细胞

前面我们观察到，地球上生活着形态各异、种类繁多的生物，有生长在高山上的参天大树，也有栖息在角落里的微小昆虫；有奔跑在草原上的猛兽，也有静静扎根于土壤中的植物。看似千差万别的生物，实际上都展现了生命的活力和适应环境的能力。

但是，这些各具特色、丰富多彩的生命体，究竟是由什么构成的呢？是什么支持着它们复杂的生命活动？为何人类的身体可以思考、动物能够奔跑、植物可以光合作用？如果我们深入到更微小的层面，会发现——生物体的多样性和复杂性，其实都离不开一个共同的、基本的结构单位。

要解答这些问题，我们需要从宏观世界，进入到微观世界，开展一场细致的科学探索。随着科技发展，显微镜等仪器的应用帮助人类突破了肉眼的限制，让我们得以窥见一个全新的领域。就在这个需要工具才能观察到的微观层面上，存在着维系生命活动、推动生物进化的核心结构——细胞。细胞虽小，却承担着生物体的生长、发育、遗传、分化等一系列重要功能。正是数以亿计的细胞相互协作，塑造了我们熟知的世界，让每一个生命体都充满了活力与可能。

因此，探寻生命的奥秘，从了解细胞开始。这不仅是生物学的基础，也是理解生命本质、认识自我的第一步。

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打开微观世界的大门

显微镜的发明与应用

人类的眼睛虽然精密，但能够分辨的最小物体直径约为0.1毫米。比这更小的物体，我们就无法用肉眼直接观察了。而细胞的直径大多在10-100微米之间，1微米等于0.001毫米，这意味着大多数细胞比人眼能看到的最小物体还要小得多。幸运的是，人类发明了显微镜这个神奇的工具。

显微镜的发明可以追溯到16世纪末。当时，荷兰的眼镜制造商发现，把两片透镜组合在一起，可以把物体放大观察。到了17世纪，这项技术得到了快速发展。1665年，英国科学家罗伯特·胡克用自己制作的复合显微镜观察软木塞的薄切片，看到了许多整齐排列的小格子，他把这些小格子称为“cell”，这个词的原意是“小房间”，后来被译为“细胞”。虽然胡克看到的只是死细胞的细胞壁，但这个发现开启了人类对细胞世界的探索。

几乎同时，荷兰人列文虎克制作出了放大倍数更高的显微镜。他用这台显微镜观察了雨水、池塘水、牙垢等各种材料，发现了许多“微小的动物”，这些就是我们今天所说的微生物。列文虎克的显微镜虽然结构简单，但制作精良，放大倍数可达300倍，这在当时是了不起的成就。

今天，中国已经成为显微镜制造和应用的大国。从中学生物实验室里的光学显微镜，到科研机构使用的电子显微镜，显微镜技术的发展让我们能够观察到越来越精细的细胞结构。2021年，中国科学院研制的冷冻电镜达到了世界先进水平，能够观察到原子级别的细胞结构，为生命科学研究提供了强大的工具。

认识显微镜的结构

在生物学实验室里，我们使用的是光学显微镜。这种显微镜利用光线和透镜系统将微小物体放大，使我们能够观察到细胞的基本结构。要学好生物学，首先要学会使用显微镜。

光学显微镜主要由三个部分组成：机械部分、照明部分和光学部分。机械部分包括镜座、镜臂、载物台、镜筒等，它们起支撑和调节的作用。照明部分包括反光镜或光源、光圈等，负责提供和调节光线。光学部分是显微镜的核心，包括目镜和物镜，它们共同完成放大的任务。

显微镜的放大倍数等于目镜和物镜放大倍数的乘积。如果目镜是10倍，物镜是40倍，那么总放大倍数就是400倍。需要注意的是，放大倍数增加时，视野会变暗，看到的范围会变小，但能看清更细微的结构。

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细胞的发现与认识

在胡克和列文虎克发现细胞之后的一百多年里，随着显微镜技术的不断改进，科学家们观察到了越来越多种类的细胞。到了19世纪30年代，德国科学家施莱登和施旺分别研究了植物和动物，他们经过大量的观察和研究，在1838年和1839年先后提出：一切植物和动物都是由细胞构成的，细胞是生物体结构和功能的基本单位。这就是著名的细胞学说。

细胞学说的建立是生物学发展史上的一个重要里程碑。它揭示了生物界的统一性，说明所有生物在基本结构上是相同的，都是由细胞构成的。这个学说为研究生物的结构、生理、遗传等各个方面奠定了基础。

随着研究的深入，科学家们发现细胞不仅仅是生物体的结构单位，更是生命活动的基本单位。细胞能够进行营养物质的吸收和转化，能够进行能量的转换，能够生长和繁殖，能够对外界刺激做出反应。可以说，生物体所有的生命活动，归根到底都是细胞的活动。

在中国，细胞生物学研究也有着悠久的历史。早在20世纪初，中国科学家就开始了细胞学研究。近年来，中国在干细胞研究、细胞信号传导、细胞代谢等领域取得了许多重要成果。2017年，中国科学家首次利用体细胞克隆技术培育出了克隆猴，这项成果在国际上产生了重大影响，展示了中国在细胞生物学研究领域的实力。

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探索细胞的结构

植物细胞的结构

让我们先来观察植物细胞。用洋葱作为材料是一个不错的选择，因为洋葱的鳞片叶内表皮细胞大而透明，容易观察。在显微镜下，我们可以清楚地看到洋葱表皮细胞呈长方形，排列整齐，就像一块块砖头砌成的墙。

每个细胞的最外层有一层较厚的结构，这就是细胞壁。细胞壁主要由纤维素构成，质地坚韧，对细胞起着保护和支持作用。正是因为有了细胞壁，植物细胞才能保持固定的形状，植物体才能挺立生长。我们吃的蔬菜中含有的“粗纤维”，主要成分就是细胞壁。

细胞壁里面是一层非常薄的膜，这就是细胞膜。细胞膜紧贴着细胞壁，在光学显微镜下很难直接看到。但细胞膜的作用却非常重要，它控制着物质的进出，就像细胞的“大门”。对细胞有用的物质可以进入，细胞产生的废物可以排出，而对细胞有害的物质则被阻挡在外。

细胞膜包裹着的半透明物质是细胞质。细胞质并不是静止不动的，而是在缓缓地流动，这种流动有助于细胞内物质的运输和交换。在细胞质中，可以看到一个较大的圆球形结构，这就是细胞核。细胞核通常位于细胞的中央，是细胞的“控制中心”，它控制着细胞的生命活动和遗传。

在植物细胞的细胞质中，还有一种特殊的结构——液泡。液泡中充满了液体，称为细胞液。细胞液中溶解着糖分、色素、有机酸等多种物质。成熟的植物细胞通常有一个很大的液泡，占据了细胞的大部分空间。西瓜汁、葡萄汁等水果的汁液，主要就来自细胞的液泡。水果的酸甜味道和鲜艳颜色，也与液泡中的物质有关。

此外，植物细胞还有一种重要的结构——叶绿体。叶绿体主要存在于植物的绿色部分，如叶片、绿色的茎等。叶绿体中含有叶绿素，能够吸收光能，进行光合作用，将二氧化碳和水合成有机物，释放氧气。可以说，叶绿体是植物细胞的“能量工厂”。

以下是植物细胞基本结构及其主要功能：

动物细胞的结构

相比植物细胞，动物细胞的结构有一些不同。我们可以用人的口腔上皮细胞来观察。用牙签在口腔内侧轻轻刮几下，就能获得一些脱落的上皮细胞。将这些细胞放在显微镜下观察，可以看到动物细胞的基本结构。

动物细胞没有细胞壁，细胞膜是细胞的最外层结构。由于缺少坚硬的细胞壁，动物细胞的形状比较灵活多变。细胞膜内同样是细胞质和细胞核。但是，动物细胞通常没有液泡，或者只有很小的液泡，也没有叶绿体。这是因为动物不能进行光合作用，需要从外界摄取现成的有机物作为营养。

虽然动物细胞没有叶绿体，但在细胞质中有另一种重要的结构——线粒体。线粒体是细胞进行呼吸作用的场所，能够将有机物分解，释放能量，供细胞生命活动使用。线粒体被称为细胞的“动力车间”。实际上，植物细胞中也有线粒体，因为植物细胞同样需要通过呼吸作用获得能量。

下方内容比较了植物细胞和动物细胞的异同：

细胞核

在所有的细胞结构中，细胞核具有特别重要的地位。细胞核通常呈球形或椭球形，位于细胞质中。细胞核的外面有核膜，核膜上有许多小孔，允许某些物质在细胞核和细胞质之间进出。细胞核内有一种容易被碱性染料染成深色的物质，叫做染色质。

染色质的化学成分主要是DNA（脱氧核糖核酸）和蛋白质。DNA是遗传物质的载体，上面储存着遗传信息。当细胞分裂时，染色质会螺旋缠绕，缩短变粗，形成棒状的染色体。染色体上的DNA片段，就是我们常说的基因。

科学家通过一系列实验证明，细胞核在细胞生命活动中起着决定性的作用。如果把细胞核从细胞中取出，细胞就会很快死亡。如果把一个细胞的细胞核取出后，再植入另一个已去掉细胞核的细胞中，新的细胞所表现出的特征由植入的细胞核决定。这就是细胞核移植技术的基础，也是克隆技术的原理。

1996年，世界上第一只克隆羊“多莉”在英国诞生，震惊了全世界。多莉是用一只成年母羊的体细胞核，移植到另一只母羊的去核卵细胞中，然后培育出来的。多莉的遗传特征完全来自提供体细胞核的那只羊，这证明了细胞核中含有控制生物发育的全部遗传信息。2000年以后，中国科学家也成功克隆了牛、猪、兔等多种哺乳动物，在克隆技术领域取得了重要进展。

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细胞的生活

细胞中的物质

细胞虽然微小，但内部的物质构成却非常复杂。细胞中的物质可以分为两大类：无机物和有机物。

无机物包括水和无机盐。水是细胞中含量最多的物质，一般占细胞总重量的60%-90%。水是细胞内许多化学反应的介质，也是物质运输的载体。无机盐在细胞中的含量虽然很少，但作用很重要。比如，缺铁会导致贫血，缺钙会影响骨骼发育，缺碘会导致甲状腺肿大。

有机物主要包括糖类、脂质、蛋白质和核酸。糖类是细胞的主要能源物质，葡萄糖是细胞最常利用的糖类。脂质包括脂肪、磷脂等，脂肪是细胞的储能物质，磷脂是构成细胞膜的重要成分。蛋白质是细胞中含量最多的有机物，是生命活动的主要承担者，细胞的许多结构都含有蛋白质，细胞内的各种化学反应也需要蛋白质（酶）的催化。核酸包括DNA和RNA，是遗传信息的载体。

细胞膜控制物质的进出

细胞的生命活动需要不断从外界获取营养物质，同时排出代谢废物。这个过程必须通过细胞膜来完成。细胞膜不是一道简单的屏障，而是一道具有选择性的“智能门禁”。

细胞膜能够让对细胞有用的物质进入细胞，让细胞内产生的废物排出，而对有害物质则能够阻挡。这种特性叫做选择透过性。例如，氧气、葡萄糖等物质可以顺利通过细胞膜进入细胞，而二氧化碳、尿素等代谢废物则可以通过细胞膜排出。

我们可以做一个简单的实验来理解这个过程。把新鲜的萝卜条放在清水中，萝卜条会变硬；如果把萝卜条放在浓盐水中，萝卜条会变软。这是因为在清水中，水分进入萝卜细胞，细胞膨胀变硬；在浓盐水中，细胞内的水分渗出，细胞收缩变软。这个现象说明水分可以通过细胞膜进出，而且渗透的方向与溶液浓度有关。

细胞质中的能量转换

细胞的生命活动需要能量。细胞中的能量转换主要发生在叶绿体和线粒体中。

叶绿体是植物细胞进行光合作用的场所。在光照条件下，叶绿体能够吸收光能，将二氧化碳和水转化成有机物（如葡萄糖），同时释放氧气。这个过程可以用一个简单的反应式表示：二氧化碳+水→有机物（储存能量）+氧气。光合作用不仅为植物自身提供了有机物，也为地球上几乎所有生物提供了食物和氧气。

线粒体是细胞进行呼吸作用的场所。无论植物细胞还是动物细胞，都需要通过呼吸作用分解有机物，释放能量。呼吸作用的反应式是：有机物+氧气→二氧化碳+水+能量。这个过程可以看作是光合作用的逆过程。

从能量的角度看，光合作用是把光能转化为化学能储存在有机物中，呼吸作用则是将有机物中储存的化学能释放出来，供细胞生命活动利用。这两个过程构成了生物界能量流动的基础。

下方展示了植物体内有机物（以葡萄糖为代表）含量在一天24小时内的变化。

从图表可以看出，在夜间（0-6时），由于没有光照，植物只进行呼吸作用消耗葡萄糖，葡萄糖含量下降。白天（6-18时），植物进行光合作用制造葡萄糖，同时也进行呼吸作用消耗葡萄糖，但光合作用强度大于呼吸作用，总体上葡萄糖含量上升。傍晚以后，光照减弱，光合作用停止，葡萄糖含量又开始下降。

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细胞的生长与分裂

细胞的生长

一粒小小的种子能够长成参天大树，一个受精卵能够发育成一个完整的人体，这些都离不开细胞的生长和分裂。

细胞的生长是指细胞体积的增大。新形成的细胞体积较小，通过吸收营养物质，细胞逐渐长大。但细胞的生长是有限度的，一般不会无限增大。这是因为细胞需要与外界进行物质交换，物质交换的效率与细胞的表面积有关。当细胞体积增大时，体积的增加速度快于表面积的增加速度，这会导致物质交换的效率降低。因此，细胞长到一定大小后，就会停止生长或进行分裂。

细胞的分裂

细胞分裂是生物生长发育的基础。通过细胞分裂，一个细胞分裂成两个细胞，两个细胞再分裂成四个细胞，细胞数量不断增加，生物体才能不断生长。

细胞分裂的过程可以分为几个阶段。首先，细胞核中的染色质缩短变粗，形成染色体。染色体是遗传物质的载体，每条染色体上都含有DNA。接着，每条染色体都复制一次，形成两条完全相同的染色体。然后，细胞核分裂，复制后的染色体平均分配到两个新细胞核中。最后，细胞质分裂，一个细胞就分裂成了两个细胞。

人体细胞的染色体数目是46条（23对）。在细胞分裂过程中，染色体先复制成92条，然后平均分配到两个新细胞中，每个新细胞仍然获得46条染色体。这样，新细胞就具有与母细胞相同的遗传信息。

不同生物的细胞中，染色体的数目是不同的。

从细胞到生物体

生物体可以分为单细胞生物和多细胞生物。单细胞生物（如草履虫、变形虫等）只由一个细胞构成，这个细胞能独立完成营养、呼吸、排泄、运动、繁殖等所有生命活动。而大多数生物属于多细胞生物，多细胞体内的细胞经过分裂产生新细胞后会逐步发生分化——即在形态、结构和功能上变得不同，形成各种类型的细胞。比如人体的神经细胞能接收刺激、传导信息，肌肉细胞能收缩产生运动，上皮细胞负责保护和分泌，这些功能各异的细胞最初都来源于同一个受精卵。

结构和功能一致的同类细胞组成“组织”，如上皮组织（保护、分泌）、结缔组织（连接、支持、保护、营养）、肌肉组织（收缩）、神经组织（信息传导）。不同的组织结合，形成具备特定功能的“器官”，如心脏包含肌肉、神经、结缔和上皮等多种组织，共同实现泵血功能。若干器官按照一定顺序组合成“系统”，如人体的八大系统：运动、消化、呼吸、循环、泌尿、神经、内分泌和生殖系统。多个系统协作配合，便构成了一个完整的生物体。这就是多细胞生物的结构层次：细胞→组织→器官→系统→生物体。

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认识单细胞生物

虽然我们日常看到的大多数生物都是由许多细胞构成的，但在自然界中，还存在着大量只由一个细胞构成的生物，它们被称为单细胞生物。

草履虫

草履虫是一种常见的单细胞动物，因为身体形状像倒置的草鞋而得名。草履虫生活在有机质丰富的淡水中，如池塘、水沟等。虽然只有一个细胞，但草履虫能够独立完成运动、摄食、消化、呼吸、排泄、繁殖等全部生命活动。

草履虫的细胞表面有许多纤毛，这些纤毛像船桨一样不停地摆动，使草履虫能够在水中快速游动。草履虫有一个凹陷的结构叫做口沟，细菌等食物随着水流进入口沟，然后进入细胞内形成食物泡。食物在食物泡中被消化吸收，未消化的残渣从胞肛排出。草履虫通过表膜进行呼吸，吸收氧气、排出二氧化碳。细胞内的两个伸缩泡收集代谢废物和多余的水分，定期排出体外。

草履虫体内有两个细胞核：一个大核和一个小核。大核控制草履虫的营养和代谢，小核与生殖有关。草履虫通常通过分裂进行繁殖，在条件适宜时，每天可以分裂1-2次，繁殖速度很快。

单细胞生物与人类生活

单细胞生物在自然界中数量巨大，与人类生活关系密切。有些单细胞生物对人类有益。例如，酵母菌是一种单细胞真菌，人类利用酵母菌发酵制作面包、馒头、酒等食品。2020年疫情期间，很多人在家自己做面包，使用的就是酵母菌的发酵作用。乳酸菌也是一种单细胞生物，可以发酵制作酸奶、泡菜等，还能调节肠道菌群，有益健康。

有些单细胞生物对人类有害。许多细菌会引起疾病，如结核杆菌会引起肺结核，痢疾杆菌会引起痢疾。一些单细胞的寄生虫也会危害人体健康，如疟原虫会引起疟疾。因此，注意个人卫生、饮食卫生，对于预防单细胞生物引起的疾病非常重要。

2022年中国疾病预防控制中心的数据显示，通过改善环境卫生、推广疫苗接种、普及卫生知识等措施，我国因细菌感染导致的传染病发病率持续下降，这说明科学的卫生防护措施是预防单细胞生物致病的有效手段。

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本节练习

第一题：下表列出了显微镜的不同组合，计算每种组合下的放大倍数，并说明在相同条件下，哪种组合看到的细胞数目最多，哪种组合看到的细胞最大、最清楚？

第二题：请结合所学知识回答下列关于植物细胞和动物细胞结构的问题：

（1）简述植物细胞与动物细胞在结构上的主要区别。

（2）试说明细胞壁、叶绿体、液泡三种结构各自的主要功能。

（3）为什么成熟的西瓜果肉细胞含有大量汁液和糖分？其与哪个细胞结构有关？

（4）植物能够进行光合作用制造有机物，主要依靠哪种细胞结构？请简要说明原因。

第三题：某同学用新鲜萝卜做了如下实验：取两根大小相同的新鲜萝卜条，一根放在清水中，另一根放在浓盐水中。30分钟后观察，放在清水中的萝卜条变硬了，放在浓盐水中的萝卜条变软了。请解释这两种现象，并说明这个实验证明了细胞膜的什么特性？

第四题：下表是某植物在不同时间段内光合作用和呼吸作用的情况（单位：相对值），请分析回答：

（1）计算每个时间段的有机物积累量（光合作用强度-呼吸作用强度）

（2）哪个时间段有机物积累最多？

（3）18:00-21:00时间段，植物体内的有机物是增加还是减少？为什么？

（4）从整体看，这一天中植物是积累了有机物还是消耗了有机物？