“细胞重建学说”的提出与发展 王谷岩 （中国科学院生物物理研究所） 细胞学说的建立已有一百多年的历史。1838—1839年，德国的植物学家施莱登和动物学家施旺创立了细胞学说。1871年，德国病理学家微耳和又提出“细胞来自细胞”的理论，从而形成了一个完整的细胞学说。从那时起，生物学界就一直确认细胞是以分裂方式繁殖增生的，而且认为分裂方式是细胞繁殖增长的惟一途径；细胞分裂的理论成为细胞学说的重要内容，生物学界正是在此基础上发展着细胞学理论。 然而，到了20世纪30年代，中国生物学家贝时璋先生却以实验研究为依据，提出了新的观点：细胞分裂不是细胞繁殖增生的惟一途径，除了细胞分裂，细胞繁殖增生还有另外一条途径-细胞重建（cell reformation）;细胞重建是细胞的自组织（self-organization）过程，是生命世界客观存在的与细胞分裂并存的现象。从此，贝时璋先生便开始了一项延续七十年的自主创新研究工作。 1932 年，贝时璋先生在杭州采集到一种甲壳类动物南京丰年虫，他以科学家的敏感,发现其中一些丰年虫头部形态异常，他断定这种异常具有生物学意义，可能是一种新的发现。他将其带回实验室进行观察研究，发现那些丰年虫在性别上是异常的，非雌非雄，亦雌亦雄，是一种“中间性”。进一步研究,贝时璋先生又发现，中间性丰年虫在生活周期的某一时期会进行性的转变，转变成雌性或雄性。在发生这种性转变时，生殖细胞也同时发生性的转变。而生殖细胞的转变是通过老细胞的解体和新细胞的形成实现的。而且，他观察到，中间性丰年虫的卵母细胞中，新形成的细胞并不是由母细胞分裂来的，而是以母细胞细胞质中的卵黄颗粒为基础材料经由自组织逐渐建立起来的。贝时璋先生将此种现象称为“细胞重建”，于1934年在浙江大学生物系的一次讨论会上报告了这项研究结果。在此之前，还没有人说过细胞可以重建而不由分裂产生，因为自1871年以来，微耳和所主张的“一切细胞来自细胞”、“细胞分裂为产生细胞的惟一途径”，一直被生物学界奉为金科玉律。 贝时璋先生进一步的研究表明，细胞重建和细胞分裂有着明显的不同，细胞分裂产生的子细胞由母细胞一分为二分裂而来，所有的子细胞都具有相同的组成，都处于相同的发育阶段，子细胞形成了，母细胞也便消失。而细胞重建的子细胞则由母细胞细胞质中的物质逐渐形成，一般先形成核，成为裸核状态，再包以细胞质、细胞膜，最后形成一个完整的重建细胞；常常会出现多核体，子细胞核与母细胞同时并存，并可在一个母细胞里同时形成很多发育阶段不同的子细胞，而且母细胞与子细胞也同时并存。 贝时璋先生提出的 “细胞也可以由重建产生”这一创新的科学思想，对生物学影响之大，不言而喻.可以想见，在地球上生命发展的过程中，总会有那么一个时期，生命由比较原始的非细胞形态进化为细胞形态，绝不会是一有生命就出现细胞那样复杂的形态，细胞不可能没有历史。生命在大自然中的这一段历史，科学界称它为“细胞起源”。贝时璋先生认为：“细胞重建可能是以前地球上细胞起源过程的缩影。这样的提法是否恰当，尚待商讨。但是，如果认为细胞分裂是细胞繁殖增生的惟一途径，我们就不能了解细胞在地球上是如何起源和进化的。相反，通过对细胞重建的深入研究，弄清楚细胞一步一步地自组织的过程，我们就能对地球上细胞怎样起源、怎样发展等问题有所理解，进而对它进行模拟。” 南京丰年虫中间性性转变过程中的细胞重建现象，到了 1933年主要情况已经了解清楚，结论也有了，但研究论文直到1942年和1943年才得以在《Science Record》和《科学》上发表。迟迟未予发表，在客观上，是因为浙江大学迁校，时局动荡，国内无合适期刊可以投稿，与国外的联系也已中断；而在主观上，也是由于贝时璋先生多少也曾有所犹豫：报道细胞重建现象的发现，是要向生物学界宣告可以不通过细胞分裂的方式形成细胞，否定细胞分裂是细胞繁殖增生的惟一途径的传统观点，这势必被看作对生物学的亵渎，是可笑的愚昧和狂妄(科学发展史上有很多案例，在重大课题中一个新观点的提出，屡屡受到来自各方面的重压),这样的疑虑当然不足取，要创新，就要敢于坚持新的观点，就必须做好迎接各种压力的准备。贝时璋先生终究坚定了信念，打消了这种疑虑，以科学家实事求是和坚持真理的精神，毅然将论文发表了。然而，论文发表后，虽未受到责难，也未得到响应，传统的观念似乎已成不易之论,从中不难感受到它的压力毕竟是巨大而又深远的。贝时璋先生的工作显得似乎只是一个 “孤证”，似乎不足以说明规律性的问题。既无响应，也便无法展开讨论，当时又有许多别的事情等他去做，他只得把细胞重建的研究工作暂时放了下来。 谁知这一放，竟放了近30个年头！ 细胞重建的研究涉及到的是细胞学中带根本性的问题，对生物学的发展会产生很大影响。贝时璋先生深感有责任把这一研究继续下去，把问题加以澄清，向生物学界提供更多的证据，证明细胞重建现象确实存在，并且是普遍规律；而且, 在重大 科学问题上进行创新是科学家的责任。因此，在那段日子里，贝时璋先生一刻也没有忘记他想要最终证明的问题，没有忘记科学家的责任。 在各种条件的促成下，到1970年，贝时璋先生终于在生物物理研究所又开始了他的细胞重建的研究。为了避免不必要的争论，开始时贝时璋先生不得不把研究组称为“细胞生物学组”，把课题的名称定为《造血系统或创伤愈合中各种非细胞形态转变为细胞的研究》。虽然，1971年和1972年他的课题都被列入重点研究项目，但还是有人反对，1973年还有人写信给他，要他不要再研究这样的问题。也有人说研究细胞起源是“共产主义的任务”，意思是说研究细胞起源超越了时代，脱离了现实，不可能完成。幸好，当时传出毛泽东主席曾经说过“细胞起源的问题要研究一下”，因而情况才有所好转。他们的研究工作进行到1974年，丰年虫性转变过程中的细胞重建现象便得到了充分的验证。 1976年7月，研究组正式称为“细胞重建研究组”。此后，他们的研究工作进一步观察到鸡胚发育中的体细胞也普遍存在细胞重建现象，还发现卵黄颗粒内有DNA、组蛋白和染色质。染色质是组成染色体的核蛋白物质，一直被认为是细胞核所特有的。卵黄颗粒内有染色质，这在生物学发展史上是第一次被发现。接着，又开展了丰年虫和鸡胚的离体培养下的细胞重建研究；1979年的研究还证实，在小鼠成体的骨髓造血系统中也存在着细胞重建现象。 恢复细胞重建研究后的第10个年头时，贝时璋先生和他的研究组的研究结果已经证明，不论是生殖细胞还是体细胞（此后又证明不论是真核细胞还是原核细胞），都广泛存在着细胞重建现象。而且，他们对细胞重建现象有了如下系统的认识： 1．细胞重建现象是一个自组织的过程，只要具备物质基础和合适的环境，在生物体内或在离体培养的情况下，都有可能发生细胞重建和核重建； 2．染色质不是细胞核独有的物质，卵黄颗粒也不是没有生命的细胞内含物； 3．细胞和细胞核可以从细胞质重建，说明细胞质与细胞核之间本来就没有森严的壁垒； 4．细胞分裂是“闭锁性”的繁殖，细胞在分裂过程中和它的环境是以细胞膜隔离的，细胞重建是“开放性”的繁殖，在重建过程中的细胞组份始终和周围环境打成一片。 至此，他们已经把研究结果总结成系统的理论，形成了一个完整的“细胞重建学说”。 近年来，贝时璋先生和他们的研究组，除继续广泛取证外，还在已有工作的基础上进行了深入本质的探讨工作。探讨细胞重建与细胞分裂的关系，重建的细胞是否都能分裂和分化，以及什么条件下细胞重建、什么条件下细胞分裂。为探讨细胞重建的机理，并为了解地球上的细胞起源的过程提供依据和资料，又研究了细胞重建的诱导和细胞重建的模拟。 细胞重建的诱导，研究的是细胞在怎样的条件和环境下进行细胞重建，在怎样的条件和环境下抑制细胞重建，即研究细胞重建的控制与调节问题。细胞重建的过程可以通过诱导而进行，其诱导因素可多种多样，可以是体内的，即自身诱导，也可以用各种环境因素人工进行诱导. 他们进行了以某些物理因素和化学因素对细胞重建的诱导作用的研究．关于环境对细胞重建的影响，在电场、磁场和重力场诸多物理因素当中，他们尤其重视重力场对细胞重建的影响. 重力影响细胞贴壁，影响细胞间相互作用和细胞间粘连，以及细胞与任何背景的粘贴，而粘连和粘贴与核重建和细胞重建均有关系. 这些问题在理论上和实践上都有重要的意义．在实验中他们观察到，在离体培养下比在整体原位上进行的细胞重建既快又多，其原因一是二者的离子浓度和离子强度不一样，二是二者的氧化还原作用也不完全一样. 因为细胞的新陈代谢无论在离体培养下或整体原位上，主要靠离子的浓度和强度以及氧化还原的作用. 离子强度偏高或离子浓度增加，对氧化比较有利，对还原有一定的抑制。细胞分裂需要在氧化作用较强的条件下（一般在组织的表层）进行，而细胞重建则要在还原作用较强的条件下（一般在组织的深层）进行。 细胞重建的模拟，是研究怎样从没有细胞一步一步重建成完整的细胞。细胞重建包括了细胞的自我合成，这是一种生物合成过程，可以在人工条件下模拟细胞的重建和自我合成. 对于细胞来说，最重要的是细胞核. 对于细胞核来说，最重要的是染色质和核膜. 关于染色质，他们对卵黄颗粒的DNA和组蛋白组合成为染色质、染色质相变成为染色体及其可逆性，作了分析和模拟；又在人工条件下系统地模拟了染色质的自我合成及其在细胞周期中的变化，以及在离体培养情况下的染色质自我合成. 通过创造人工的条件，可以实现DNA从染色体中分离出来、DNA和组蛋白组合成染色质、染色质又在离体情况下或在细胞里凝聚成为染色体, 反过来，染色体还可以解聚变成为染色质. 进行这样的模拟是很容易做到的，可以依靠一价和二价金属离子浓度的改变创造人工条件而实现，只是需要控制离子的强度不要太大，如若使用汞、砷等离子就会因其强度太大而导致细胞死亡. 关于核膜，他们认为它在分裂过程中消失（细胞分裂中期）和重新形成（末期）也与微环境的变化有关. 他们用人工建立的微环境模拟了核膜的消失和重建过程. 进行细胞重建的模拟研究，可以为人工合成细胞或生物合成细胞打下基础，探索条件和方法。 所有上述这些研究都已经取得了重要结果，“细胞重建学说”得到了进一步的发展。