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1.1.1.3  Living Cells Are Self-Replicating Collections of Catalysts 催化剂集合

生物最常被引用的特性之一是它们的繁殖能力。对于细胞来说，这个过程包括复制它们的遗传物质和其他成分，然后分裂成两个，产生一对子细胞[daughter cells]，这些子细胞本身也能够经历[undergoing]相同的复制周期。

正是DNA、RNA和蛋白质之间的特殊关系（见图1-2），使得这种自我复制成为可能。DNA编码信息，最终[ultimately]指导蛋白质的组装：DNA分子中的核苷酸序列决定蛋白质中氨基酸的序列。反过来，蛋白质催化[catalyze]DNA的复制和RNA的转录，并参与RNA翻译成蛋白质。蛋白质和多核苷酸之间的这种反馈回路是生物自我繁殖行为的基础（图1-4）。我们将在第5章到第8章详细讨论DNA、RNA和蛋白质之间复杂的相互依赖[interdependence]关系。

图1-4 生命是一个自我催化的过程。DNA和RNA提供序列信息（绿色箭头），被用于产生蛋白质和自我复制。反过来，蛋白质提供合成DNA、RNA和自身所需的催化活性（红色箭头）。这些反馈回路共同创造了自我复制系统，赋予活细胞繁殖的能力。

除了在多核苷酸和蛋白质合成中的作用外，蛋白质还催化许多其他化学反应，以保持图1-4所示的自我复制系统的运行。一个活细胞可以分解[break down]营养物质，并利用这些产物制造多核苷酸、蛋白质和其他细胞成分所需的构件，并产生这些生物合成过程所需的能量。我们将在第3章和第13章详细讨论这些重要的代谢反应[vital metabolic reactions]。

只有活细胞才能进行这种惊人的自我复制[astonishing feats技能]。病毒也包含DNA或RNA形式的信息，但它们没有通过自身努力繁殖的能力。相反，它们寄生[parasitize]在它们入侵的细胞的生殖机制中，以复制自己。因此，病毒并不被真正认为是活的。它们只是化学僵尸[merely chemical zombies]：在它们的宿主细胞外是惰性的和不活跃的[inert and inactive]，但一旦它们进入宿主细胞，就能够施加恶性控制[malign control]。我们会在第9章回顾病毒的生命周期。

1.1.1.4 All Living Cells Have Apparently Evolved from the Same Ancestral Cell

当一个细胞复制它的DNA以准备细胞分裂时，复制并不总是完美的。有时[On occasion]，这些指令会被突变破坏，改变DNA中的核苷酸序列。因此，子细胞不一定是它们父细胞的完全复制品[necessarily exact replicas]。

突变可以产生的后代有向坏的方向改变（因为[in that]他们更不能够生存和繁殖），有向好的方向改变（因为他们更能够生存和繁殖），或者以中性[neutral]的方式改变（因为他们的基因不同，但同样可行）。生存的斗争消灭了第一种，支持第二种，容忍第三种。下一代的基因将是幸存者的基因。

对许多生物来说，有性生殖使遗传模式[pattern of heredity]变得复杂，有性生殖是同一物种的两个细胞融合，汇集它们的DNA。然后，基因牌被重新洗牌[shuffled]，重新处理[re-deal]，并以新的组合分配给下一代，以再次测试它们促进生存和繁殖的能力。

这些基因改变和选择的简单原则，在数十亿代细胞中反复应用，是进化的基础——生物物种以越来越复杂的方式逐渐改变和适应环境的过程。进化论提供了一个令人吃惊但令人信服[startling but compelling]的解释，解释了为什么当今的细胞在基本原理上如此相似：它们都从同一个共同的祖先细胞继承了它们的基因指令。据估计，这种细胞存在于35亿到38亿年前，我们必须假设它包含着今天地球上所有生命的通用机制的原型[prototype]。经过漫长的突变和自然选择过程，这种原始细胞的后代[descendants]逐渐分化[diverged]，以看似无穷无尽的方式利用这一机制的潜力，填满地球上的每个栖息地。

1.1.1.5 Genes Provide Instructions for the Form, Function, and Behavior of Cells and Organisms

细胞的基因组，即生物体DNA中核苷酸的全部序列，提供了一个遗传程序，指导细胞如何行为。对于植物和动物胚胎[embryos]的细胞来说，基因组指导着具有数百种不同细胞类型的成体的生长和发育。在一种单独的植物或动物中，这些细胞可以是非常不同的[extraordinarily varied]，我们将在第20章中详细讨论。脂肪细胞、皮肤细胞、骨细胞和神经细胞看起来就像任何细胞一样不同[seem as dissimilar as any cells could be]。然而，所有这些分化的细胞类型都是在胚胎发育过程中由单个受精卵细胞产生的，它们含有相同的物种DNA副本。它们的不同特性源于单个细胞使用其遗传指令的方式。不同的细胞表达不同的基因：也就是说，它们利用自己的基因产生某些RNA和蛋白质，而不是其他的，这取决于它们的内部状态，以及它们和它们的祖先细胞从周围环境中接收到的线索（主要是来自生物体中其他细胞的信号）。

因此，DNA不仅仅是一个指定每个细胞必须制造的分子的购物清单，一个细胞也不仅仅是清单上所有物品的组装。每个细胞都能执行各种各样的生物任务，这取决于它所处的环境和它的历史，它有选择地利用其DNA编码的信息来指导其活动。在本书后面，我们将详细了解DNA如何定义细胞的部件列表以及决定这些部件何时何地被制造的规则。

1.1.2 Cells under the microscope[显微镜]

今天，我们获得了许多强大的技术来解读[deciphering]控制细胞结构和活动的原理。但是细胞生物学开始时没有这些现代工具。最早的细胞生物学家开始只是观察组织和细胞，后来将它们拆开或切片，试图查看它们的内容。他们所看到的一切让他们深感困惑[profoundly baffling]——这些微小物体的集合，它们与生命物质的属性之间的关系似乎是一个难以理解的[impenetrable]谜。然而，这种类型的视觉研究是理解组织和细胞的第一步，在今天的细胞生物学研究中仍然至关重要。

直到17世纪发明了显微镜，细胞才可见。此后的数百年里，所有关于细胞的知识都是通过这种仪器发现的。光学显微镜[Light microscopes]使用可见光照射标本[visible light to illuminate specimens]，它们让生物学家第一次看到支撑所有生物的复杂[intricate]结构。

虽然这些仪器现在已经有了许多复杂的改进，但光的特性——特别是波长[wavelength]——限制了这些显微镜所揭示的细节的精细程度[fineness of detail]。20世纪30年代发明的电子显微镜超越[go beyond]了这一限制，它使用电子束[beams of electrons]而不是光束[beams of light]作为照明光源；由于电子的波长要短得多，这些仪器极大地扩展了我们观察细胞细节的能力，甚至能把一些较大的分子单独显示[render]出来。

在本节中，我们将描述各种形式的光学和电子显微镜。这些在现代细胞生物学实验室中至关重要的工具不断改进，揭示了细胞如何构建和运作的新细节，有时令人惊讶。[2024.11.10]