细胞生物学中的科学实验与科学理论的关系

细胞生物学中的科学实验与科学理论的关系细胞生物学中的科学实验与科学理论的关系 摘要摘要：20 世纪 80 年代以来，由于分子生物学和分子遗传学研究的进展和基因工程、反向遗 传学方法的应用，在细胞学上取得许多重大成果。本文根据细胞生物学的发展史来论证科学 实验与科学理论的关系。科学实验与科学理论是相关又互补，二者相互依赖、相互渗透、相 互作用、相互制约，我们既要有效促进科学实验与科学理论各自的发展，又要使科学实验与 科学理论有机结合、互相促进、共同发展。 关键词关键词：细胞生物学；科学实验；科学理论 20 世纪是自然科学发展史上最为辉煌的时代，生物科学是自然科学发展中最迅速的学科。 因为生物科学与人类生存和健康、社会发展密切相关，必然会成为 21 世纪初的主导科学。20 世纪，生物科学的发展有许多重大突破，产生许多新观念、新思想、新成果和新技术。特别 是 20 世纪 50 年代以来，随着数理科学的广泛而深刻地深入生物科学领域以及一些先进的仪 器设备和研究技术的问世，生物科学已经从基本上是静态的、以形态描述与分析为主的学科 演化发展成动态的、以实验为基础的定量的学科，人们将其称为生命科学。当今的生命科学 正从分析走向综合，其特征是对分子、细胞、组织、器官及整体的全方位的综合研究。如果 说 20 世纪生物学是分析的世纪，那么 21 世纪生命科学将从分析走向综合，将是统一生物学 的世纪，并将形成崭新的生命观。 20 世纪 80 年代以来，由于分子生物学和分子遗传学研究的进展和基因工程、反向遗传 学方法的应用，在细胞学上取得许多重大成果。目前细胞生物学的研究热点主要在：在细胞 的结构和功能活动中，真核细胞基因组的结构及其表达是细胞研究的中心问题；基因产物如 何构建成细胞结构，以及如何调节和行使细胞功能。综观近年来细胞生物学的研究进展有以 下几方面：从细胞结构上看，整个细胞犹如一种复杂的膜系统串连在一起，细胞表面的质膜 和细胞中的内膜（内质网膜、高尔基体膜、线粒体膜、溶酶体膜以及细胞核的核膜等） ，它们 都有相互联系，彼此转化的密切联系。生物膜系统使细胞膜、细胞质和细胞核在形态上和功 能上连成一个完整的统一体。细胞膜的作用不仅保持细胞和细胞器的完整性、相对独立性和 稳定性；许多极为重要的生命活动都与膜系统有关。例如，能量的转化和流动是在生物膜上 进行的；细胞与周围环境、细胞间的物质交换也是通过膜实现的；此外，细胞内外、细胞间 的信息传递，也离不开膜的作用。关于细胞功能的研究，虽然细胞中各种结构都有各自相对 专一的功能，但它们是相互联系的，彼此协调一致，完成一个细胞的整体功能。综合地讲， 在一个细胞里的生命活动主要体现几个方面：物质的转化，即旧物质的分解，新物质的合成； 能量的转换，包括能量的转换，从光能转换为化学能；能量的流动，即从分解的物质释放， 又流动到需要能量的部位进行利用；信息的传递，其中包括遗传信息的传递，即从 DNARNA，蛋白质（基因的表达） ，也可以从 DNADNA（基因的复制） ；生长发育信息 的传递，即从细胞外（第一信号）细胞膜（受体）细胞质（第二信号）某一生化反应 细胞核（相应的基因被调节） ，这个信号系统包括细胞内外的通讯联系、细胞间通讯、细胞 的化学信号分子产生的信号转导以及通过细胞内受 体介导信号的传递。细胞的生命活动就是 物质的转化、能量的流动和信息传递的统一体。关于细胞内调控系统的研究。目前研究较多 的有：细胞周期的调控现已发现在 Gl 早期的 DNA 合成与一些肽类生长因子调节有关； 但晚期受控于成熟促进因子（MPF） 。 1 细胞生物学发展史 所有的生物都是由细胞构成的。除了病毒、类病毒等是非细胞的生命体以外， 其它生命 有机体的结构和功能单位都是细胞。细菌、酵母等微生物是以单细胞的形式存在，而高等动、 植物则是由多细胞构成的，如人大约有 31013个细胞，这些细胞组成不同的组织和器官。 第一个发现细胞的是英国学者胡克，相隔 170 多年后，德国植物学家施来登和动物学家 施旺创立了细胞学说。细胞的发现得益于光学显微镜的研制和发展。第一台显微镜是荷兰眼 镜商詹森在 1604 年发明的。1665 年，英国的物理学家胡克用自己设计并制造的显微镜观察 栎树软木塞切片时发现其中有许多小室， 状如蜂窝，称为“cella” ，这是人类第一次发现细 胞，不过，胡克发现的只是死的细胞壁。胡克的发现对细胞学的建立和发展具有开创性的意 义，其后，生物学家就用“cell”一词来描述生物体的基本结构。1674 年，荷兰布商列文虎 克为了检查布的质量，亲自磨制透镜，装配了高倍显微镜（300 倍左右） ，并观察到了血细胞、 池塘水滴中的原生动物、人类和哺乳类动物的精子，这是人类第一次观察到完整的活细胞。 列文虎克把他的观察结果写信报告给了英国皇家学会，得到英国皇家学会的充分肯定，并很 快成为世界知名人士。 19 世纪后期显微技术的改进，生物固定技术和染色技术的出现极大的方便了人们对细胞 显微结构的认识，各种细胞器相继被发现，20 世纪 30 年代电子显微镜技术的问世，是细胞 形态的研究达到了空前的高潮。20 世纪 50 年代分子生物学的兴起，推动细胞生物学的研究 进入了分子水平。 1831 英国人 Robert Brown 发现植物细胞核。1832 比利时人 C. J. Dumortier 观察了藻类 的细胞分裂，并认为细胞来源于原来存在的细胞。 1835 德国人 H. von Molh 仔细观察了植 物的细胞分裂，认为是植物的根和芽尖极易观察到的现象。1835 法国人 F. Dujardin 观察动 物活细胞时发现“肉样质” 。1839 捷克人 J. E. Pukinye 用 protoplasm 这一术语描述细胞物质， “Protoplast”为神学用语，指人类始祖亚当。1841 波兰人 R. Remak 发现鸡胚血细胞的直接 分裂（无丝分裂） 。1848 德国人 W. Hofmeister 描绘了鸭跖草的花粉母细胞，明确的体现出 染色体，但他没有认识到这个的重要性，40 年后德国人 H. von Waldeyer 因这一结构可被碱 性染料着色而定名为染色体。1861 德国人 M. Shultze 认为动物细胞内的肉样质和植物体内 的原生质具有同样的意义。1864 德国人 Max Schultze 观察了植物的胞间连丝。1865 德国人 J. von Suchs 发现叶绿体。1866 奥地利人 G. Mendel 发表了对豌豆的杂交试验结果，提出遗 传的分离规律和自由组合规律。1868 英国人 T. H. Huxley 在爱丁堡作题为“生命的物质基 础”的演讲报告时首次把原生质的概念介绍给了英国公众。1869 瑞士人 F. Miescher 从脓细 胞中分离出核酸。1876 德国人 O.Hertwig 发现海胆的受精现象。1879 德国人 W. Flemming 观察了蝾螈细胞的有丝分裂，于 1882 年提出了“有丝分裂”这一术语。后来德国人 E. Strasburger(1876-80)在植物细胞中发现有丝分裂，认为有丝分裂的实质是核内丝状物（染色 体）的形成及其向两个子细胞的平均分配，动植物的受精实质上是父本和母本配子核的融合， 并于 1984 提出了前期和期的概念。1882 德国人 E. Strasburger 提出细胞质和核质的概念。 1883 比利时人 E. van Beneden 证明马蛔虫配子的染色体数目是体细胞的一半，并且在受精 过程中卵子和精子贡献给合子的染色体数目相等。1883 比利时人 E. van Beneden 和德国人 T. Boveri 发现中心体。1884 德国人 O.Hertwig 和 E. Strasburger 提出细胞核控制遗传的论断。 1886 德国人 A. Weismann 提出种质论。1890 德国人 Richard Altmann 描述了线粒体的染色 方法，他推测线粒体就像细胞的内共生物，并认为线粒体与能量代谢有关。他还于 1889 年提 出了核酸的概念。1892 德国人 T. Boveri 和 O. Hertwig 研究了减数分裂的本质，并描述了染 色体联会现象。1898 意大利人 C. Golgi 用银染法观察高尔基体。1900 孟德尔在 34 年前发 表的遗传法则被重新发现。1905 美国人 Clarence McClung 报道女性有两条 X 染色体，男性 有 X 和 Y 各一条染色体。1908 美国人 T. H. Morgan 以黑腹果蝇为材料开始著名的遗传学实 验，1910 年提出遗传的染色体理论，1919 年发表“遗传的本质” 。1926 年发表“基因学说” 。 1910 德国人 A. Kossel 获得诺贝尔生理医学奖，他首先分离出腺嘌呤、胸腺嘧啶和组氨酸。 1935 美国人 W. M. Stanley 首次得到烟草花叶病毒的结晶体。1940 德国人 G. A. Kausche 和 H. Ruska 发表了世界第一张叶绿体的电镜照片。1941 美国人 G. W. Beadle 和 E. L. Tatum 提 出一个基因一个酶的概念。1944 美国人 O. Avery，C. Macleod 和 M. McCarthy 等人通过微 生物转化试验证明 DNA 是遗传物质。1945 美国的 K. R. Porter、A. Claude 和 E. F. Fullam 发现小鼠成纤维细胞中的内质网。1949 加拿大人 M. Bar 发现巴氏小体。1951 美国人 James Bonner 发现线粒体与细胞呼吸有关。1953 美国人 J. D. Watson 和英国人 F. H. C. Crick 提出 DNA 双螺旋模型。1955 比利时人 C. de Duve 发现溶酶体和过氧化物酶体。1955 美国人 Vincent Du Vigneaud 因人工合成多肽而获诺贝尔奖。1956 年，蒋有兴（美籍华人）利用低渗 处理技术证实了人的 2n 为 46 条，而不是 48 条。1957 年 J. D. Robertson 用超薄切片技术获 得了清晰的细胞膜照片，显示暗-明-暗三层结构。1961 英国人 P. Mitchell 提出线粒体氧化磷 酸化偶联的化学渗透学说，获 1978 年诺贝尔化学奖。1961-1964 美国人 M. W. Nirenberg 破 译 DNA 遗传密码。1968 瑞士人 Werner Arber 从细菌中发现 DNA 限制性内切酶。1970 美国 人 D. Baltimore、R. Dulbecco 和 H. Temin 由于发现在 RNA 肿瘤病毒中存在以 RNA 为模板， 逆转录生成 DNA 的逆转录酶而获 1975 共享诺贝尔生理医学奖。1971 美国人 Daniel Nathans 和 Hamilton Smith 发展了核酸酶切技术。1973 美国人 S. Cohen 和 H. Boyer 将外源基因拼接 在质粒中，并在大肠杆菌中表达，从而揭开基因工程的序幕。1975 英国人 F. Sanger 设计出 DNA 测序的双脱氧法。于 1980 年获诺贝尔化学奖。此外 Sanger 还由于 1953 年测定了牛胰 岛素的一级结构而获得 1958 年诺贝尔化学奖。1982 美国人 Prusiner 发现蛋白质因子阮病毒， 更新了医学感染的概念，于 1997 年获诺贝尔生理医学奖。1984 德国人 G. J. F. Kohler、阿根 廷人 C. Milstei 和丹麦科学家 N. K. Jerne 由于发展了单克隆抗体技术，完善了极微量蛋白质 的检测技术而分享了诺贝尔生理医学奖。1989 美国人 S. Altman 和 T. R. Cech 由于发现某些 RNA 具有酶的功能获得诺贝尔化学奖。Bishop 和 Varmus 由于发现正常细胞同样带有原癌基 因而分享当年的诺贝尔生理医学奖。1997 多利羊在卢斯林研究所诞生，成为世纪末的重大新 闻。多利是 Ian Wilmut 领导的研究小组克隆的。1998 美国人 T. Wakayama 和 R. Yanagimachi 成功地用冻干精子繁殖出小鼠。2000 世界首例克隆猪在苏格兰诞生，是由 Alan Coleman 领 导的研究小组克隆的。2001 美国人 Leland Hartwell、英国人 Paul Nurse、Timothy Hunt 因对 细胞周期调控机理的研究而获诺贝尔生理医学奖。2002 英国人 Sydney Brenner、美国人 H. Robert Horvitz 和英国人 John E. Sulston，因在器官发育的遗传调控和细胞程序性死亡方面的 研究获诺贝尔诺贝尔生理学或医学奖。2003 美国科学家 Peter Agre 和 Roderick MacKinnon， 分别因对细胞膜水通道，离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖。2009 年诺贝尔生理学 或医学奖授予伊丽莎白布莱克本、卡罗尔-格雷德和杰克绍斯塔克以表彰他们发现了端粒 和端粒酶保护染色体的机理。 回顾历史，细胞生物学的发展经历了一下几个阶段：细胞的发现、细胞学说的建立、细 胞学说的发展、实验细胞学的创立与发展、细胞生物学的形成于发展和分子细胞生物学的兴 起。从细胞生物学发展来看，与科学实验与科学理论是密切相关的，认真分析和深入研究科 学实验与科学理论的关系都是至关重要的。 2 科学实验是科学理论产生的基础 新科学实验事实与旧科学理论的矛盾是自然科学内部的一个基本矛盾，这个矛盾的不断 产生和不断解决是推动自然科学发展的内在动力。在科学实验中经常会发现已有理论无法解 释的新的实验现象及规律，许多科学理论就是为了解释这些新的实验现象及规律而提出的。 例如，17 世纪中叶以后的 2 个世纪中，细胞学说的发展史已经大体完成。但是唯独对细胞膜 的认识还要推迟两个世纪。1855 年，耐格里发现色素透入已损伤和未损伤的植物细胞的情况 并不相同。他便通过细胞的渗透特性去研究它的“边界” 。耐格里和克拉默一起进行实验，通 过实验发现细胞具有敏感的渗透特性，它的体积可以随着周围介质的不同渗透强度而改变。 当细胞外面的溶质渗透强度大时，细胞就变小；溶质渗透强度小时，细胞就变大。耐格里提 出，细胞与环境之间正是通过这种“边界”发生关系的。耐格里在试验中还发现这样的情况： 把丽藻属长导管细胞的一端放入水溶液内，另一端放进糖溶液，细胞内含物发生了传动障碍。 在水中一端的细胞汁液流向糖溶液中的一端，并带着所有可移动的粒子。可是，原先已知的 事实表明，蒸腾作用和渗透压加在一起也不足以将液体压到植物的上部，这两种力无法解释 植物汁液流动的方向。因而耐格里认为，不得不假设有一股其他的力量，它们在纵壁，更可 能在横壁上。这种力量加大了细胞溶液从下往上的流向。此外，德国植物生理学家普费弗对 植物细胞的渗透行为进行了大量的试验，并于 1897 年提出了两个重要的结论：第一，细胞是 被质膜包被着的；第二，这层质膜是水和溶质通过的普遍障碍。同时，很快又发现，细胞膜 这个屏障具有明显的选择性，一些物质可通过它，而另一些物质几乎完全不能通过。1899 年， 英国细胞生理学家奥弗顿发表一系列关于化合物进入细胞的观察结果，他发现分子的极性越 大，进入细胞的速度越小，当增加非极性基团时，化合物进入的速度便增加。奥弗顿的结论 是，控制物质进入细胞的速度的细胞膜是脂肪性物质，其中含有固醇和其他脂类。因此，当 时确立了有一层脂质的膜围绕着细胞的认识。到 1925 年，戈特和格伦德尔又提出脂质膜具有 双分子层的概念。其实，学者们对膜的状况的认识都还是假设，他们都未能观察到细胞膜。 虽然这个时期组织标本的固定和染色方法有了进展，甚至出现相差显微镜和干涉显微镜，但 仍分辨不出细胞膜来。即使最好的光学显微镜也无法达到这个目的。19301950 年，随着电 子显微镜技术的发展，当应用这项技术来研究细胞时，才发现细胞的边界膜是一个固体结构 的实体，从而证实了细胞膜的存在。电镜观察表明，细胞远不是一个具有核和一些漂浮在原 生质胶冻中的线粒体口袋，而是一个有膜包被着的许多膜的聚集体。50 年代初期，帕拉德和 波特称这种广泛的细胞内膜系统为内质网。早期的电镜工作所者观察到的细胞内的各种膜与 “有轨电车轨道”和“铁路轨道”的图式大体相似。1970 年 Singer 和 Garth Nicolson 通过实 验提出了液态镶嵌模型的细胞膜模型，被得到了大家的公认。综上所述，科学实验是科学理 论的重要来源之科学实验常常是科学理论的先导，科学实验是产生科学理论的重要基础。 3 科学实验是检验科学理论的标准 科学实验不仅是科学理论产生的基础，而且也是检验科学理论的标准。一个科学理论是 否正确以及能否得到社会承认，关键看它能否被科学实验所证实 例如，1970 年 Singer 和 Garth Nicolson 通过实验提出了液态镶嵌模型的细胞膜模型，但是并没有立刻被公认，在后来 的一些实验如细胞融合实验，淋巴细胞的成斑和成帽实验以及血凝素对细胞的凝集作用都证 明了质膜液态镶嵌模型的正确性。Singer 和 Garth Nicolson 获得了 1972 年的诺贝尔奖。随着 实验技术不断创新和改进，对膜组织的动态结构、膜组分之间的关系等研究的不断深入，不 仅加深了对膜复杂分子结构与功能的认识，而且也进一步支持和完善了液态镶嵌模型。 4 科学理论是科学实验的指导 科学理论来源于科学实验，接受科学实验的检验，反过来又指导科学实验。我们在肯定 科学实验对科学理论发展的重要基础作用的同时，丝毫也不能忽视科学理论对科学实验的重 要指导作用，因为在设计科学实验、进行科学实验、分析总结和解释科学实验的过程中都离 不开科学理论的指导。科学实验原理是由科学理论提供的，科学理论是科学实验的指南。科 学理论可以论证科学实验的可行性，减少盲目性，特别是在现代大科学时代，科学实验规模 越来越大，设备越来越复杂，往往要使用许多大型或精密仪器，需要投入大量人力、物力和 财力、需要花费较长的时间。因而，在实验前必须从理论上对实验的可行性进行论证，只有 精确地进行了理论计算，在实验方案被认为切实可行后才能进行实验，这样可以减少实验的 盲目性，增大实验成功的把握性，避免浪费。 例如，细胞周期的准确调控对生物的生存、繁殖、发育和遗传均是十分重要的。对简单 生物而言，调控细胞周期主要是为了适应自然环境，以便根据环境状况调节繁殖速度，以保 证物种的繁衍。复杂生物的细胞则需面对来自自然环境和其他细胞、组织的信号，并做出正 确的应答，以保证组织、器官和个体的形成、生长以及创伤愈合等过程能正常进行，因而需 要更为精细的细胞周期调控机制。自 1882 年发现细胞分裂以来，许多生物学家进行了大量的 相关研究。但直到 20 世纪 50 年代，随着 DNA 是遗传物质这一观念的形成及 DNA 双螺旋结 构的确立，细胞周期的概念才逐浙成形。早期的研究集中在细胞周期的特性上，主要发现了 细胞周期的有序性，并发现在 C1 晚期内有一个关键的限制点，也称“R 点”：通过 R 点的 细胞将不可逆地进入 S 期直至完成细胞分裂，否则可因环境或内部的不利变化而继续留在 C1 期。为了认识细胞周期调控的分子机制，科学家在先前的理论指导下，研究了各种实验材料， 包括微生物、软体动物、昆虫、两栖动物和哺乳类等。哈特韦尔博士在 20 世纪 70 年代初以 单细胞生物面包酵母为材料，利用遗传学方法，先后发现了上百个突变后会导致细胞周期异 常的基因。其中一个被称作 CDC28 的基因，对细胞周期的启动，即细胞能否通过 R 点很关 键，因此也被称作“启动”基因。纳斯博士则以另一种酵母，即裂殖酵母为实验材料，发现 了功能及编码蛋白均与 CDC28 非常相似的基因 cdc2，并从高等生物中也克隆到了类似的基 因，说明细胞周期的基本调节机制在进化过程中是保守的：从酵母到人，其细胞周期的进行 都由 cdc2 这类基因控制。后来这类基因被统称作“CDK”基因，为“周期蛋白依赖性蛋白激 酶”的英文缩写。有趣的是，尽管酵母细胞中只有一个 CDK 基因，高等生物中却有多个， 体现了进化程度不同的物种对调控系统的复杂性和精确性的不同需求。亨利博士的贡献则是 从海胆中发现了 CDK 的“伴侣”周期蛋白。这类蛋白因其含量在细胞周期中呈周期性 变化而被发现并得名。周期蛋白与 CDK 蛋白形成复合物，使 CDK 能发挥激酶活性。有活性 的激酶把磷酸基团联到特定的蛋白质上（磷酸化） ，使后者性质发生变化，从而又影响其下游 的蛋白，如此实现调节功能。酵母细胞只有一个 CDK 基因，但有若干种周期蛋白基因。不 同的周期蛋白在不同的时期被合成出来，然后又被适时 地降解。这样，CDK 的激酶驱