细胞学说

细胞理论，起源于 19 世纪中叶，是一项生物学上的科学假说，它指出所有细胞都来源于预先存在的细胞，并且细胞是所有生物体的基本结构和组织单位。所有生物体都由细胞构成，细胞也是繁殖的基本构成单元。
尽管细胞理论长期以来被认为是指导所有生命形式的理论，但一些科学家认为细胞理论不应适用于所有生命形式，因为他们将病毒等非细胞现象视为生物体。

历史

随着显微镜技术的不断进步，放大技术发展到可以发现细胞的程度。罗伯特·胡克（Robert Hooke）被广泛认为完成了这项发现，并开启了细胞生物学——细胞的科学研究。他在观察一块软木塞时看到了孔洞。由于当时认为没有人见过这些，所以这令人惊讶。西奥多·施旺（Theodor Schwann）和马蒂亚斯·施莱登（Matthias Schleiden）都研究了植物和动物细胞，以支持他的理论。他们发现这两种细胞之间存在显著差异。这提出了细胞对植物和动物都至关重要的理论。

显微镜

显微镜的发明使得细胞得以被发现。早在公元前一世纪，罗马人就能制造玻璃。他们注意到在玻璃下，物体显得更大。由于 13 世纪眼镜的广泛使用，很可能导致了放大倍数有限的简易显微镜，即放大镜的使用增加。大约在 1620 年，复式显微镜——通过结合物镜和目镜，以更高的放大倍数显示真实图像——首次出现在欧洲。1665 年，罗伯特·胡克（Robert Hooke）使用一个六英寸长的显微镜，其中包含两个凸透镜，在反射光下观察标本，并在他的著作《显微图谱》（Micrographia）中记录了他的观察结果。

为了在透射光下检查标本，胡克还使用了一个更简单的单透镜显微镜，因为它能产生更清晰的图像。

安东尼·范·列文虎克（Anton van Leeuwenhoek），一位商人，在 1648 年在阿姆斯特丹学徒期间看到一个显微镜后，对显微镜产生了兴趣，并进行了彻底的显微观察。他在 1668 年之前学会了如何研磨透镜。最终，这激励列文虎克制造了他自己独特的显微镜。他只用了一个透镜就制造了一个。仅用一个透镜——一个微小的玻璃球——他就实现了 270 倍的放大。考虑到之前最高的放大倍数只有 50 倍，这是一个重大的进步。

直到 1850 年代，也就是两个世纪之后，显微镜相关的技术才有了很大的发展。德国工程师卡尔·蔡司（Carl Zeiss），一位显微镜制造商，开始改进正在使用的透镜。然而，直到 1880 年代他聘请了奥托·肖特（Otto Schott）和恩斯特·阿贝（Ernst Abbe）之后，光学质量才开始提高。

由于可见光波长以下的物体，光学显微镜的聚焦能力受限于其聚焦到波长大小或更大的物体，这进一步限制了对这些物体的发现。电子显微镜在 1920 年代的发明，使得观测比光学波长更小的物体成为可能，再次为科学创造了新的机会。

细胞的发现

罗伯特·胡克（Robert Hooke）于 1665 年首次发现了细胞，他的著作《显微图谱》（Micrographia）中有对此发现的描述。在这本书中，他对用粗糙复式显微镜观察到的各种物体进行了 60 次详细观察。其中一次观察使用了极薄的软木塞切片。胡克将他发现的众多微观孔洞命名为“细胞”（cells）。这个词来源于拉丁语 Cella，意思是“小房间”，以及 Cellulae，意思是蜂巢中发现的六边形细胞。然而，胡克当时并不知道它们的真实构成和功能。

胡克当时误以为植物组织中空旷的细胞壁是细胞。由于当时显微镜的放大倍数有限，胡克无法辨别他正在研究的细胞内部其他组成部分的存在。因此，他并不认为这些“细胞ulae”是活的。在他观察到的细胞中，看不见大多数活细胞中存在的细胞核和其他细胞器。胡克还在《显微图谱》中注意到皮革上的蓝色霉菌。在显微镜下观察它时，他未能发现任何“种子”，这会暗示霉菌正在大量生长。

这使得胡克提出了自发生成（spontaneous generation）的观点，认为这是由人工或自然热量引起的。当时，其他人并没有质疑这个古老的亚里士多德观点，直到后来列文虎克发现生命是以不同的方式产生的，这一观点才被驳斥。

安东尼·范·列文虎克（Anton van Leeuwenhoek）是另一位在胡克之后不久观察到这些细胞的科学家。他使用了一个升级了透镜的显微镜，可以放大物体高达 270 倍。列文虎克在这些显微镜下发现了运动的物体。他在 1676 年 10 月 9 日写给皇家学会的一封信中声称，由于运动性是生命的一个特征，这表明它们是活着的。

他随后发表了更多研究，详细描述了许多不同类型的微生物。列文虎克将它们称为“微小动物”（animalcules），包括细菌和其他单细胞生物，如原生动物。尽管他没有受过正规教育，但他能够在 1676 年对“胡椒水”产生兴趣并观察了牛舌后，识别出第一个准确的红细胞描述并发现了细菌。此外，他还首次发现了动物和人类的精子细胞。列文虎克意识到，精子细胞必须穿透卵细胞才能受精。这驳斥了早期的自发生成假说。

在仔细阅读列文虎克的通信后，胡克成为第一个证实他观察结果的人，尽管其他同行认为他的观察结果不太可能。由于动物组织娇嫩且难以研究，动物组织中的细胞比植物中的细胞发现得晚。科学家们认为生命有一个基本单位，但直到亨利·杜特罗歇（Henri Dutrochet）之前，他们都不确定它是什么。杜特罗歇断言，细胞是“组织的根本要素”，并且是生理单位。

1804 年，哥廷根皇家科学学会（Königliche Societät der Wissenschaft）授予卡尔·鲁道尔菲（Karl Rudolphi）和 J. H. F. 林克（J. H. F. Link）一项奖项，以“解决细胞的性质问题”，这意味着他们是第一个证明细胞拥有独立的细胞壁的人。在此之前，人们认为细胞共享细胞壁，并且液体通过这种方式在它们之间流动。

西奥多·施旺（Theodor Schwann）和马蒂亚斯·雅各布·施莱登（Matthias Jakob Schleiden）是通常被认为创建了细胞理论的两位科学家。尽管鲁道夫·菲尔肖（Rudolf Virchow）对该理论做出了贡献，但他的贡献并未得到充分认可。施莱登于 1839 年提出，植物的所有结构成分要么是细胞，要么是细胞衍生的。此外，他还提出细胞的产生是通过结晶，无论是从外部还是从其他细胞内部。然而，施莱登并不是第一个提出这个概念的人。尽管巴特勒米·杜莫蒂埃（Barthelemy Dumortier）早些时候提出了这个概念，但他声称是自己的。

随着细胞理论的进步，这种结晶过程不再被认可。西奥多·施旺（Theodor Schwann）于 1839 年断言，动物也像植物一样是由细胞构成，或者在结构上是细胞的结果。与植物相比，直到最近人们对动物结构知之甚少，所以这是生物学科学的一项重大进步。**基于对植物和动物的这些发现，提出了细胞理论的三个基本原理中的两个：**

1. 每个生物体都由一个或多个细胞组成。
2. 细胞是生命最简单的单位。
3. 每个细胞都起源于一个已经存在的细胞。

人们认为菲尔肖（Virchow）抄袭了罗伯特·雷马克（Robert Remak），后者首次提出了所有细胞都起源于预先存在的细胞的理论。1852 年，雷马克发表了关于细胞分裂的研究，并驳斥了施莱登和施旺的生成模型。相反，他声称，通过繁殖产生新动物细胞的过程称为二分裂，这最初是由杜莫蒂埃（Dumortier）描述的。随着这个原理的加入，经典细胞理论就完成了。

现代解释

总的来说，现代细胞理论的组成部分包括：

1. 所有已知的生物都由细胞或细胞组成。
2. 所有活细胞都通过分裂产生新的细胞，这些新细胞来自预先存在的细胞。
3. 细胞是所有生物体结构和功能的根本构成单元。
4. 单个细胞的组合活动决定了生物体的活动。
5. 细胞通过新陈代谢和生物化学发生能量流动。
6. DNA 位于染色体中，而 RNA 存在于细胞质和细胞核中。
7. 在同一物种的生物中，每个细胞的化学成分基本相同。

对立的概念

罗伯特·胡克（Robert Hooke）在 1665 年使用显微镜首次发现了细胞。西奥多·施旺（Theodor Schwann）和马蒂亚斯·雅各布·施莱登（Matthias Jakob Schleiden）在 19 世纪 30 年代的工作被认为是发展了第一个细胞理论。根据这个假说，细胞的内部被称为原生质，并被描述为一种像果冻一样的物质，有时称为活的果冻。随着胶体化学的发展，结合水（bound water）的概念也开始形成。胶体是一种介于溶液和悬浮液之间的物质，在这种物质中，沉淀作用被布朗运动抑制。大约在同一时间，半透膜——一种允许溶剂通过但阻止溶质分子通过的屏障——的概念也得到了确立。

植物学家普菲费尔（Pfeffer）于 1877 年首次提出了细胞生理学的膜假说，但“渗透作用”一词首次出现在 1827 年，其对生理过程的重要性甚至更早被认识到。这张图显示了包裹细胞的薄质膜，以及细胞水和钾离子等溶质，它们处于稀释溶液状态。1889 年，汉堡（Hamburger）使用红细胞裂解来确定不同溶质的渗透性。通过测量细胞膨胀到其弹性极限所需的时间，可以根据细胞体积的变化来评估溶质进入细胞的速率。

此外，他发现红细胞的非溶质体积约为 50%。后来的研究表明，这个体积包括结合水以及蛋白质和其他非溶质成分。

膜理论和体积相理论

在渗透作用、渗透性和细胞电学特性的研究框架内，出现了两个截然相反的观点。第一个观点认为只有质膜具有这些特性，而另一个更普遍的观点认为原生质负责这些特性。膜理论作为对该理论的一系列即兴添加和修改而演变，以克服实验过程中的障碍。1899 年，查尔斯·达尔文（Charles Darwin）的远亲奥弗顿（Overton）首次提出了脂质（油）质膜的理论。为了应对脂质膜的主要弱点——缺乏对其水渗透性高的解释——纳坦森（Nathansohn）（1904 年）提出了镶嵌理论。

根据这一观点，膜是由半透凝胶和含脂质区域组成的镶嵌体，而不是单一的脂质层。鲁兰德（Ruhland）通过添加能够让更小的分子通过的孔隙，改进了镶嵌假说。莱昂诺尔·米歇利斯（Leonor Michaelis）得出结论，离子吸附到孔隙壁上，通过静电排斥改变孔隙对离子的渗透性，因为膜通常对阴离子渗透性较低。1926 年，米歇利斯展示了如何建立膜电位，并提出了它与膜两侧离子分布之间的联系。

在他的明胶（含或不含膜）的综合研究中，雅克·勒布（Jacques Loeb）（1920 年）证明，可以在没有膜的凝胶中复制出更多的与质膜相关的特性。具体来说，他发现，根据 H+ 的含量，凝胶与外部介质之间可能形成电位差。1930 年代出现了一些对膜理论的批评，认为有些细胞能够膨胀并增加其表面积 1000 倍。那种拉伸会使脂质层变得斑驳并失去其屏障特性。这些批评促使人们对原生质作为影响细胞渗透性特性的主要因素进行了更多研究。

菲舍尔（Fischer）和苏尔（Suer）于 1938 年证明了活组织肿胀与明胶和纤维蛋白凝胶肿胀之间的基本相似性，并提出原生质中的水不是自由的，而是化学偶联形式——原生质代表蛋白质、盐和水的组合。根据德米特里·纳索诺夫（Dimitri Nasonov）（1944 年）的说法，蛋白质是负责各种细胞特性（包括电特性）的主要因素。到 1940 年代，体积相理论（bulk phase theories）的进展不如膜理论。在 1941 年的专著《活细胞的渗透性》（The Permeability of Living Cells）中，布鲁克斯和布鲁克斯（Brooks & Brooks）驳斥了体积相理论。

稳态膜泵概念

放射性示踪剂的发现表明，细胞并非对 Na+ 不可渗透。由于膜屏障理论无法充分解释这一点，因此开发了钠泵（sodium pump）来持续移除进入细胞的 Na+。这催生了一个理论，即细胞在动态平衡状态下持续消耗能量来维持离子梯度。卡尔·洛曼（Karl Lohmann [de]）于 1935 年发现了 ATP，此后，提出了一个由新陈代谢驱动的盐泵（salt pump）的概念。霍奇金（Hodgkin）、赫胥黎（Huxley）和卡茨（Katz）成功制定了细胞膜电位的膜理论，该理论包含了能够准确模拟这些事件的微分方程，为膜泵理论提供了进一步的支持。

现在，细胞膜被理解为一种流动的脂质双层，其中嵌入了蛋白质成分。细胞膜的结构现在已得到很好的理解，并且可以获得数千种附着在细胞膜上的不同蛋白质的三维模型。由于细胞生理学取得了这些重大进展，膜理论获得了更广泛的认可，这也激发了大多数生理学家的好奇心，他们现在似乎认为这一理论是正确的（尽管也有一些人不同意）。

体积相理论的重现

阿法纳西·S·特罗欣（Afanasy S. Troshin）在他的 1956 年俄罗斯著作《细胞渗透性问题》（The Problems of Cell Permeability）中证明，渗透性不如细胞与其环境之间的平衡模式重要。特罗欣证明，尽管半乳糖或尿素溶液会逐渐渗透到细胞中，但细胞内的水量却减少了。这些研究挑战了膜理论，该理论认为细胞收缩只能由短暂的溶质维持。其他人质疑钠/钾泵是否能由细胞的能量供应维持。随着发现了更多的化学梯度并创建了数十个新的代谢泵，这些问题变得更加紧迫。

吉尔伯特·林（Gilbert Ling）于 1962 年提出了他的活细胞联想诱导理论（association-induction theory），巩固了他作为体积相理论支持者的地位。