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細胞生物學的研究內容和範圍及意義

從1839年M.J.施萊登和T.A.H.施旺的細胞學說問世以來,確立了細胞(真核細胞)是多細胞生物結構和生命活動的基本單位。但是長期以來,細胞學的研究偏重在結構方面。此後,在相鄰學科的進展的影響下逐漸地發展到其他方面。例如在遺傳學的帶動下發展起細胞遺傳學,加深了對染色體的認識;在生物化學的影響之下發展起細胞生化,用生化手段了解細胞各組分的生化組成和功能活動;在物理學、化學的滲透下形成了細胞化學,研究細胞的化學成分及其定位,這些都為細胞生物學的形成和發展打下了基礎。

20世紀50年代以來,關於細胞的超顯微結構的研究,使人們對於光學顯微鏡下看不到的精細結構有了明確的認識。分子生物學、分子遺傳學以原核生物為材料取得的成就,使人們了解到遺傳密碼、中心法則以及原核生物中基因表達的調節與控制等基本問題,這些都直接促進了細胞生物學的發展。但由於原核細胞不同於真核細胞,後者具有核膜,染色質除DNA外還含有組蛋白及非組蛋白,而且細胞質中的結構也比前者復雜得多。因此,還需要了解在原核生物得到的成就在多大程度上適用於真核細胞,研究遺傳和發育在真核細胞中是如何操縱的。

細胞生物學雖說是壹個比較年輕的學科,從學術思想上卻可以追溯到較早的年代。1883年德國胚胎學家W.魯就闡述過關於遺傳和發育的設想。他假定受精卵中包含著所有的遺傳物質,後者在卵裂時不是平均地分配到子細胞中,這種不同質的分裂決定子細胞及其後代的命運。德國動物學家魏斯曼發展了這種想法,提出了種質學說,認為裂球的不均等分裂導致了細胞的分化。雖然這些見解都已證明是錯誤的,但是可以看出細胞生物學所要解決的問題在那時已被提出來了。以後E.B.威爾遜1927年在他的《細胞──在發育和遺傳中》的巨著中明確指出:細胞是生命活動的基本單位,發育和遺傳這些生命現象應當在細胞上研究。1934年,美國遺傳學家和胚胎學家T.H.摩爾根在遺傳學取得巨大成就之後,在企圖融合發育與遺傳的《胚胎學與遺傳學》壹書中寫道:“可以設想,各原生質區域在開始時的差異會影響基因的活動,然後基因又反轉過來影響原生質,後者就開始壹系列新的、相應的反應。這樣,我們可以勾畫出胚胎各部分的逐步建立和分化。”但在摩爾根的年代,由於細胞學和其他相鄰學科還未發生密切的聯系,或者說其他學科尚未能在細胞水平上開展關於發育和遺傳的研究,所以細胞生物學只能在50年代之後,各方面的條件逐漸成熟了,才得以蓬勃發展。 從研究內容來看細胞生物學的發展可分為三個層次,即:顯微水平、超微水平和分子水平。從時間縱軸來看細胞生物學的歷史大致可以劃分為四個主要的階段:

第壹階段:從16世紀後期到19世紀30年代,是細胞發現和細胞知識的積累階段。通過對大量動植物的觀察,人們逐漸意識到不同的生物都是由形形色色的細胞構成的。

第二階段:從19世紀30年代到20世紀初期,細胞學說形成後,開辟了壹個新的研究領域,在顯微水平研究細胞的結構與功能是這壹時期的主要特點。形態學、胚胎學和染色體知識的積累,使人們認識了細胞在生命活動中的重要作用。1893年Hertwig的專著《細胞與組織》(Die Zelle und die Gewebe)出版,標誌著細胞學的誕生。其後1896年哥倫比亞大學Wilson編著的The Cell in Development and Heredity、1920年墨爾本大學Agar編著的Cytology 都是這壹領域最早的教科書。

第三階段:從20世紀30年代到70年代,電子顯微鏡技術出現後,把細胞學帶入了第三大發展時期,這短短40年間不僅發現了細胞的各類超微結構,而且也認識了細胞膜、線粒體、葉綠體等不同結構的功能,使細胞學發展為細胞生物學。De Robertis等人1924出版的普通細胞學(General Cytology)在1965年第四版的時候定名為細胞生物學(Cell Biology),這是最早的細胞生物學教材之壹。

第四階段:從20世紀70年代基因重組技術的出現到當前,細胞生物學與分子生物學的結合愈來愈緊密,研究細胞的分子結構及其在生命活動中的作用成為主要任務,基因調控、信號轉導、腫瘤生物學、細胞分化和雕亡是當代的研究熱點。