细胞生物学哲学（一）

1.什么是细胞生物学？

2.本体论问题一：什么是细胞？

3.本体论问题二：机制论者与本体论论者活力主义者和整体主义者

4. 认知问题一：代表细胞

4.1 显微照片

4.2 神器挑战

4.3 细胞生物学图表

5. 认知问题二：从机制上解释细胞活动的策略

5.1 描述细胞现象并将其与责任机制联系起来

5.2 还原论策略：分解和本地化

5.3 整体策略：组织特征化

6. 细胞生物学专业领域

参考书目

学术工具

其他互联网资源

相关条目

1.什么是细胞生物学？

有时人们认为科学学科是有明确界限的，并且可以通过其主题来定义。然而事实上，它们正在动态变化，很大程度上是由科学家、他们的研究工具以及学术和研究机构塑造的。对于细胞生物学来说，这显然是正确的。十七世纪，胡克和范列文虎克报告了他们用新发明的显微镜所看到的情况后，科学家们开始研究细胞。胡克（Hooke，1665）给细胞起了名字。但直到 Schleiden (1838) 和 Schwann (1839) 提出了细胞理论，认为细胞是基本的生命单位，细胞才成为研究生物过程的焦点单位。细胞学一词广泛用于随后的研究，主要集中于描述光学显微镜下所见的细胞。尽管威尔逊在《考德里普通细胞学》（Cowdry 1924）的介绍中使用了“细胞生物学”一词，并且该书的许多贡献者都渴望整合研究细胞的学科，但“细胞生物学”一词直到第二次世界大战后才被引入。那些采用细胞生物学术语的人主张用生物化学、生物物理和细胞分子方法的结果来补充用电子显微镜创建的新的更高分辨率图像。这种转变在后来成为该领域旗舰期刊的命名中得到了体现。关于创办新期刊的讨论中使用的暂定名称是《细胞学杂志》。到 1955 年创刊时，它被称为《生物物理和生物化学细胞学杂志》，选择这个标题是为了强调细胞研究多种方法的整合。 1962 年，它被重新命名为《细胞生物学杂志》，此时国际细胞生物学学会和美国细胞生物学学会也已成立，细胞生物学一词因细胞综合方法而获得普遍流行。 （Bechtel 2006：第 7 章，探讨了该期刊的建立和重命名以及美国细胞生物学学会的创建。）

新研究技术的引入，特别是细胞分级分离和电子显微镜，在二战后时期将细胞生物学建立为一门独特学科的努力中发挥了核心作用，因为它们能够构建 Palade (1987) 所说的形态学观察之间的桥梁。和生物化学。细胞分级分离采用超速离心机将细胞内容物分离成含有负责不同细胞活动的酶的级分，而电子显微镜使这些级分能够与细胞中可识别的细胞器相关联。 Matlin (2018) 描述了 Claude 如何利用离心来鉴定表现出高浓度 RNA 的微粒体。 Porter (1953) 对这些颗粒的碎片和组织切片的补充显微照片（图 1）将微粒体与他命名为内质网的细胞内结构联系起来。正如马特林所描述的，细胞分级分离以建立功能和电子显微镜将其定位到结构之间的这种循环在细胞生物学中反复进行。

含有微粒体的级分的显微照片，请参见下面的标题 来自细胞的薄片制剂的显微照片，显示内质网，请参见下面的标题

图 1：含有微粒体的级分和显示内质网（标记为 er）的细胞薄片制剂的显微照片。来自波特 (1953)，第 48 版。

然而，就内容而言，细胞学和细胞生物学之间的分歧远没有细胞生物学创始人所描绘的那么明显。考德里的《普通细胞学》（1924）显然也有将形态学研究和细胞化学研究联系起来的类似愿望（参见历史学家、哲学家和生物学家在 Matlin、Maienschein 和 Laubichler 2018 中对考德里项目的讨论）。但就科学家进行研究的机构而言，这一突破是相当重要的。随着使用“细胞生物学”名称的专业协会的创建，生物学家开始自我认定为细胞生物学家。实验室和学术部门采用了细胞生物学这一名称，资助机构也将细胞生物学视为受支持的研究领域。

尽管细胞生物学家积极争取生物化学家和某种程度上的生物物理学家加入他们的新学科，但这些努力基本上失败了。最持久的联系是分子生物学，它是在同一时期作为一门新学科建立的（参见分子生物学条目）。虽然分子生物学一开始主要关注细菌噬菌体（感染细菌的病毒）和来自哺乳动物和植物的真核细胞的细胞生物学，但到了 20 世纪 70 年代，每个学科都扩大了其关注范围，很快许多细胞生物学家就采用分子方法来研究细胞结构和细胞结构。功能。 （细胞生物学和分子生物学之间的一个持续差异点是，细胞生物学高度重视将化学和分子过程与细胞结构联系起来；参见 Matlin 2016）。学术部门开始在其名称中同时包含细胞和分子。 1989年11月，美国细胞生物学学会创建了一份新杂志《细胞调控》，但在1992年1月第三卷出版时，名称改为《细胞分子生物学》。尽管有些教科书的标题中只提到了细胞生物学，但一些最著名的教科书同时介绍了细胞和分子。其中包括 Alberts 的《细胞分子生物学》（Alberts、Johnson、Lewis 等人，2015 年）、Cooper 和 Hausman 的《细胞：分子方法》（2007 年），以及 Iwasa 和 Marshall 的 Karp 的《细胞和分子生物学》（2016 年）。艾伯特的《细胞分子生物学》第一版（阿尔伯特、布雷、刘易斯等人，1983 年）部分以沃森的《基因分子生物学》（1976 年）为蓝本，并邀请沃森作为联合编辑。 Alberts 将整合细胞和分子生物学的愿景归功于 Watson（请参阅下面其他互联网资源中链接的冷泉港实验室口述历史收藏中对 Alberts 的采访）

2.本体论问题一：什么是细胞？

不仅研究细胞的学科经历了历史性变革，对细胞是什么的理解也发生了历史性变革。正如 Hesse（1966）所说，在许多领域，研究对象是通过对更熟悉的对象的隐喻来表征的。在研究细胞的不同隐喻时，雷诺兹认为隐喻的选择会对如何理解细胞产生影响：

隐喻语言……不仅对于描述细胞的活动至关重要，而且对于观察和理解细胞也至关重要，并且所发挥的基础作用不亚于显微镜的文字和物质镜头。 （2018：4）

雷诺兹区分了两类基本的隐喻：作为人类制品的细胞和作为有机体的细胞。每一种都采取了各种更具体的形式。在人工制品中，细胞被描述为由实心墙、积木、工厂、各种类型的机器和电子计算机包围的空间。有机隐喻建议将细胞概念化为基本有机体（如单细胞变形虫）或国家或社会中的公民，其中存在劳动分工，并且细胞做出决定其自身发展“命运”的决定，包括最终的结果。决定启动程序性细胞死亡（Reynolds 2014）。[1]这些隐喻引发了独特的研究议程，重点关注细胞的特定方面及其与其他细胞及其环境的关系。

当胡克于 1665 年在 Micrographia 中引入细胞一词来描述他使用复式显微镜观察到的软木塞微观结构时（图 2A），他将细胞与蜂蜡的多边形细胞和修道院里僧侣占据的小房间进行了比较。 （Hooke 1665: 116，还评论了细胞的液体含量，将其标记为“营养液，或适当的蔬菜汁”。如下所述，随着原生质理论的出现，细胞的液体含量变得更加重要。十九世纪中叶。）虽然专注于植物的研究人员倾向于认为胡克的比喻是合适的，因为植物细胞有清晰可见的细胞壁，但其他人，从范·列文霍克（van Leeuwenhoek）开始，他研究了精子（图 2B）、动物组织和细菌倾向于采用其他术语，例如小体或小球。

黑色背景上的两幅图画，左边几十个扭曲的白色轮廓小矩形全部相连；右边几十个扭曲的白色小圆圈全部相连。

A. Hooke（1665：Schem：XI，图 1，第 115 页）绘制了他对软木塞细胞的观察结果。

垂直排列的 8 个单元格的绘图。每个细胞都由一条长尾和一个头部组成，每个细胞的头部各不相同（头部的不同部分最多可以附加三个字母标签）。

B.Van Leeuwenhoek 在 1678 年 3 月 18 日写给尼希米·格鲁的信中绘制的精子图。

图 2：胡克的绘图清楚地将细胞显示为由墙壁包围的区域，而范列文虎克的绘图则将我们所说的细胞呈现为简单的有机体。

这些早期研究人员大多数都专注于描述他们在显微镜下看到的东西。但一些人，例如布丰（Buffon，1749），开始将细胞视为基本的生命单位。尼科尔森将此描述为生物学中原子论传统的开始，该传统确定了

生命的一个基本的不可分割的单位，并[试图]用这些基本单位来解释所有生物的形态构成和生理运作。 （2010：203）

这种在理论上更加坚定的细胞概念在 Schleiden (1838) 和 Schwann (1839) 的出版物中得到了例证，人们普遍认为他们建立了细胞理论，其基本原则是细胞是生物的基本单位。

施莱登专门关注植物，断言“……每一种植物……都是完全个性化、独立、独立的生物、细胞本身的集合体”（1838 [1847：231-2]）。除了细胞壁之外，施莱登还利用细胞核来识别植物细胞，布朗（1833）用改进的显微镜鉴定了细胞核。细胞核在施莱登关于细胞形成的解释中占据中心地位，根据该理论，新细胞是通过类似晶体形成的过程形成的——一种材料沉积在核仁周围形成细胞核，然后沉积其他材料形成细胞体。当施万面临动物细胞外观差异巨大的挑战时，将细胞形成与晶体形成进行比较的比喻发挥了更大的作用。施万认为，它们仍然是细胞，因为它们都是通过类似于晶体形成的过程形成的：

所有组织的基本部分都是由细胞以类似但非常多样化的方式形成的，因此可以断言，有机体的基本部分有一个普遍的发育原则，无论多么不同，并且这个原则就是形成细胞。 （施万 1839 [1847：165]）

（有关晶体隐喻在生物学中的这一用途和其他用途的讨论，请参阅 Haraway 1976。）

鉴于施万和施莱登是显微镜大师（他们根据显微镜观察绘制的图画证明了这一点），并且其他同样有能力的显微镜学家报告了细胞分裂，他们关于细胞像晶体一样形成的说法似乎是反常的。 Bechtel (1984) 认为，施万对发展生命过程的机械解释的坚定承诺可能在他如何解释他所看到的事情方面发挥了重要作用——晶体形成隐喻提供了机械模型，而当时没有细胞分裂的机械模型。无论如何，随着越来越多的研究人员报告了细胞分裂，施莱登和施万对细胞形成的描述很快就被搁置了，施万对机制的担忧也被其他担忧所取代。病理学家 Virchow (1855) 提出了一个理论论证，即只有像细胞分裂这样的过程才能解释疾病的传播，并创造了经常被引用的格言“omnis cellula e cellula”（所有细胞都来自细胞）。

然而，施万的“细胞理论”比他很快就被拒绝的细胞形成观点要丰富得多。他认为细胞是生命过程（他创造了“新陈代谢”一词）发生的基本单位。他认为代谢过程是由细胞形成时沉积在细胞中的特定物质催化的。 Schwann（1836）本人最近发现了胃蛋白酶，一种分解卵白蛋白的催化剂。 （然而，胃蛋白酶不是在细胞内起作用，而是在被分泌到消化液中后起作用。）一年后，当他提出如果没有整个活酵母细胞的参与就不可能发生发酵时（Schwann 1837），一些批评家认为施万是在声称生命系统表现出神秘的生命特性。但对施万来说，这与他的机械论方法是一致的——代谢过程只有当负责的催化剂在细胞中聚集在一起时才会发生。

十九世纪中后期，关于细胞的理论研究朝多个方向发展。其中一个方向甚至比施万更关注构成细胞的材料。在施万提出细胞理论的同一时期，植物研究员冯·莫尔 (von Mohl, 1835) 为细胞中的液体物质引入了“原生质”这一名称。 Dujardin (1835) 等动物研究人员将动物细胞中看到的液体称为肌码。 Remak（1852）提出了原生质学说，认为植物和动物的基本物质是相同的，T.H.Huxley（1869）更进一步，认为原生质是“生命的物理基础”。正如雷诺兹所讨论的，原生质理论提供了一种不同的基本生物学理论——而施莱登和施万

原生质理论试图通过共同的形态类型和发育原理来统一所有不同的生命形式，并试图通过识别共同的物质或材料来实现这一目标。 （2018：32）

因此，一些原生质的支持者试图将细胞作为基本的生命单位。例如，植物学家朱利叶斯·萨克斯 (Julius Sachs，1892) 断言，“将原生质单元称为细胞，就像将蜂窝中的活蜂称为细胞一样合适”（由 Welch & Clegg 翻译，2010：C1281）。由于原生质表现为一种粘性物质，仅受细胞边界人为限制，因此一些原生质理论家认为它取代了细胞作为组织单位。施万将细胞理解为生物发育的基本单位，而原生质理论家将原生质理解为驱动个体发育，而细胞只是在这种初级物质发育过程中沉积的二级结构。最近，一些生物学家（Welch & Clegg 2010，2012）和哲学家（Nicholson，2010）主张复兴原生质理论。他们的论点是，原生质理论提出了更整体的系统或有机体的观点。 （我们在第 3 节讨论整体论和有机论。）

原生质作为一种单独存在的粘性物质的特征由于细胞膜被识别为不同于细胞壁的结构以及如下所述的膜结合细胞器而变得复杂。最后，大多数生物学家默许了舒尔茨（1861：11；由霍尔翻译，1951：451）的某种版本的妥协立场，当他将细胞定义为“内部的一团原生质时，原生质成为细胞的一个定义特征”。其中有一个核心”。那些采取这种妥协立场的人经常援引拉斯拜尔提出的一个比喻，根据这个比喻，细胞是“一种所有组织在其中组织和生长的实验室”（1843：28；哈里斯翻译，1999：32）。实验室的比喻鼓励人们尝试对细胞中发生的所有反应进行化学解释。这个主题有很多变体。 Unger 将植物细胞与“mächtige chemische Werkstätte”（强​​大的化学车间）进行类比（1851：23），Virchow 表示“淀粉在植物和动物中转化为糖，就像在工厂一样”（1858：107） 。

接受这种化学观点，一些化学家试图找出发生反应所需的化学催化剂。发酵是人们普遍关注的焦点，Kühne (1877) 创造了术语“酶”（希腊语“酵母中”）来表示酵母中起作用的推定催化剂。巴斯德（Pasteur，1860）暂时浇灭了人们对这项工作的热情。作为一位著名的化学家，他仍然坚持认为发酵只能在完整的活细胞中进行。这反映了细胞作为生命的不可简化单位的概念——与活力论相关的概念（下面更详细地讨论）。然而，布赫纳（Buchner，1897）重新点燃了人们对工厂概念的热情。在巴斯德关于发酵在没有细胞的情况下不可能发生的论点的指导下，他在通过破坏所有完整细胞制备的提取物中添加了糖，认为它可以充当防腐剂。当他观察到气泡的排放，表明在没有活细胞的情况下发酵时，他改变了方向并激发了对新陈代谢的化学研究的追求，从而在二十世纪的前几十年建立了现代生物化学（Kohler 1971；Cornish -鲍登 1997）。它的早期成功之一是在 20 世纪 30 年代对负责发酵的酶催化反应途径进行了表征（Bechtel 1986）。

起初，工厂的比喻只是简单地将细胞视为发生化学反应的地方，但随着时间的推移，研究人员开始关注工厂内的不同机器。十九世纪末和二十世纪初，人们开始关注工厂中的独立机器，当时研究人员使用改进的显微镜并应用染色剂来增强对比度，开始识别细胞内的结构并对其功能意义进行理论分析。研究人员在描述细胞分裂和受精过程中的核事件方面特别成功。弗莱明（Flemming，1879、1882）详细描述了他称为染色质（由于它们吸收染料）的线（后来称为染色体）如何纵向分裂，两半分开，以便每一个最终都会进入每个子细胞（图3）。不久之后，Weismann 和 Correns 等研究人员指出了染色体传递与遗传之间的联系，但 Boveri (1902) 和 Sutton (1903) 提供了令人信服的证据，证明孟德尔因子（很快将被称为基因）存在于染色体之中或之上。 。 Darden 和 Maull（1977）分析了基因与染色体的联系，作为他们所谓的场间理论的一个主要例子，这些理论并不试图将一个解释简化为另一个解释，而是将不同领域的发现整合到一个连接它们的理论中。

有丝分裂各个阶段的 13 张图

图 3：Flemming（1882）绘制的有丝分裂阶段图，强调了纺锤体的形成及其在分离染色体中的作用。图片 1-3 来自 Tafel IIIa； 4-7 来自 Tafel IIIb。 （图来自维基共享资源。）