文章來自“科學大院”公眾號
作者：葛科學
故事開始於一聲槍響。
一位青年律師由於工作不順而企圖自殺。幸運的是，當他拿起槍對著自己的前額扣動扳機時，子彈僅僅劃過他的表層皮膚，他還活著。
傷口痊癒後，他放棄了法律相關的工作，轉而在哥廷根大學和柏林大學學習植物學和醫學。在取得了醫學和哲學的博士學位後，他在耶拿大學擔任植物學教授，成為了著名的植物學家。
這位新晉的植物學家並沒有消停，他猛烈地批評那些接受林奈的系統植物學觀點的人。在他看來把植物按照系統分類不過是消遣和浪費時間，只有植物化學和植物生理學才是王道，可惜當時他並沒有實驗事實的相關佐證。
左圖：植物學家卡爾·林奈（1707~1778）（圖片來源：參考資料[7]）；右圖：1805年的版畫《丘比特在熱帶地區喚起植物的愛情》，說明瞭植物的特性是支撐林奈理論的基礎。（圖片來源：參考資料[8]）
十二年後，他辭去耶拿大學植物學教授的職位，開始周遊德國，當起了家庭教師和江湖郎中。後來，他又在俄國多爾帕特任植物學教授......
而這位暴躁、狂妄又愛折騰的人正是細胞學說的創始人之一——施萊登（Matthias Jacob Schleiden，1804-1881）。
德國植物學家施萊登（圖片來源：參考資料[9]）
01 歷史性的相遇
在耶拿大學任教期間，施萊登的科學聲望逐漸提高。雖然科研工作繁忙，但施萊登還是會抽出時間旅遊，放鬆一下心情，同時改善一下精神狀況。也正是在一次旅遊期間，施萊登認識了比他小六歲的施旺（Theodor Schwann，1810-1882）。而這一次看似小小的偶遇卻有著非同尋常的意義，可以與馬克思與恩格斯、沃森與克裡克的會面相媲美。
德國動物學家施旺（圖片來源：參考資料[8]）
與施萊登的粗暴性格完全不同，施旺的性格十分內向。他先後在波恩、維爾茨堡和柏林攻讀醫學，師從著名生物學家彌勒（Johannes Peter Muller，1801-1858）。1834年，施旺在柏林大學取得醫學博士學位後便擔任彌勒的助教，彌勒對施旺寄予厚望，對其工作成果也頗為滿意。施旺在製作組織標本時，發現了圍繞在神經元軸突外面的膜，這種膜後來被人們稱之為 “施旺細胞”。施旺還在研究消化的過程中，發現了胃蛋白酶；在研究雞胚的呼吸時，發現了氧氣在其中的重要作用。
施旺細胞包裹在神經元軸突外側的示意圖（圖片來源：參考資料[11]）
歷史性的相遇之後，性格反差極大的施萊登與施旺一起創立了“細胞學說”。不過，細胞學說創立的故事遠不止教科書中描述的那麼簡單，在眾多學者探究了數百年後它才逐漸浮出水面。而施萊登和施旺所做的貢獻更是讓細胞學說的星星之火得以燎原。
那麼，最初點燃細胞學說的星星之火又是從哪裡來的呢？
02 星星之火：細胞學說的起源
有機體是什麼？人體的組成是什麼？這些問題已經困擾了人類幾千年。
1543年，29歲的比利時解剖學家維薩裡（Andreas Vesal，1514-1564）出版鉅著《人體的構造》，標誌著現代解剖學進入新紀元。從此，解剖學家開始將注意力集中到系統以及器官的結構和功能上。
《人體的構造》一書中的插圖：維薩裡畫像（左）和人體肌肉系統（右）（圖片來源：參考資料[8]）
兩百年後，法國醫師皮內爾（Philippe Pinel，1745-1826）認識到要想真正理解疾病必須追查到器官損傷，器官損傷才是疾病的根源。此後，法國解剖學家比夏（Marie Francois Xavier Bichat，1771-1802）進一步將機體由器官分解成二十一種組織，認為組織才是機體的結構組成和功能成分。
進入十七世紀後，顯微鏡開始應用於科學研究。1665年，羅伯特·胡克（Robert Hooke，1635－1703）在《顯微圖譜》一書中首次提出“細胞”概念，他“能非常清楚地看到軟木片充滿了氣孔，是一個多孔的結構，形如蜂房……”，這是人類歷史上第一次成功觀察細胞，儘管胡克看到的僅僅是一個死細胞的細胞壁。
胡克製作的顯微鏡（圖片來源：參考資料[8]）
另一位植物學家格魯（Nehemiah Grew，1641—1712）將植物的研究進一步向前推進。他發表了一百多份植物的顯微鏡圖譜，通過觀察植物新生部位的細胞，發現它們細胞壁薄、相互緊貼，並將其稱為“柔軟組織”。同時期的列文虎克（Antony van Leeuwenhoek，1632—1723）也對鞭毛蟲、細菌、精子和血球等做了精細的顯微觀察。（關於列文虎克的故事在這裡《活了九十年十個月零兩天的業餘科學家，最偉大的顯微鏡製造者》）植物學家布朗（R. Brown，1773-1858）則利用與列文虎克所使用的類似的簡單顯微鏡觀察到了布朗運動的現象，還發現了植物細胞核。
荷蘭業餘科學家安東尼·列文虎克（圖片來源：參考資料[7]）
到了十九世紀初期，顯微鏡工藝已經有了較大的改善，色差、球面差等問題開始逐漸被解決。三十年代後，各大生物研究中心開始裝配顯微鏡。與此同時，動物方面的胚胎學研究也藉助顯微鏡的發展而逐步開展起來，這一時期人們已經能夠觀察到動物早期胚胎中的細胞核，還注意到動物細胞中不存在細胞壁。
隨後不久，德國的博物學家奧肯（Loronz Oken，1779-1851）提出了一種假設：所有的生物體都可以分解為纖毛蟲，而纖毛蟲是在原始的粘液狀液體中形成的。但這種原始的粘液是奧肯假定存在的，缺乏嚴格的實驗依據。此外，由於奧肯經常與詩人歌德（Johann Wolfgang von Goethe，1749-1832）一起探討生命的本質，所以歌德還將奧肯假設的纖毛蟲寫進了著作《浮士德》中。雖然這種做法並沒有任何科學上的作用，但卻激勵了許多的年輕人去研究生命體的原型。
科學家、詩人、戲劇家、小說家和浪漫主義運動的早期領導人歌德（圖片來源：參考資料[8]）
1837年，生物學家普金耶（Johannes Evangelista Purkinje，1787-1869）把機體描述成由汁液、鬆散連接的纖維和動物細胞構成，後來他還提出了“原生質”的概念。受到普金耶的影響，另一位生物學家彌勒成為最早在病理學研究中使用顯微鏡的人。彌勒不僅創辦了雜誌《解剖學和生理學文獻》，還培養了眾多的學生，而這些學生中最著名的就是施旺和魏爾肖（Rudolf Ludwig Carl Virchow，1821-1902）。
至此，細胞學說的星星之火已經點燃。接下來，就輪到細胞學說中幾位重量級人物登場了。
03 星火燎原：細胞學說正式確立
1838年，施萊登在彌勒創辦的雜誌《解剖學和生理學文獻》上發表了《植物發生論》一文。施萊登認為細胞核是植物細胞普遍存在的構造，同時提出：不論怎樣複雜的植物體都是由細胞聚合而成的；在植物體中，每個細胞一方面獨立進行自身的生命活動，另一方面作為植物整體的一部分來生活。
事實上，早在1837年，施萊登就已經構思好了細胞學說的幾個結論，並在與施旺用餐時將未發表的一些結果告知了後者，指出了細胞核在植物細胞發生中的重要作用。施旺得知後，立刻想起自己曾在脊索細胞中看見過相同的“器官”——細胞核，進而領悟到若能證明脊索細胞的細胞核起著植物細胞發生中的相同作用，那將有極其重要的意義。
26~30天（A圖）和28~32天（B圖）的人胚胎三維重構示意圖。上方表示頭部，下方表示尾部。綠色代表神經管，紫色代表背主動脈，紅色代表脊索。施旺當年是在蝌蚪的脊索細胞中看到了細胞核，並推測其可能有重要作用。（圖片來源：參考資料[10]）
但是，動物細胞之間的形態差異比植物細胞之間的差異更為複雜多樣，對一種動物細胞發生形式的研究結果很難應用到其他種類的細胞當中。另外，由於那個年代細胞染色技術尚未發展成熟，而動物細胞大多十分透明，因此對於動物細胞的觀察也十分困難。儘管如此，施旺還是研究了多種形態的動物細胞，試圖找出他們的共性。例如，肌肉纖維、神經管、卵或血球。
動物細胞的亞顯微結構模式圖。（圖片來源網絡，其中漢語標註為作者自繪）
1839年，施旺發表了《關於動植物的結構和生長的一致性的顯微研究》一文，成功地證明瞭動植物兩大有機界中最本質的聯繫。文章分為三個部分：第一部分描述蝌蚪體內脊索細胞和不同來源的軟骨細胞的結構與生長；第二部分論證了動物組織基本構成都是細胞；第三部分詳細闡釋了細胞理論。另外，施旺首次認識到細胞不僅是結構單位，還是功能單位；同時將細胞現象分為了“造型現象”和“代謝現象”。
施萊登和施旺的上述結論就是著名的細胞學說。可以概括為：一切動植物都是由細胞組成的，細胞是一切動植物體的基本單位。
04 施萊登的美中不足
但此時的細胞學說還不是最完善的。在《植物發生論》以及後來的著作《植物學概論》中，施萊登還描述了新細胞形成的方式。他把細胞的增殖比作晶體生長的簡單物理過程：
細胞質中的糖、糊精和蛋白質等積累成微小的粘液顆粒，這些小顆粒進一步增大變成核仁；核仁表面的粘液顆粒逐步轉化成不可溶的物資，形成包裹著核仁的細胞核；細胞核長大到一定體積，表面開始生長出一個囊包；囊包逐漸增大變成了新細胞。
雖然這種新細胞形成理論得到了施旺的認可，但是另一位生物學家耐格裡（K. Nageli，1817-1891）儘管起初對此也表示認可，但後來卻發現新細胞不是環繞細胞核沉積而成的，而是原來的細胞分裂的結果。研究較高等植物細胞的莫爾（H. von Mohl，1805-1872）也認為，施萊登的細胞形成理論在自然界中是無法觀察到的。
學術界為此爭論多年。最終，為施萊登的細胞生成理論做出修正的任務落到了魏爾肖的肩上。
細胞病理學家魏爾肖（圖片來源：參考資料[8]）
細胞病理學家魏爾肖與施旺一樣也是彌勒的學生，他先後在維爾茨堡大學和柏林大學擔任教授。他與萊因哈特（B. Reinhardt，1819-1852）一起創辦了《病理解剖學文獻》，在其中發表了不少文章，並逐步確認了一個觀點：生命只能來自生命的直接延續。1855年，還是在這本期刊上，魏爾肖提出了一個著名斷論：所有的細胞都來源於先前存在的細胞。三年後，魏爾肖把自己的研究成果與演講整理成《細胞病理學》一書，書中指出細胞是發生疾病的場所，並對細胞學說做出了完善。也正因如此，有人認為細胞學說應當是在1858年才完成的。
05 施旺的遺珠之憾
如前所述，施旺《關於動植物的結構和生長的一致性的顯微研究》一文中指出了細胞的“代謝現象”。他認為代謝是細胞和生命的普遍特徵，並且動物的體溫來源於細胞內的代謝。此外，施旺還指出發酵是真菌細胞的代謝。但這一結論在當時遭到了著名化學家李比希（Justus von Liebig，1803-1873）的強烈反對。
化學家李比希（圖片來源：參考資料[6]）
李比希和維勒（Friedrich Wohler，1800-1882）兩位化學家匿名發表文章來諷刺施旺的代謝觀點。他們在文章中寫到：燒瓶中的酵母在溶液中產生了卵，卵迅速孵化出了形狀像燒瓶一樣的動物。這些動物貪婪地吃著溶液中的糖，向外噴出二氧化碳和酒精......
化學家維勒（圖片來源：參考資料[6]）
於是，性格內向、不善爭論的施旺在心理上被擊垮了，選擇退出這場爭論。不過，另一位微生物學家巴斯德（Louis Pasteur，1822-1895）拾起了施旺的接力棒。於是，生命科學史上這場著名論戰的雙方就變成了巴斯德與李比希。
正在進行曲頸瓶實驗的生物學家巴斯德（圖片來源：參考資料[8]）
因為在德國的大學任教，需要公開與其他學者展開爭論，而這與施旺內在的性格不符。因此在發表了《顯微研究》之後，施旺便離開了德國，到比利時擔任解剖學教授，期間相繼回絕了八所德國大學的工作邀請。相比於在禮堂裡與其他學者爭的面紅耳赤，默默無聞地進行解剖學研究或許是才他最好的選擇和歸宿。
06 尾聲
施萊登和施旺，雖然一個脾氣火爆、傲慢偏激，一個溫文爾雅、內向靦腆，但是他們的科學合作卻一直和諧順利。從精神情感方面來說，他們可能是矮子；但從科學研究方面來說，他們是不折不扣的巨人。
細胞學說的創立在生物學發展史上具有劃時代的意義。它不僅用有機體的顯微構造揭示了有機界的統一，揭示了動植物的共同起源，還促進了人們對自然過程相互聯繫的認識。恩格斯對其評價：“有了這個發現，有機的、有生命的自然產物的研究——不僅比較解剖學、生理學，而且還有胚胎學——才獲得了鞏固的基礎。對於機體的產生、成長和構造，秘密被揭開了；從前不可解釋的奇蹟，現在已經消解在對一切多細胞的機體來說本質上是依據統一規律來進行的一個過程中”。同時，恩格斯還將細胞學說、能量轉化與守恆定律和達爾文進化論並列為19世紀自然科學的“三大發現”。
在細胞學說創立與完善的過程中，還有許多學者的故事因為篇幅與本人能力有限而無法一一講述。他們在各自的研究領域邁出的每一小步最終匯成了人類生命科學史上的一大步。這正如艾薩克·牛頓所言：“對於任何時代的任何人而言，要想解釋自然界的萬物都不是件容易的事。所以，最好還是解釋一些確定的現象而非所有的事情，把其他的內容留給後人。”
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作者單位：中國科學院分子細胞科學卓越創新中心
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