来源页 · 完整讲稿 · 第 18 讲
“看不见”的细胞膜
你好，我是王立铭，欢迎来到生命科学50讲。我们今天继续讨论细胞。
上一讲我们知道了细胞有多重要，也知道了细胞的存在，本质上就是因为它外面有一层薄薄的膜，把生命物质和生命活动给紧密地包裹起来，和外部环境分隔开。
所以，理解细胞，最关键的就是理解这层膜到底是什么。
今天我们就来讲讲这层膜背后的故事。
你可能觉得这里头不会有什么故事吧。不就是一层薄薄的膜么，应该不用费多大劲就能研究透。
可事实恰恰相反，生物学家们花了300多年的时间才真正理解它。这时间长得有点不可思议。
说白了，这里头的原因其实很简单，这层细胞膜实在是太薄太薄了，以至于细胞膜这个东西成了生物学史上非常少有的，人们一直猜测它存在，觉得它肯定存在，但是直到最近才真正看到它存在的这么一个东西。
这节课，我就想给你好好讲讲，在看不到细胞膜的300多年里，生物学家是怎么研究它的。
人类第一次看到细胞
首先必须说明，细胞这个概念很早就有。差不多450年前，牛顿的死对头——英国科学家胡克（Robert Hooke），就用自己制作的显微镜观察软木做成的塞子——就是保温瓶上面塞的那种塞子。
他在显微镜底下看到，软木塞里面有一个个长得像蜂窝一样的微小结构，他就把这个结构叫做细胞。
胡克在显微镜下观察到的软木标本图片
这个名字怎么起其实无关紧要，重要的是，这是人们第一次开始意识到，生物体可能是由很多个微小的重复单元——也就是细胞组成的。
当然了，我们今天知道，胡克看到的不是细胞，而是植物细胞的细胞壁。在软木塞子里面，当然是没有任何活着的细胞了，只有坚硬的细胞壁残留了下来。
到了200多年之后，两个德国科学家——植物学家施莱登（Matthias Jakob Schleiden）和动物学家施旺（Theodor Schwann），继续发展了胡克的研究。
他们提出：不管是动物还是植物，构成它们身体的都是一个一个微小的细胞。这就是所谓的细胞学说，也就是革命导师恩格斯钦点的19世纪三大科学发现之一。
但是请注意，虽然这个时候细胞学说已经出现了，但是大家仍然不知道，把一个一个细胞隔离开的、把细胞和环境隔离开的到底是什么东西。
一个很自然的猜测是：那是一层很薄的膜，像一个塑料口袋，把细胞里的东西装进去，密封起来。
但是，人们在显微镜下瞪大眼睛，反复看各种生物标本，却始终就没有看到传说中的这层膜。既然看不见，那就难怪有人不相信了。
所以，一直到20世纪初，还都有不少生物学家认为，这层膜压根儿就是不存在的，甚至还提出了各种各样的替代理论来解释细胞的存在。
比如有人就说：其实根本没有细胞膜，细胞内的物质像胶水一样黏合在一起，才不会破碎和稀释。
也不能怪这些怀疑论者，我们常说眼见为实嘛，要让所有人都相信存在这么一个看不见摸不着的东西，确实需要些勇气。看是看不见了，总要提供一些其他方面的有力证据吧。
磷脂双分子层细胞膜
幸好从18世纪开始，生物学家们就观察到了一个很有趣的现象。
简单来说，就是动物的红细胞会变大变小。在某些水溶液里会缩成一小团；在某些溶液里，细胞又会肿胀得很大。
这个现象直观看起来，就支持了细胞膜的存在。你要是把细胞想象成一个装满水的气球，那变大变小就很好理解了：水流出来就瘪了，水流进去就肿胀了嘛。
当然，接下来的问题就是：这个气球到底是用什么东西制造的？这种特殊材料能把生命物质密封和隔绝起来，但同时居然还能让水流进流出？
到了19世纪末，这个材料问题有了进一步的线索。
英国科学家欧福顿（Ernest Overton）发现，并不是把细胞丢在什么溶液里，它都会像变戏法一样长大缩小的。
如果是盐溶液，就像我们吃的氯化钠，那就可以。盐分很足的话，细胞就会变小，盐分很少的话，细胞就会变大。
如果是脂类分子溶液，这种戏法就不灵了，细胞的尺寸不会发生任何变化。
欧福顿因此就猜测，细胞膜对于盐分子和脂类分子的通透性是不一样的。它一定不能让盐分子通过，但是肯定可以让脂类分子自由通过。
于是，在此观察的基础上，欧福顿天才地设想：这层薄薄的细胞膜可能干脆就是脂类分子构成的，特别是胆固醇和磷脂这两种脂类分子。
因为这样的话，外部溶液里不管脂类分子浓度多高，它们都可以自由进出细胞，在细胞内外形成平衡，那细胞这个装满水的气球就不会变大变小了。下面是胆固醇和磷脂的分子结构图。
这个理论听着很有道理，但是有一个问题却无法解释。那就是，这些脂类分子是怎么形成一层膜的呢？
这其实是个要命的问题，因为脂类分子有一个很特殊的属性，就是特别讨厌和水分子接触。
如果把脂类分子放在水里，为了尽可能地减少和水分子接触的表面积，它会很容易坍缩成一个致密的小球，把脂类分子尽可能的藏在球的里面不和水接触。
但是这样的话，细胞膜的结构就根本没法稳定存在，很容易就被破坏掉了。细胞膜如果真是脂类分子组成的，它到底是怎么维持气球一样的形状，把细胞完整包裹起来的呢？
又过了二十多年，这个问题才得到完美的解决。
1925年，两个荷兰科学家，高特（E. Gorter）和格兰戴尔（F. Grendel），用化学方法从一大堆细胞里面提取了脂类成分。
可想而知，细胞膜如果真的存在，而且真的是由脂类分子组成的，它肯定也会被提取出来。
然后，高特他们把脂类成分小心翼翼地铺在一杯水上，让它们尽量铺开，最终铺的只有一层分子的厚度，再计算这层油脂的面积有多大。
你可以把这个实验想象成，计算菜汤上那一层油有多大。结果发现，细胞里面提取出来的脂类成分总面积，恰好是细胞表面积的2倍。
这一来就彻底对上了。高特他们这个发现，最简单的解释就是，每一个细胞的表面确实包裹着脂类分子成分构成的膜，并且这层膜不是单层膜，而是两层分子构成的双层膜。
双层膜又意味着什么呢？这时候又要再次回顾一下欧福顿提出的细胞膜理论了。
欧福顿说，细胞膜里面的脂类分子，大概是两种，胆固醇和磷脂。
这两种脂类分子偏偏有一个有趣的性质，它们和那种特别讨厌水的脂类分子有点区别，它们兼具了油和水的特点：分子的头像水，尾巴像油。
什么意思呢？就是这个分子的头喜欢和水亲近，但是两个尾巴特别讨厌水。
所以，如果磷脂分子尾巴相对形成双层膜，把它们讨厌水的尾巴藏到两层膜的中间，把喜欢和水亲近的头露出来和细胞内外的水结合，这样的双层膜结构就会特别稳定。
这样的结构，甚至比单纯用脂类分子堆积一个实心小球还要稳定。
磷脂双分子层模型
直到这时，细胞膜的存在，它的组成和化学结构才得到了基本的证实。高特和格兰戴尔的双分子层模型，在此后有过几次小的更正，但是细胞膜的基本形态已经确立了。
不过，请你不要忘了，这个时候，还没有人真正见过细胞膜的样子。
终于，到了20世纪中期，人们用电子显微镜第一次亲眼看到了这层膜。
果然它特别薄，只有几个纳米厚，是一根头发丝直径的几千分之一，远远低于任何光学显微镜的极限分辨率。难怪从胡克提出细胞概念起的300多年里，没有人真的看到过这种膜。
电子显微镜下的细胞膜，图中显示的是两个细胞的边界
研究了300多年，科学家们才真正看到这层膜。而当他们看到的时候，反而不大惊小怪了。
因为到这个时候，细胞膜的存在、主要构成和双层膜的夹心结构，都已经深入人心，并写进了教科书了。看见这层膜，在科学发展史上，其实主要起到了一锤定音的作用。
细胞膜的物质基础容易出现
好了，关于研究细胞膜的故事我已经讲完了。但是，我还想补充一点，实际上，脂类分子，特别是磷脂和胆固醇这样的脂类分子，被地球生命挑中，作为细胞膜的结构基础，是非常自然的选择。因为它们构成的细胞膜既稳定，又非常容易形成。
在实验室里，只要把磷脂分子放在水杯里，拿个玻璃棒拼命地搅动几下，就能自发地形成和气球一样的膜结构。
关于这一点，最惊心动魄的证明居然来自于地球之外。
故事发生在1969年的一天。有个巨大的火球从天而降，击中了澳大利亚维多利亚州的莫奇森，留下了腾空而起的蘑菇云。
这是一颗重达100千克的陨石，里面携带了大量的有机物质，包括几十种氨基酸和脂肪分子，甚至还有能够形成DNA和RNA的分子。
莫奇森陨石
1985年，人们进一步发现，陨石上提取出来的脂类分子，居然也能像地球上的磷脂分子一样，自发地形成类似于地球生命细胞膜的结构。
这就更进一步说明了今天地球生命使用的细胞膜结构，在自然环境中是一个相对容易出现，容易被利用的结构。
有意思的是，针对默奇森陨石的研究，科学界产生了两个截然相反的思想倾向：
- 一方科学家认为默奇森陨石的结果表明，地球生命最早很可能来自外太空，是由像默奇森陨石这样的天外来客带到地球上来的；
- 而另一方科学家则认为，默奇森陨石恰恰说明，生命出现没什么大不了的，在宇宙中和在地球上，都是一件平淡无奇的事情。
但是说到底，不管是哪一种思想，其实都认可这样一件事：在远古地球的环境中，产生一种稳定的物理屏障，能够将生命活动所需的物质、能量和自我复制机能，紧密包裹起来，并且和环境隔绝，这件事不难，有很高的可行性。
说到这里，你对细胞膜的研究历史和可行性已经有基本了解了，你可能觉得细胞的生物学问题已经完美解决了。但其实，关于细胞，还有一个很大的逻辑问题，那就是：
第一个细胞出现的时候到底发生了什么？它怎么会有那么好的运气或者那么强的能力，恰好在形成一个封闭的、球状结构的时候，把生命物质、能量，还有自我复制需要的遗传物质和分子机器，同时恰好包裹进去的呢？
下一讲，我们来看看第一个细胞是怎么诞生的。
最后，我想给你留个思考题：细胞膜是一个人们研究了近300年，都已经把关键理论写进教科书后，才亲眼看到的东西。那你能想出有什么东西，在被看到之前，也被当成共识写进教科书，但是后来发现是错的吗？
欢迎你在课后留言，我们下一讲见。
1969年，一颗重达100千克的陨石坠落在澳大利亚的莫奇森，上面携带了大量生命物质，甚至还有能够形成DNA和RNA的分子。生命来自外太空？