研究不断深入,生物化学技术不断发展,分子生物学和分子遗传学的概念及技术不断引入,促使经典的细胞学发展为细胞生物学。