顯微鏡的技術發展對細胞的發現與細胞學說的貢獻

顯微鏡的技術發展對細胞的發現與細胞學說的貢獻

細胞是組成有機體的形態和功能的基本單位，自身又是由許多部分構成的。所以關於細胞結構的研究不僅要知道它是由哪些部分構成的，而且要進一步搞清每個部分的組成。相應地，關於功能不僅要知道細胞作為一個整體的功能，而且要瞭解各個部分在功能上的相互關係。

有機體的生理功能和一切生命現象都是以細胞為基礎表達的。因此，不論對有機體的遺傳、發育以及生理機能的瞭解，還是對於作為醫療基礎的病理學、藥理學等以及農業的育種等，細胞學都至關重要。

絕大多數細胞都非常微小，超出人的視力極限，觀察細胞必須用顯微鏡。所以1677年列文·虎克用自己製造的簡單顯微鏡觀察到動物的“精蟲”時，並不知道這是一個細胞。細胞一詞是1665年羅伯特·胡克在觀察軟木塞的切片時看到軟木中含有一個個小室而以之命名的。其實這些小室並不是活的結構，而是細胞壁所構成的空隙，但細胞這個名詞就此被沿用下來。

在細胞學的啟蒙時期，用簡單顯微鏡雖然也觀察到許多細小的物體——例如細菌、纖毛蟲等，但目的主要是觀察一些發育現象，例如蝴蝶的變態，精子和卵子的結構等。直到1827年貝爾發現哺乳類的卵子，才開始對細胞本身進行認真的觀察。在這前後研製出的無色差物鏡，引進洋紅和蘇木精作為使細胞核著色的染料以及切片機和切片技術的初創，都為對細胞進行更精細的觀察創造了有利條件。

對於研究細胞起了巨大推動作用的是德國生物學家施萊登和施旺。前者在1838年描述了細胞是在一種粘液狀的母質中，經過一種像是結晶樣的過程產生的，並且把植物看作細胞的共同體。在他的啟發下施萬堅信動、植物都是由細胞構成的，並指出二者在結構和生長中的一致性，於1839年提出了細胞學說。

與此同時，捷克動物生理學家浦肯野提出原生質的概念；德國動物學家西博爾德斷定原生動物都是單細胞的。德國病理學家菲爾肖在研究結締組織的基礎上提出“一切細胞來自細胞”的名言，並且創立了細胞病理學。

從19世紀中期到20世紀初，關於細胞結構尤其是細胞核的研究，有了長足的進展。德國植物學家施特拉斯布格1875年首先敍述了植物細胞中的著色物體，而且斷定同種植物各自有一定數目的著色物體；1880年巴拉涅茨基描述了著色物體的螺旋狀結構，翌年普菲茨納發現了染色粒，直到1888年瓦爾代爾才把核中的著色物體正式命名為染色體。德國學者亨金1891年在昆蟲的精細胞中觀察到 X染色體，1902年史蒂文斯、威爾遜等發觀了 Y染色體。

德國植物學家霍夫邁斯特1867年對植物，施奈德1873年對動物，分別比較詳細地敍述了間接分裂；德國細胞學家弗勒明1882年在發現了染色體的縱分裂之後提出了有絲分裂這一名稱以代替間接分裂，霍伊澤爾描述了在間接分裂時的染色體分佈；在他之後，施特拉斯布格把有絲分裂劃分為直到現在還通用的前期、中期、後期、末期；他和其他學者還在植物中觀察到減數分裂，經過進一步研究終於區別出單倍體和雙倍體染色體數目。

對細胞質結構的認識落後於對細胞核或染色體的認識，這種情況長期末得到改善。尤其是20世紀早期之後，隨著細胞遺傳學研究分離、重組、連鎖、交換等遺傳現象的染色體基礎，對染色體的瞭解更深入了。但是與此同時，關於細胞質，除去結合著細胞生理對它的某些生理功能有所瞭解之外，對結構的認識並沒有多大進展。這種情況直至20世紀40年代後，電子顯微鏡得到廣泛使用，標本的包埋、切片一套技術逐漸完善，才有了很大改變。

1900年重新發現孟德爾的研究成就後，遺傳學研究有力地推動了細胞學的進展。美國遺傳學家和胚胎學家摩爾根研究果蠅的遺傳，發現偶爾出現的白眼個體總是雄性；結合已有的、關於性染色體的知識，解釋了白眼雄性的出現，開始從細胞解釋遺傳現象，遺傳因數可能位於染色體上。細胞學和遺傳學聯繫起來，從遺傳學得到定量的和生理的概念，從細胞學得到定性的、物質的和敍述的概念，逐步產生出細胞遺傳學。

1920年美國細胞學家薩頓進一步指出遺傳因數和染色體行為間的平行現象，必然意味著遺傳因數位於染色體上，並且提到，如果兩對因數位於同一染色體上，它們可能按照，也可能不按照孟德爾規律遺傳，預示了連鎖的概念，加深了關於成熟分裂尤其是關於染色體配對、染色體交換的研究。

此外，發現了輻射現象、溫度能夠引起果蠅突變之後，因突變的頻率很高更有利於染色體的實驗研究。輻射之後引起的各種突變，包括基因的移位、倒位及缺失等都司在染色體中找到依據。利用突變型與野生型雜交，並且對其後代進行統計處理可以推算出染色體的基因排列圖。廣泛開展的性染色體形態的研究，也為雌雄性別的決定找到細胞學的基礎。

在20世紀40年代初期，其他學科的技術方法相繼被用於細胞學的研究，開闢了新的局面，形成了一些新的領域。首先是電子顯微鏡的應用產生了超顯微形態學。

比利時動物學家布拉謝從胚胎學的問題出發，利用專一的染色方法研究核酸在發育中的，意義。差不多與此同時，瑞典生化學家卡斯帕松根據各種物質對一定波長的吸收，創建了紫外線細胞分光光度計，來檢測蛋白質、DNA和RNA這些物質在細胞中的存在。他們的工作引起人們對核酸在細胞生長和分化中的作用的重視。在他們工作的基礎上發展起了細胞化學，研究細胞的化學組成，可以和形態學的研究相互補充，對細胞結構增加一些瞭解。

20世紀40年代開始逐漸開展了從生化方面研究細胞各部分的功能的工作，產生了生化細胞學。首先使用了勻漿——在適合的溶液中把細胞機械地磨碎——和差速離心的辦法，除細胞核而外還可以得到線粒體、微粒體和透明質等幾部分。對它們分別地進行研究瞭解到一些物質和酶的存在和分佈以及某些代謝過程在什麼部位進行。關於線粒體和微粒體這樣的一些研究指出，許多基本的生化過程是在細胞質而不是在細胞核裏進行的。這樣的方法結合著深入的形態學研究導致對細胞中的過程有越來越深刻的瞭解。

雖然在20世紀30年代組織培養就有了較大的發展，但是只能培養組織塊，還不能培養正常組織的單個細胞，而且還沒有充分顯示出它的重要性。利用培養的細胞可以研究許多在整體中無法研究的問題，例如細胞的營養、運動、行為、細胞問的相互關係等。幾乎各種組織，包括某些無脊椎動物，都被培養過。

在良好的培養條件下從組織塊長出的各種細胞，其生長情況不同。從形態上基本上可以分為三種類型，上皮、結締組織和遊走細胞。有時候培養細胞會顯示正常組織在有機體中表現不出的特徵，例如如果培養基中含有增強表面活性的物質，多種組織的細胞可以獲得吞噬的能力。但是它們仍保持特有的性質和潛能，因為如果改變培養環境或者移回到動物體內原來的部位便仍可照原樣生長。

值得一提的是在培養中的成纖維細胞的生長也受底質的影響。在一般情況下它們呈輻射狀、漫無目的地從組織塊長出。但是如果人工地使培養基處於一定方向的張力之下，或人工的在底質上制出痕跡，細胞就會沿張力的方向或沿著痕跡生長出去。這個現象也許可以用來解釋在整體中結締鉬織和肌腱的功能適應——它們總是在張力的方向生長、分化。

可以看出對於細胞的研究，在使用電子顯微鏡後在亞顯微結構方面的深入，以及在應用生化技術後在功能方面的深入，已經在為細胞生物學——在分子水準上研究細胞的生命現象——的形成創造了條件。所以在後來，在分子遺傳學和分子生物學優異的成就的影響之下，細胞生物學這一新的學科很快地形成了。