细胞的结构
就像望远镜彻底改变了天文学一样，显微镜揭示了一批最本质的、有关生命结构的原理。安东·范·列文虎克等科学家于一滴池塘水或一抔土中窥见了前人不知道的生命世界，而我们无法凭借想象来体会他们当时所感受到的惊喜和激动之情。列文虎克发现了精液和血液中的“活物”，并把它们称为“微动物”。1665年，罗伯特·虎克借助由软木塞切削成的薄片，观察到了规则排列的方框样结构，命名为“细胞”（cell）。虎克看到的结构实际上是早已死亡的细胞的细胞壁，但其他的观察者逐渐意识到，植物和动物都是由类似的、形状大小多样的单元组成的，其中充满了各种可能用于执行生命功能的结构。1839年，植物学家马蒂亚斯·雅各布·施莱登（Matthias Jakob Schleiden）和动物学家西奥多·施旺（Theodor Schwann）进一步提出，“所有动物和植物都由细胞组成”。他们猜想一切生命体都起始于单一细胞，多细胞生物由细胞多次分裂发育而来。当代生物学最基础的原则就是所有生命体要么是单细胞，要么由许多细胞组成，细胞是生物的基本构成单位——构成一种由一层把内容物与外界环境分开的膜包裹的结构。细胞是最小的生命单位，反过来，生命也可以被定义为由细胞组成的物体。
图3-1展示了蠕虫和植物茎秆的横切面。显而易见，两者的结构中都包含了许多方块样的相互紧贴的细胞。单个有机体体内的细胞也是各不相同的；细胞组成不同的组织，例如动物身上的表皮组织（皮肤或表层）和肌肉组织，以及植物中的木质；每种组织都由独特的细胞构成。但我们能看出细胞结构普遍包含两种特征：一个确定的边界（通常会使细胞形成方块状结构）与一个核（一个较大的球形结构，通常存在于细胞中央，而在许多植物细胞中位于侧边）。一个细胞的复杂组分由一层非常薄的膜作为与周边的分界，并由其保持细胞的完整性，同时形成出入口控制物质的进出。
图3-1 动物及植物细胞横切面示意图
用显微镜观察横切面切片可见，复杂的有机体由许多方块状的细胞组成。
我们可以在单个细胞上观察到最基本的繁殖形式，它需要合适的条件，有可能发生在营养丰富的体液或植物根部的汁液中，也有可能发生在实验室烧瓶里人工配制的营养液中。每一个细胞从环境中吸取营养并使其成为自身的组成部分，进而长大，最后一分为二（见图3-2）。
图3-2 细胞分裂示意图
一切有机体都可根据细胞结构分为两类：原核生物和真核生物。前者多包括我们熟知的细菌，它们体积极小且没有细胞核。后者有细胞核，包括植物、动物和许多单细胞生物，例如阿米巴原虫和藻类。接下来我们会重点讲述真核细胞的结构。
现代显微镜技术，特别是电子显微镜，让人们知道细胞内有许多相同的结构，科学家称之为“细胞器”，如图3-3所示。最重要的细胞器要属细胞核——位于细胞中央，由膜包裹形成的囊状结构。细胞核在遗传学中格外重要，因为它内含作为遗传物质的染色体。细胞内还有许多形状狭长的线粒体，它们从食物分子（如糖）中获取能量，并以可以被一切细胞活动所利用的化学能形式储存起来。许多植物细胞中含有绿色的叶绿体，它们利用叶绿素将光能转化为化学能。这两种细胞器都主要由薄片状的生物膜构成。我们还经常能见到许多在细胞内形成囊泡的膜结构，它们能储存多种物质以备后用。许多细胞都含有广阔的膜系统，生物学上称之为内质网，蛋白质等物质就是在这里合成然后被运送至特定位置的，其中一些还会被运送到细胞外。
图3-3 动物细胞结构图
包括植物和动物在内的大多数有机体的细胞都含有许多次级结构，生物学上称之为细胞器。该图为电子显微镜下的动物细胞结构图，图中展示的细胞器有细胞核、线粒体和内质网的膜结构，还有一种层状膜结构叫高尔基体。事实上，细胞内还包含许多更小的、有特殊功能的结构，这里没有标出。
除了动植物等多细胞生物，生物世界还包括许多简单的单细胞生物和群体生物，它们每一个都是独立的细胞，也可能是一串或一团非常相似的细胞。这种生物中的一类为藻类，它们有着形状诡异、颜色鲜艳的叶绿体。剩下的被称为原生动物，它们凭借纤毛或鞭毛在池塘里或溪流中游来游去。形状不固定的阿米巴原虫主要借助细胞质的流动，伸出指状的伪足进行移动。跟其他生物比起来，最小的生物——细菌，仅有正常细胞长度的1%～10%（其体积为真核细胞的百万分之一到千分之一）。尽管如此，它们依然是细胞，因为细菌具有明确的界线和规则的形状。不过它们没有细胞核，即使有一条或多条作为遗传物质的染色质，它们也没有任何核膜结构。
生物细胞还具有一些更本质的共同点，我们必须了解它才能理解遗传学。在这里，我们先明确一下最基本的化学假设：物质是由原子构成的，原子以一定方式结合成分子，化合物的化学式体现了其分子构成。水的化学式H2O意味着每一个水分子由两个氢原子（H）和一个氧原子（O）组成。你还应该知道每种元素的原子对应一个确定的重量（或称质量）：氢的质量为1个单位，碳为12个单位，铁为55.85个单位。一个分子的质量就是组成该分子的所有原子的质量总和。