我们由细胞组成
目前为止，在对物质结构的讨论中，我们有意略过了一组相对数量较少但极其重要的物质，此类物质不同于宇宙中的所有其他物质，因为它们是活的。生命物质与非生命物质之间的重要区别是什么呢？那些成功解释了非生命物质性质的基础物理定律，能否也帮助我们理解生命现象呢？
谈论生命现象时，我们心里浮现的往往是一些又大又复杂的生物体，例如树、马或人等。但研究生命物质的基本特性时从此类复杂的有机系统入手，就像研究无机物质结构时从汽车之类的复杂机器入手一样，注定是徒劳无益的。
这样做的困难显而易见，汽车由成千上万个零件组成，这些零件的形状、材料和物理状态各不相同。其中有些是固体（如钢底盘、铜线和玻璃风挡）；有些是液体（如散热器中的水，油箱中的汽油和汽缸中的机油）；有些是气体（如从化油器供入汽缸的混合气体）。因此，在分析汽车这样的复杂物质时，第一步应该是将其分解为独立的、物理上均质的组成部分。这样我们才能发现汽车中包含各种金属物质（如钢、铜、铬等），各种玻璃态物质（如玻璃、塑料），各种液体均质（如水和汽油），等等。
现在，我们可以通过现有的物理研究方法发现，其中的铜制部分由单独的小晶体组成，小晶体又是由单独的铜原子刚性而规则地叠加而成；散热器中的水由大量相对松散的水分子组成，每个分子由1个氧原子和2个氢原子构成；化油器中的那些最终进入汽缸的混合气体由大量自由移动的大气中的氧分子和氮分子与汽油分子混合而成，汽油分子又是由碳原子和氢原子构成的。
同样的，在分析人体这样的复杂生物体时，我们也要先将其分解为大脑、心脏和胃等独立器官，然后再把它们分解为各种生物学上的均质材料，这些材料被统称为“组织”。
从某种意义上说，各种各样的组织就是构建复杂生物体的原材料，就像各种物理上的均质物质是构建机械设备的原材料一样。从这个意义上说，通过研究构成生物的不同组织的特性来分析生物体功能的解剖学和生理学，与通过研究构成机械的物理材料已知的力学、磁学、电学等性质来分析各类机械功能的工程学，是可以进行类比的。
因此，要揭开生命之谜，仅了解组织是如何组装成复杂的生物体是不够的，我们还要弄清这些组织是如何由作为所有生物体的一个个终极单元构成的。
如果你认为可将单一生物组织比作普通物理单质，你就大错特错了。事实上，用一台低倍显微镜观察一下这些组织（不论是皮肤、肌肉还是大脑），就会发现，它们均由大量单独的单元组成，这些单元都多多少少决定着整个组织的性质（图9-1）。这些生物的基本结构单元通常被称为“细胞”，从某种意义上说，它们也可被称为“生物原子”（即“不可分割者”），因为组织内至少要包含一个单独的细胞，才有可能保留其生物性质。
图9-1 各种类型的细胞
例如，将肌肉组织细胞切去一半，它就会失去肌肉的收缩性等所有性质，就像一个镁原子被切去一半，它就不再是金属镁了，而变成了一小块煤！[1]
构成组织的细胞尺寸很小（平均尺寸仅百分之一毫米[2]）。我们熟悉的一切植物或动物都是由海量独立细胞组成的。例如，一个成年人的身体中包含数百万亿个独立细胞！
较小生物体的细胞数量当然也较少。例如，一只苍蝇或一只蚂蚁的细胞数量不会超过几亿个。另外还有一大类单细胞生物，如阿米巴、真菌（如能引发“皮癣”的那种真菌）和各类细菌，它们由单一细胞构成，通过高倍显微镜才能看到。对这些单细胞生物的研究构成了生物学中最令人兴奋的篇章之一，它们不受复杂生物体必然伴随的“社会功能”的干扰。
为了对生命问题有一个总体把握，我们必须要搞清楚活细胞的结构和性质。
到底是什么特殊性质将活细胞与普通的无机材料、构成桌子的木头或皮鞋的死细胞区分开来呢？
活细胞有几个重要的特殊本领：（1）从周围介质中摄取自身结构所需的材料；（2）将这些材料转化为用于自身生长的物质；（3）长得足够大时，会分裂为两个相似的细胞，每个新细胞为原细胞的一半大，且能继续生长。当然，一切由单独细胞构成的更复杂的有机体也都具有这样的“能吃”“能长”和“能生”的本领。
有质疑精神的读者可能会说，这三种特性也能在寻常的无机物质中找到。例如，将一小块盐晶体放入过饱和的盐溶液[3]中，晶体会从水中提取（更确切地说是从水中“踢出来”）盐分子，一层一层附着在表面，越“长”越大。我们甚至可以想象，在某种机械作用下，比如晶体的重量过大时它会碎裂成两半，而由此产生的“子晶”还会继续生长下去。为什么不将这一过程也归为“生命现象”呢？
回答此类问题时，我们必须首先指出，如果将生命简单地视为更复杂的物理和化学现象，这两种情况之间是不会存在明确界限的。这就像在使用统计定律描述由大量单独分子构成的气体的行为时（请见第八章），我们也无法确定此类描述的涵盖范围。实际上，我们知道充满房间的空气不会突然聚集到房间的某个角落，或者，至少知道发生此类异常事件的概率极低，可以忽略不计。但我们也知道，如果整个房间只有两个、三个或四个分子，它们聚集到某个角落的情况就会经常发生了。
那么，作为这两种说法分界点的数字是多少呢？一千个分子？一百万个？十亿个？
同样，探索基本生命过程时，我们也不能指望在盐水结晶之类的简单分子现象与复杂得多的（但没有本质区别）活细胞生长与分裂现象之间存在清晰的界限。
但就这个具体例子而言，我们可以说，晶体在溶液中的生长不应被视为生命现象，因为晶体用于生长的“食物”被吸收后并未发生改变。先前与水分子混合的盐分子只是聚集在了不断生长的晶体表面上。这只是寻常的机械堆积，而非典型的生化吸收。而且，晶体的偶然分裂完全归因于重力的机械作用，且分裂出的晶体是不规则和不成比例的，与活细胞归因于内部的作用精确且始终如一的分裂大相径庭。
让我们来举一个更接近生物进程的例子，假设在二氧化碳气体的水溶液中加入单个酒精分子（C2H5OH）后，即可启动一个自我维持的合成过程：酒精分子能将水分子与二氧化碳分子一个个地合成为酒精分子。[4]这样一来，只要将一滴威士忌酒滴入一杯普通苏打水中，整杯苏打水就会变成纯威士忌，如此，我们就不得不将酒精看作活物了！
如图9-2，一个酒精分子将水分子和二氧化碳分子结合成另一个酒精分子。这个例子并非完全的无稽之谈，正如我们后面会看到的，世界上存在一种被称为病毒的复杂化学物质，它们的分子结构相当复杂（每个分子由数十万个原子构成），而且能从周围的介质中吸收分子，并将它们变成与自身相似的结构单元。这些病毒粒子必须既被视为普通的化学分子，又被视为活的有机物，它们也构成了生物与非生物之间“缺失的一环”。
图9-2
现在，我们必须回到普通细胞的生长和繁殖问题上来了，细胞虽然复杂，但远没有分子那么复杂。我们必须将细胞视为最简单的活机体。
通过高倍显微镜观察一个典型的细胞，我们会发现它是由具有非常复杂的化学结构的半透明胶状材料构成的。这种材料统称为原生质，它被细胞壁包围着。在动物细胞中，细胞壁薄而有弹性，但在各种植物细胞中，细胞壁又厚又重，这给植物体带来了高度的刚性（请见图9-1）。每个细胞内都包含一个球状物，称为细胞核，它是由一种被称为染色质的物质的精细网络构成的（图9-3）。需要指出，在正常情况下，构成细胞体的原生质的各个部分具有相同的光学透明度，因此只透过显微镜观察活细胞，是看不出其结构的。要想看清细胞结构，必须给细胞染色，这样做是利用了原生质各部分吸收染料的能力差异，且构成原子核细网的材料特别容易上色，因此，它们在较浅背景的衬托下，看上去特别清晰。[5]“染色质”便由此得名，其英文“chromatin”取自希腊语，意为“能上色的物质”。
图9-3 细胞分裂的各个阶段（有丝分裂）
当细胞准备启动关键的分裂过程时，细胞核的网络结构会形状大变，我们可以看到其中有一系列单独粒子（图9-3c），通常呈纤维状或棒状，称为“染色体”（即“能上色的物体”）。请见图版Ⅴ的a、b。[6]
一种生物体内的所有细胞（所谓的生殖细胞除外）的染色体数目都一样，通常来说，生物体越高级，染色体数目越多。
小小的果蝇在生物学家揭开生命之谜的过程中立下了汗马功劳，果蝇的每个细胞里有8条染色体。豌豆细胞有14条染色体，玉米细胞有20条。生物学家及所有人类的细胞里都骄傲地带着46条染色体。从纯数学的角度看，这似乎证明了人类比果蝇优秀五倍，但其实不能这么算，要知道，小龙虾的细胞里有200条染色体，难道它们比人类优秀四倍吗！
重要的一点是，各类物种细胞中的染色体数目都是偶数。实际上，每个活细胞中（有一个例外情况，我们会在本章稍后讨论）都有两组几乎完全相同的染色体（请见图版Ⅴa）：一组来自母亲，一组来自父亲。这两组来自父母的染色体携带着复杂的遗传特性，这些遗传特性会在生命体中代代相传下去。
细胞分裂的起点是染色体的分裂，每条染色体都会从头到尾劈开，分成两条较细的染色体，此时，细胞仍是一个单一的整体（图9-3d）。
细胞准备分裂时，原本乱成一团的染色体会逐渐规整起来，细胞核外围的两个临近的中心体开始离开彼此，分别占据细胞核的两端（图9-3a、b、c）。此时，似乎有细线将分开的中心体与细胞核内的染色体连接起来。当染色体一分为二，每一半都被细线拉向其中一个中心体（图9-3e、f）。分裂收尾时（图9-3g），细胞壁开始沿中心线塌陷（图9-3h），每一半细胞都长出一层薄薄的细胞壁，然后放开彼此，两个新细胞就此诞生。
如果两个子细胞能从外界获取足够的养料，它们就会长到母细胞那么大（2倍），再经过一段休息时间，它们也会遵照相同的模式，分裂出自己的后代来。
这种对细胞分裂各步骤的描述都是直接观察的结果，而目前科学对此类现象的解释差不多也只走到这一步，因为关于促成这一过程的物理及化学的具体性质，能观察到的还少之又少。细胞整体仍然太复杂，难以对其进行直接的物理分析，因此在解决这个问题之前，必须先了解一下染色体的性质，这部分相对简单一些，我们会在下一节进行讨论。
不过，最好还是先了解一下细胞分裂是如何影响大量细胞构成的复杂生物体繁殖过程的。在此，我们可能会想问是先有蛋还是先有鸡的问题。事实上，对于此类周而复始的过程，不论是先从蛋开始，让它孵出一只鸡来；还是先从鸡开始，让它下一颗蛋，都不要紧。
我们就从一只刚出壳的“鸡”开始吧。在小鸡的孵化阶段，其体内细胞会经历连续分裂过程，这个过程使其快速生长，发育成一个生物体。大家应该记得，成年动物的身体由数万亿个细胞组成，所有这些细胞均是由单个受精卵细胞分裂而来。乍一想，你可能会认为，要产生这么多的细胞，一定要经历难以计数的连续分裂过程吧。但如果大家还记得第一章讲过的“国王和小麦粒”的例子，或“世界末日金片”的例子，应该不难理解，其实并不需要多少次连续分裂，就可以获得数量极多的细胞。如果用x表示由一个细胞分裂成一个成年人细胞总量所需的连续分裂次数，因为细胞每经历一次分裂，数量都会翻倍（每个细胞变成两个），那么，我们可以通过以下公式计算出从单个卵细胞发展为一个成年人所有细胞所需发生的分裂次数：2x=1014，求解后可知x=47。
因此，成人体内的每个细胞都是决定我们存在的那颗受精卵的大约第五十代子孙。[7]在幼年动物体中，细胞分裂相当迅速，但成年动物的多数细胞一般处于“休息状态”，只偶尔分裂一下，完成对身体的“保养”，弥补损耗。
现在我们来看一类很重要又很特殊的细胞分裂，它会促成负责生殖的所谓“配子”（也称“婚姻细胞”）的形成。在所有双性生物的发育初期，总会有一些细胞被“储备”起来，供日后生殖之用。这些细胞位于专门的生殖器官内，在生物体生长过程中，此类细胞比其他细胞的分裂次数要少，因此当需要它们生产后代时，它们仍活力十足。另外，这些生殖细胞的分裂也与上述普通的人体细胞分裂不同，它们的分裂方式更简单。构成细胞核的染色体不会像普通细胞那样裂成两半，而只是松开彼此（图9-4a、b、c），使每个子细胞仅接收原来染色体的一半。
图9-4[8]
普通细胞的分裂过程称为“有丝分裂”，而此类形成“染色体缺乏”细胞的过程称为“减数分裂”。由这种分裂产生的细胞称为“精子细胞”和“卵细胞”，或雄配子和雌配子。
细心的读者可能会问，既然原始生殖细胞会分裂成两个相同的部分，那怎么会产生雌雄两种配子呢？对这个问题的解释其实就隐藏在前文讲到染色体成对存在时所说的例外里面。有一对特殊的染色体，它在雌性体内是两条一模一样的染色体，在雄性体内则是两条不一样的染色体。这对特殊的染色体称为性染色体，以符号X和Y区分。雌性的细胞总是有两条X染色体，雄性的细胞则有一条X染色体和一条Y染色体。[9]用一条Y染色体替换其中一条X染色体，就能改变性别（图9-5）。
图9-5 “票面价值”的男女之别。
女人的所有细胞都有23对染色体，两两相同，而男人的细胞中有一对不对称的染色体。女人有两条X染色体，男人有一条X染色体和一条Y染色体。
由于储备在雌性体内的所有生殖细胞均具有一套完整的X染色体，所以当一个细胞发生减数分裂时，每半个细胞（即配子）都会分到一条X染色体。但雄性的每个生殖细胞中都有一条X染色体和一条Y染色体，因此分裂出的两个配子，必然是一个带X染色体，一个带Y染色体。受精过程，当雄配子（精子细胞）与雌配子（卵细胞）结合，生成的细胞可能带有两条X染色体，也可能带有一条X染色体和一条Y染色体，这两种情况的概率是一样的。前一种情况，生出来就是女孩，后一种情况，生出来就是男孩。
下一节再来讲这个重要问题，现在接着说生殖过程。
雄性的精子细胞与雌性的卵细胞结合，这个过程称为“配子配合”，如此会形成一个完整细胞，随后，该细胞会遵循图9-3的“有丝分裂”方式，一分为二。短暂休息后，分裂出的两个细胞又会继续分裂；接着，分出的四个细胞又会重复这一过程。如此往复，每个子细胞都会从原始受精卵中获得所有染色体的精确复制品，其中一半来自母亲，一半来自父亲。受精卵发育为成熟个体的过程请见图9-6。
在图9-6a中，我们看到精子进入了一颗静止的卵细胞。
两个配子的结合会在这个完整细胞中触发新的活动，该细胞会一分为二，二分为四，四分为八，八分为十六，并一直继续下去（图9-6b、c、d、e）。当细胞数量很大时，它们通常都会挤在表面上，以便更好地从周围的营养介质中获取食物。在这个发育阶段，生物体看上去像一个有内部空腔的小气泡，称为“胚囊”（图9-6f）。随后， 腔壁开始凹陷（g），生物体进入被称为“原肠胚”的阶段（h），此时，它看起来像一个小钱包，开口部分既用于吸收新鲜食物，又用于排出消化后的排泄物。对于珊瑚之类的简单动物，发育就到此为止了。但更高级的物种还会继续生长和变化。一部分细胞会发育成骨骼骨架，其余细胞会发育成消化系统、呼吸系统和神经系统，在经历了各种胚胎阶段后（i），生物体最终会发育为可辨别的特定物种的幼崽（图9-6k）。
图9-6 从卵细胞成长到人
如前文所述，生物体甚至在发育的早期阶段，就会将一些细胞储存下来，以备将来生殖之用。当生物体成熟后，这些细胞会经历减数分裂，产生配子，然后配子又会从头开始重复整个过程。生命就此得以延续。