細胞與幹細胞：解碼你身體裡的神奇生命科學

2.  細胞世界　多采多姿
我們居住的地球是道道地地的生命樂園，生存著10多萬種微生物、30多萬種植物和100多萬種動物。在種類如此繁多的生物中，構造最簡單又能夠獨立生活的生物可能要數「黴僵菌」黴僵菌。黴僵菌是在無細胞培養基中被發現，當時被稱為「傳染性胸膜肺炎微生物」。後來又從土壤、污水以及許多動物和人體中發現了幾十種這類的微生物。
從外表看來，黴僵菌很像湯圓，薄薄的「外皮」包裹著「內餡」。不同的黴僵菌的大小差別很大，通常在0.1～0.25微米（一微米為千分之一毫米），最小的體積只有一般細菌大小的千分之一。黴僵菌可以像病毒那樣通過篩檢程式，又可以像細菌那樣在人工培養基裡生長，因而是一種介於病毒和細菌之間的過渡生物。黴僵菌的「外皮」和一般細胞的細胞膜相似，是雙層結構，成分是磷脂和蛋白質。「內餡」含有黴僵菌進行生命活動的物質，如儲藏和傳遞生命資訊的DNA、RNA以及參與新陳代謝的各種酶。
與病毒的寄生生活方式不同，黴僵菌能夠從人工培養基中吸取營養物質，過著完全獨立自主的生活，但它仍是許多疾病的病原體，比如有的黴僵菌能夠引起豬隻的關節炎，還有的黴僵菌能引起人的肺炎。
與黴僵菌相比，細菌要複雜得多。細菌外型有球狀、桿狀、螺旋狀等，大小一般在1微米以下。結構上，細菌比黴僵菌更為完整，由外到內分為細胞壁、細胞膜、細胞質和類核。所謂「類核」就是說還不算真正的細胞核，只是一團遺傳物質彌散在細胞質中，因而細菌又叫原核細胞。
細菌的繁殖方式比較簡單。絕大多數細菌在繁殖前會先進行遺傳物質的複製，然後從中間一分為二；也有少數細菌會進行孢子繁殖或出芽繁殖。細菌的繁殖效率很高，就廣泛存在於水域中以及動物和人類腸道裡的大腸桿菌而言，大約每20分鐘就可繁殖一代，這使得細菌在地球上幾乎無處不在。
細菌還有一個「絕活」，就是當生存環境變得惡劣，它會變成芽孢，芽孢可以抵抗不良環境；當環境變得適宜生存，芽孢會像種子一樣萌發，長出新的細菌。某些細菌渾身長滿了纖毛，有的細菌全身只有有一根細長、像鞭子的鞭毛；這些可不僅僅是裝飾，它們是細菌的運動器官。對於可致病的細菌而言，細菌表面的纖毛還有利於附著在動植物細胞上；許多種類的細菌還會以在人類看來絲毫沒有營養的硫磺、鐵礦為食物，真是不可思議。
日常生活中，一想到細菌，人們總是和感染、發燒、發炎、化膿甚至破傷風、淋病、梅毒等可怕的疾病聯繫在一起，其實並不是所有的細菌都對人類有害。就寄生在人和動物腸道內的大腸桿菌而言，它可以幫助消化並產生有益的維生素，在現代生物工程中，大腸桿菌常被用來轉入藥物基因，製成工程菌來生產藥物，如白血球介素、干擾素、促紅血球生成素等。另外一些細菌則被用來冶金和清除海上石油污染等。
有一些單細胞的微生物，如藍綠菌，看起來應該屬於植物。因為它們像綠色植物一樣具有葉綠素，能夠進行光合作用，把二氧化碳和水合成自身需要的養分，然後釋放出氧氣。仔細研究卻發現，這些微生物沒有綠色植物那樣的細胞核，實際上和細菌是近親，它們也屬於原核生物。
與原核生物不同，真核生物的細胞具有真正的細胞核，裡面的遺傳物質由核膜包裹著，核膜上有許多孔洞，通過孔洞，細胞核裡的物質可以和外面細胞質裡進行物質交流。
具有細胞核的、最簡單的生物是真核單細胞生物（屬於原生生物），分為單細胞動物（類動物原生生物）和單細胞植物（類植物原生生物）。單細胞植物，如綠藻，像普通綠色植物一樣能夠進行光合作用，過著自食其力的生活。單細胞動物比較常見的如變形蟲、草履蟲、眼蟲等。其中，變形蟲生活在池塘、稻田或水溝內、身體小且無色透明，最大的變形蟲直徑可達0.2～0.4毫米，肉眼剛好能看見，但要想觀察還得借助於顯微鏡。變形蟲的身體表面只有一層很薄的膜，膜內是比較透明而均勻的細胞質，又叫原生質。變形蟲的細胞質可以流動，細胞膜隨之也會不斷改變形狀，這可能是這種動物被叫做變形蟲的原因。
當變形蟲進行變形運動時，細胞表面會伸出一些長短不一的手指狀突起，整個身體會沿著突起伸出的方向移動，所以這種手指狀突起被稱為「偽足」。除了運動外，偽足的另一功能是捕食，它可以伸向食物，將食物包圍裹入體內，形成食物泡，然後把食物消化掉。變形蟲沒有雌雄之分，它的繁殖是靠把身體一分為二，這一點倒是跟細菌相似。
由此可見，變形蟲雖是一個單細胞，卻具備了能夠獨立生活的一切動物所具有的生命特徵，如對刺激的反應、運動、捕食、生長、繁殖，所以可以說是一種「低等動物」。
單細胞生物只有一個細胞，而盤藻有4個細胞，實球藻有16個細胞……越是高等的生物，其細胞數目越多，據估計，新生兒有2兆個細胞。
高等生物是多細胞的有機體，在長期演演化過程中，不同的細胞在功能上出現了分工，形態也更加多樣化。動物的精細胞像蝌蚪，有著一條長長的尾巴，這便於精細胞在生殖道內遊動和進入卵細胞使之受精。紅血球細胞為圓盤狀，這大大增加了表面積，有利於二氧化碳和氧氣的交換。神經細胞具有長長的細胞突，有的甚至長達1公尺以上，這也是為了達成傳遞神經衝動的功能。高等植物細胞的形狀也因功能不同而有很大差別，植物基部發揮支持和輸導作用的細胞通常呈條狀，葉片表皮的保衛細胞呈半月形，兩個細胞圍成一個氣孔，以利於呼吸和蒸發。不同細胞的大小和形態見圖。
大體來說，多數細胞體積微小且近似球狀，這樣才能保證有一個相對大的表面積，從而有利於新陳代謝和抵抗惡劣環境條件；不過也有例外，鳥類的卵就是一個細胞，它們卻特別大。鴕鳥的卵直徑可達7～8公分公分，是世界上最大的細胞，這是為什麼呢？原來鳥類卵中有大量卵黃，卵黃是胚胎發育的主要營養物質，只有鳥卵足夠大，才能為胚胎發育儲存足夠的營養。
3.   細胞壁　保護外衣
細胞可分為原核細胞和真核細胞。植物細胞和動物細胞都是真核細胞，其主要區別是植物細胞有細胞壁。
植物細胞的最外面是一層厚厚的硬壁，稱為「細胞壁」。它是植物細胞區別於動物細胞的重要特徵之一。這層細胞壁是如何形成？對於植物細胞有什麼特殊意義呢？
研究發現，植物的細胞壁由細胞分泌產生，可分為三層：新生且較薄的細胞壁，稱為初生細胞壁；之後形成有條紋且較厚細胞壁，稱為次生細胞壁；在兩細胞之間物質稱為中膠層，使細胞壁黏合，並減低細胞間的壓力。細胞壁的主要成分是纖維素，還有半纖維素、果膠質和木質素等。
木質素僅存在於成熟的細胞壁中，它使細胞壁堅硬，保護細胞不易受到外界損傷。細胞活著時，細胞壁能因其他物質的浸透和積累而改變性質，如稻、麥的細胞壁內含矽酸鹽，能抗倒伏。因此，細胞壁可以維持細胞的形狀，對細胞發揮保護作用。
一些微生物也有細胞壁，比如真菌、酵母菌、細菌，細菌的細胞壁不含纖維素。根據對一種紫色染料的染色反應，細菌可分為「革蘭氏陽性菌」和「革蘭氏陰性菌」兩種，前者如葡萄球菌，後者如大腸桿菌、傷寒桿菌。革蘭氏陽性菌能夠被這種染料染色，而陰性菌不被染色或輕微染色。這是由於細胞壁結構不同造成的。
革蘭氏陽性菌的細胞壁結構較厚，有15～50層肽聚醣組成，還有蛋白質、多醣醣等成分。革蘭氏陰性菌的細胞壁結構比較複雜，分為內、外兩層：內層較薄，成分是肽聚醣層，透過脂蛋白和外層相連；外層稱作外膜，基本上是一層磷脂和蛋白膜，外膜中含有脂多醣和脂蛋白，這些成分與細菌的毒素活動有關，也是細菌侵入人體後引起發燒的原因。
青黴素是我們熟悉的抗生素，它的作用原理是透過阻止細菌細胞壁中肽聚體的合成來達到消滅細菌的目的，因而對細胞壁中含有大量肽聚醣的革蘭氏陽性菌殺傷效果較好，對革蘭氏陰性菌的除滅效果比較差。
有的細菌在細胞壁外還有一層纖維狀物質，稱為「莢膜」。莢膜是細菌分泌到細胞壁外的物質，由多醣和蛋白質組成，含有單醣和磷酸。莢膜對細菌生存不是必需，但可以保護細菌抵抗不適合生存環境，並使大大增強毒性。
真菌（常見如酵母菌）的細胞壁的主要成分是幾丁質，又叫甲殼素，是一種多醣類物質。
動物細胞雖沒有細胞壁，但有的細胞表面有葡萄醣、半乳醣、阿拉伯醣等分子形成的樹枝狀醣鏈。這些醣鏈就像天線一樣，在細胞和細胞的識別與通信中發揮重要作用。此外，人類的ABO血型也與紅血球細胞膜上的醣鏈有關。
4.  細胞膜　交流通道
所有生物的細胞都包裹著一種膜，這個膜就是細胞膜，它使細胞與周圍環境分隔開。細胞膜的基本成分是蛋白質、脂類和醣類在細胞膜中，脂類分子呈雙層排列。蛋白質貫穿或鑲嵌在脂類雙分子層中，也有的蛋白質附著於脂類雙分子層表面。至於醣類，有的是與蛋白質結合，有的是與脂類結合。
在電子顯微鏡下觀察，細胞膜為兩條暗帶夾著一明帶的三層結構，具有這種結構的膜也稱為單位膜。內外較暗的兩層是蛋白質，中間較明的一層是脂類。
細胞膜非常重要，它控制著細胞與外界環境的物質交流。在細胞膜中，脂類分子疏水端朝向裡面，親水端朝向外面，這樣雙層脂類分子透過疏水作用力牢牢結合在一起。一些小分子物質和脂溶性物質，如甘油、水、氧氣、氮氣、苯、尿素等，可以穿透細胞膜從高濃度區域向低濃度區域利用擴散作用移動；但一些親水性物質，如葡萄醣、氨基酸、核苷酸以及所有的離子，就不能自由通過脂類雙分子層。不過，細胞膜上有專門執行運輸作用的蛋白質，當這類物質與運輸蛋白結合後，運輸蛋白結構發生變化，從而把這類物質運到另一側。細胞膜上還有一種叫鈉鉀幫浦的蛋白質，當受到刺激後結構會發生變化，會像抽水機一樣把Na+（鈉離子）運出膜外，而把K+（鉀離子）運進膜內，使細胞膜內外保持一定電位差。這種電位差是細胞運輸某些物質和神經傳導所必需的。
一些較大的物質可以透過吞噬作用或胞吞作用進出細胞膜。細胞將較大的固態顆粒物質（如細菌等）吞噬入內的過程，稱為胞吞作用；當吞噬的物質為溶液狀或極小顆粒狀時，則稱為胞飲作用。吞噬現象在單細胞動物中普遍存在，不過在多細胞動物中也有，如人體血液中的白血球和巨噬細胞都具有很強的吞噬能力，可以吞噬侵入體內的細菌。當人體受到創傷後，白血球和巨噬細胞會聚積在傷口周圍，開始吞噬細菌。當這些細胞吞食了大量細菌後，便會「撐死」，於是傷口出現化膿現象，「膿」其實就是死亡的白血球。當然，細胞也可以把體內不需要的物質排出體外，這就是胞吐作用。
細胞膜除了進行物質運輸外，另一個重要功能是傳遞資訊。細胞膜上有一種被稱為「受體」的蛋白質，當它和外界環境中的配體像鎖頭和鑰匙一樣結合後，便會啟動細胞膜上特定的酶，把訊號傳遞到細胞內。近年來的研究發現，在細胞膜訊號傳遞中，如果某些環節出現故障，細胞就可能導致癌變。

2.  細胞世界　多采多姿
我們居住的地球是道道地地的生命樂園，生存著10多萬種微生物、30多萬種植物和100多萬種動物。在種類如此繁多的生物中，構造最簡單又能夠獨立生活的生物可能要數「黴僵菌」黴僵菌。黴僵菌是在無細胞培養基中被發現，當時被稱為「傳染性胸膜肺炎微生物」。後來又從土壤、污水以及許多動物和人體中發現了幾十種這類的微生物。
從外表看來，黴僵菌很像湯圓，薄薄的「外皮」包裹著「內餡」。不同的黴僵菌的大小差別很大，通常在0.1～0.25微米（一微米為千分之一毫米），最小的體積只有一般細菌大小的千分之一。黴僵菌可...

人類認識細胞的歷史

大約40億年前，生命誕生於地球這顆美麗的藍色星球，直到今日我們依舊無法知道這些最古早的生命是什麼。人類依據現今的生命科學知識推測，這些地球上最古老的生命，不但能和外界環境進行物質和資訊交流，也能簡單地複製自己。隨著生物演化，自然界終於迎來具備細胞形態的生命。
目前，地球上已發現的最古老的生物化石來自澳大利亞，名叫「疊層石」，化石內的生物生存在約35億年前的「藍綠菌 （舊稱藍綠菌）」。藍綠菌是一種單細胞生物，它們的細胞和動物或植物的細胞不同，不具有細胞核，這點和細菌相似，因此藍綠菌也稱作「藍細菌」。
遠古海洋中充滿單細胞的藍綠菌。它們有圓球狀、管狀，形狀多樣。藍綠菌和綠色植物一樣，藍綠菌能夠利用太陽的光能，把二氧化碳和水合成自身需要的有機物，並釋放出氧氣。
隨著藍綠菌大量行光合作用，地球上出現大量的氧氣，加快了生物演化演化的速度。與此同時，為了更有效地適應環境，一些單細胞生物彼此結合，形成了一種類似多細胞生物的族群，就像今天的盤藻和團藻，介於單細胞生物和多細胞生物之間的生物ㄓ。
隨著生物持續演化演化，到了大約30億年前，地球上出現多細胞的植物，後續又誕生了多細胞動物。爾後，海洋生物登上陸地，陸地也不斷演化出新的物種演化。在大約幾百萬年前，最初的人類誕生在地球上。
在人類文明漫長的歷史中，生命奧秘的關鍵角色細胞，並沒有被發現。主要是因為大多數的細胞都太小了，在0.03毫米以下，遠遠超過了人類肉眼能夠直接觀察的範圍（0.1毫米）。
第一位真正觀察到活細胞的是荷蘭科學家安東尼•范•雷文霍克（Antony van Leeuwenhoek）。1677年，他用自製顯微鏡觀察了池塘水中的原生動物、人和哺乳動物的精子，後來更看到了鮭魚紅血球的細胞核，1683年，他又在牙垢中發現了細菌。
活細胞的發現促進了細胞生物學的發展。1938年，德國植物學家許萊登（Matthias Jakob Schleiden）發現所有植物體都是由細胞組成。一年以後，德國動物學家許旺（Theodor Schwann）發現動物體也是由許多細胞構成。許萊登和許旺共同創立了細胞學說，細胞學說包括三個內容：第一，細胞是多細胞生物的最小組成單位，對單細胞生物來說，一個細胞就是一個完整的生物個體；第二，多細胞生物的每一個細胞都會執行某個特定功能；第三，細胞只能由細胞分裂而產生。細胞學說將統一了動物學和植物學，奠定生物學的基礎，被譽為19世紀自然科學的三大發現之一。
細胞學說創立後，許多科學家把注意力轉移到細胞內的世界，發現了細胞內由多種化合物構成的「原生質」。利用固定染色技術發現了中心體、高基氏體、粒線體等細胞的胞器（像是細胞的器官），同時對於細胞分裂和染色體的研究也取得了長足的進展。
隨後，人們開始運用細胞、改造細胞、生產有價值的農業和工業產品、創造新品種的動植物，為人類生活和健康服務。
1907年，細胞培養技術建立，這為運用細胞奠定了基礎。1958年，日本科學家岡田善雄發現紫外線失活的仙台病毒可引起艾氏腹水瘤細胞彼此融合。到了1965年，哈里斯（Harris）誘導不同種的動物體細胞融合，出乎預料的是，這個「雜交細胞（hybrid cell）」居然能存活下來，這是一種全新的人工細胞，但沒有實際用途。1975年是細胞學歷史上值得紀念的日子，這年免疫學家柯樂（Kohler）和米爾斯坦（Milstein）用仙台病毒誘導綿羊紅血球細胞免疫的小鼠脾細胞與小鼠骨髓瘤細胞融合，選擇出一種能夠分泌單珠抗體的雜交細胞。今天，單株抗體在疾病診斷和腫瘤治療中被廣泛應用，有「生物導彈」的美譽。
透過植物細胞培養，植物學家生產出了大量新品種的名貴花卉，如君子蘭、風信子、康乃馨等，還可以生產中藥材，如人參、當歸、三七等。動物細胞的大量培養對人類也有很大的貢獻，一是可以用來生產疫苗，二是可以生產治療腫瘤、心血管疾病等的藥物。
動物複製的研究則使細胞技術成為舉世矚目的科技。1952年，美國科學家用一隻蝌蚪的細胞創造了與原始蝌蚪完全一樣的複製生物。1996年，世界上第一隻成年體細胞「複製羊桃莉桃莉」在英國愛丁堡羅斯林研究所出生，首次證明動物體細胞和植物細胞一樣具有「遺傳全能性」，打破了傳統的科學概念，這項科學創舉轟動全世界。1998年，美國夏威夷大學的科學家用成年鼠細胞複製出50多隻老鼠，從此開始出現大量的生物複製工程。2008年，美國食品藥品管理局宣佈，批准複製動物的乳製品和肉製品上市，並宣稱這些有爭議的食品可以像正常動物食品一般被安全食用。
近年來，細胞移植治療受到廣泛關注。1999年，幹細胞研究被《科學》雜誌推為21世紀最重要的十項科學研究領域之一，而且位居第一位，重要性還高於「人類基因組計畫」。2000年，幹細胞研究再度入選《科學》雜誌評選的當年十大科技成就。2011年起，韓國、美國、加拿大等國相繼批准了幹細胞新藥，使一些特殊疾病獲得到有效的治療方法。2012年，中國進行幹細胞治療規範管理，同時免疫細胞治療得到了空前發展。2013年，《科學》雜誌將腫瘤免疫治療列為年度十大科學突破的首位。2015年，中國取消第三類醫療審批，並發佈幹細胞製劑品質控制及臨床前研究指導原則，大大促進了幹細胞藥物的研究和發展。
細胞是奇妙的，幹細胞科學更是徹底改變了我們的生活，使我們生活變得更加美好。

人類認識細胞的歷史

大約40億年前，生命誕生於地球這顆美麗的藍色星球，直到今日我們依舊無法知道這些最古早的生命是什麼。人類依據現今的生命科學知識推測，這些地球上最古老的生命，不但能和外界環境進行物質和資訊交流，也能簡單地複製自己。隨著生物演化，自然界終於迎來具備細胞形態的生命。
目前，地球上已發現的最古老的生物化石來自澳大利亞，名叫「疊層石」，化石內的生物生存在約35億年前的「藍綠菌 （舊稱藍綠菌）」。藍綠菌是一種單細胞生物，它們的細胞和動物或植物的細胞不同，不具有細胞核，這點和細菌相似，因此藍綠菌...

序
前言
人類認識細胞的歷史
第一章　神奇迷人的細胞世界
1.  自然界裡　簡單生命
2.  細胞世界　多采多姿
3.   細胞壁　保護外衣
4.  細胞膜　交流通道
5.   細胞質裡　生命器官
6.  細胞核　神經中樞
第二章　前景廣闊的細胞培養
1.  組織培養　微繁育苗
2.  原生質體　植株再生
3.   花粉培養　良種生產
4.   植物細胞　中藥生產
5.  動物細胞　大量培養
6.  人造皮膚　煥發容顏
7.  培養器官　植腎換肝
第三章　奧秘無窮的細胞融合
1.  雜交細胞　生產抗體
2.  單抗繁多　應用廣闊
3.  生物導彈　消滅腫瘤
4.  馬鈴茄　植物新種
5.  腫瘤疫苗　攻克癌症
第四章　喜憂參半的動物複製熱潮
1.   綿羊桃莉　動物明星
2.  複製家族　人丁興旺
3.   複製動物　存在缺陷
4.   大膽邪教　複製人類
5.  複製人類　為何禁止
6.   治療選殖　得到寬容
7.   複製動物　其他進展
第五章　創造新個體的細胞操作
1.   核質雜交　培育新種
2.   獅身人面　嵌合動物
3.  胚胎移植　繁育良畜
4.   試管嬰兒　解決不孕
5.  人工種子　技高一籌
6.   多倍體　生物育種
第六章　方興未艾的細胞移植治療
1.   幹細胞　生命之源
2.   幹細胞庫　生命銀行
3.  幹細胞　生物藥物
4.   幹細胞　臨床應用
5.  免疫細胞　治療腫瘤
6.  普通細胞　疾病治療
附錄
1.  細胞移植大事記
2.  動物複製大事記
3.  彩圖
後記

序
前言
人類認識細胞的歷史
第一章　神奇迷人的細胞世界
1.  自然界裡　簡單生命
2.  細胞世界　多采多姿
3.   細胞壁　保護外衣
4.  細胞膜　交流通道
5.   細胞質裡　生命器官
6.  細胞核　神經中樞
第二章　前景廣闊的細胞培養
1.  組織培養　微繁育苗
2.  原生質體　植株再生
3.   花粉培養　良種生產
4.   植物細胞　中藥生產
5.  動物細胞　大量培養
6.  人造皮膚　煥發容顏
7.  培養器官　植腎換肝
第三章　奧秘無窮的細胞融合
1.  雜交細胞　生產抗體
2.  單抗繁多　應用廣闊
3.  生物導彈　消滅腫瘤
4.  ...