化合物与细胞

通过化学分析，科学家发现有机化合物主要由碳、氢、氧、氮这几种元素组成。后来，化学家学会了按照特定的方式组合这些元素，创造出自然界原本不存在的“合成有机化合物”。今天，“有机化学”和“无机化学”的区分标准已经改变：前者是研究含碳化合物的化学，后者是研究不含碳化合物的化学，与生命无关。

三大营养物质

生物体内的有机物质虽然种类繁多，但可以归纳为三大类：碳水化合物、脂肪和蛋白质。

碳水化合物包括各种糖、淀粉、纤维素等。米饭、面食的主要成分就是碳水化合物。这类物质只含有碳、氢、氧三种元素，而且氧的含量相对较高。碳水化合物通常能溶于水，或者在酸的作用下容易变成可溶的形式。

脂肪（也叫脂类）同样由碳、氢、氧组成，但氧的含量比碳水化合物低得多。食用油、动物脂肪都属于脂类。脂肪不溶于水，这是它和碳水化合物的主要区别之一。

蛋白质是三类物质中最复杂、最脆肪、也最具生命特征的。蛋白质除了含有碳、氢、氧，还含有氮和硫。鸡蛋清是很好的蛋白质例子：生鸡蛋清是透明的液体，加热后就凝固变白，而且这个变化不可逆转。蛋白质虽然通常能溶于水，但轻微加热就会凝固失去溶解性。

这三类物质在消化过程中会被分解成更小的“构件”。有趣的是，所有生物的基本构件都是相同的。人可以吃牛肉、羊肉、鱼肉，牛可以吃草，因为消化系统会把这些不同生物的复杂物质拆解成通用的构件，然后再按照自己的需要重新组装。

从化学角度看，所有生命——无论外表多么不同——本质上是统一的。一棵水稻和一头牛，虽然看起来完全不同，但它们体内的碳水化合物、脂肪、蛋白质只有细微差别。这种化学上的一致性暗示着，不同物种之间的转变可能只是细节上的调整，而不需要根本性的改变。

组织与细胞理论

从整体到微观

用肉眼观察时，我们很容易把不同的生物当作完全不同的存在：竹子高大挺拔，熊猫毛茸茸憨态可掬，鱼自由穿梭于水中，而鸟则展翅飞翔于天空。它们的外形、结构、生活方式都大相径庭，似乎没有什么共通之处。这种差异很容易让人误以为生命的形式是绝对分隔、互不关联的。

然而科技的发展，尤其是显微镜的发明，为我们开启了观察生命微观世界的大门。当科学家们开始用显微镜细致审视生物体时，很快发现“整体”的生命其实是由许多更小、性质各异的部分组成的。早期的显微镜研究者惊讶地发现，动物和植物的各个器官、结构其实不是均质的整体结构，而是由被称为“组织”的基本单位组成。

“组织”是指由结构、功能相似的细胞和细胞间物质共同构成的一类集合。例如，皮肤的最外层叫上皮组织，包裹和保护着身体；肌肉组织负责运动；神经组织专门进行信息的传递与处理；还有起支撑、连接等作用的结缔组织。实际上，绝大多数高等动物的体内主要就是由上皮组织、结缔组织、肌肉组织和神经组织这四大类基本组织按不同方式、比例组合、构建出各类器官。比如我们的胃，胃壁内外都可以分辨出上皮、结缔、肌肉、神经等多种组织，但它们组合方式和厚度因器官而异，从而赋予各自特定的生理功能。

更令人生疑的是，相同类型的组织在不同生物之间的差别远远小于宏观生物体的差异。一只鸡和一条鱼如果整体形态差异极大，但把它们的肌肉组织拿到一起放在显微镜下，你很可能难以分辨哪份样本来自哪一种生物。一个简单的事实渐渐突出出来：生命的多样性很大程度上只是基本模块的不同组合。

细胞

如果把组织进一步放大，科学家们又发现了生命结构的新层级——细胞。每个组织都不是一块连续的实体，而是由成千上万个微小单元组成，这些单元被称为“细胞”。细胞的发现是现代生物学的一个重大转折点。

17世纪，英国科学家罗伯特·虎克用自己制作的显微镜观察软木的时候，第一次注意到软木被划分为许多蜂窝状的小室，他把这些小室形象地称作“细胞”（cell）。当时的软木细胞都是死细胞，内部空无一物，只留下细胞壁。但随着显微技术的发展，科学家们在活组织中发现，细胞并不是空的壳，而是内部充满了一种半透明、呈胶状的活性物质，它后来被称为“原生质”，即生命活动最原始、最根本的物质。

十九世纪中叶，“细胞学说”逐步建立。他们发现，无论是植物还是动物，实际上都是由细胞组成的。每个细胞都被一层细胞膜包裹，像一间小房子那样，里面充满着各种复杂“设施”。更惊人的是，细胞是可以独立存在且具有生命全部特征的最小单元。每个细胞都可以进行新陈代谢、能量转化、遗传信息传递等活动。不同的细胞协同合作，最终构成复杂的生命体。例如，一个人体内有大约37万亿个细胞，各司其职，共同保持着机体的正常运作。

单细胞生物

如果说多细胞生物把复杂的生命活动拆解到成千上万甚至亿万个细胞分工协作，那么地球上其实还有完全不同的生命体：它们用一个细胞就能完成全部生命活动。显微镜下，人们在水滴、泥土、腐叶残骸等处发现了微小的独立生物体——原生动物、细菌、酵母、绿藻等。这些单细胞生物就是最简单、最古老的生命模式。

仔细研究这些微观生物，可以发现它们不仅具备最低限度的结构：一层屏障（细胞膜）将它们与外界隔开，内部包含充满活性的原生质、遗传信息等，而且还能独立完成各种生命活动。就像大分工社会中的“全能工人”，单细胞生物可以进食、移动、感知光线、温度、化学物质，消化并利用能量，排泄废物，还能分裂繁殖后代。一个细胞就是一个生命体的全部！

原生动物属于单细胞生物家族中最为复杂的一支，例如草履虫拥有纤毛控制游动，变形虫能够变换体形“吞噬”食物。而许多细菌、酵母、藻类，在生态系统中同样扮演着重要角色。值得注意的是，单细胞生物往往体积较大、结构相对复杂，因为它们必须“一人分饰多角”；而多细胞生物内的细胞往往体积较小，是因为细胞间可以分工互补，不需要单打独斗。

上表展示了不同细胞的功能完整性，意思是它们能否独立完成“生命所需的各种功能”。单细胞生物当然需要几乎具备全部功能（如图所示高达95%），而多细胞生物的各种专职细胞各有分工，上皮细胞主要负责保护与吸收，肌肉细胞负责收缩运动，神经细胞负责感受和传递信息，每一个细胞只需要掌握少数基本技能，其余则由全体协作完成。

单细胞生物与多细胞生物的根本差异，不仅揭示了生命可以极度“简化”存活，也为我们理解生命的多样性、起源与进化提供了链路。无论独立生活还是协作分工，细胞始终是构建生命大厦的砖石和基石。

胚胎发育的秘密

从混沌到分化

谈及生命的诞生，人类在历史上曾怀有绚丽的幻想。古代科学家有时会在显微镜下声称看见精子里的“小人”或者卵子里有微型的“成人”，认为生命的全部结构被预先“打包”并缩微其中，这种看法叫做“预成论”。按照这一假设，成长的过程不过是把这个“微缩小人”逐步放大，直到变成新个体。

但当科学家持续观察植物和动物的生长过程时，发现事实远比想象更复杂、更奇妙。植物的胚芽、动物的受精卵在最初都是一团看不出分工、结构的细胞，无论怎么看都无法分辨哪个部分之后会发育成什么器官。只有在生长、分裂、发育的持续过程中，这团“原始泥团”才逐渐分化出形态、职能各异的结构，例如有一部分细胞会发展为叶片，有的变成茎秆；动物早期胚胎从一个细胞发展为成百上千个细胞后，才慢慢有了神经、肌肉、骨骼等各个初始结构。这一路径被称为“渐成论”（epigenesis）：生物的形态是在不断发展的过程中，一步步“创造”出来的。

科学家通过对不同生物胚胎的显微观察，证实了从无序、均一的状态逐步走向结构分化的共性。这种从混沌到分化、从简单到复杂的动态过程，是生命发育最根本的机制。

胚层与器官发育

研究更深入一步，科学家针对动物胚胎特别是哺乳动物做了详尽的分析。结果发现，生命的起点其实极其简单。无论多么复杂的动物，起始的时候都是一个名副其实的单细胞：卵细胞。受精时，单个精子与卵细胞融合，形成“受精卵”，仅仅是一个比针尖略大的球形细胞。但神奇的是，这个单细胞蕴含了建造整个新生命的信息和潜力。

受精卵通过持续分裂，很快成长为一个由许多相似小细胞组成的小球体——这个阶段被称为“胚泡”。更进一步，胚泡中的细胞开始出现分化，形成空间上的结构层次。这些层次也就是所谓“胚层”。对于各种脊椎动物，都存在三大基本胚层：

在早期胚胎各胚层间难以区分，貌似都差不多，但一旦特定基因被激活，不同胚层的细胞便依次朝着不同器官系统方向发育。外胚层的细胞将变成皮肤、神经、眼睛等体表及神经部分；中胚层发育成骨骼、肌肉、心脏、肾脏等内部支架及动力系统；内胚层则变成胃肠道、肺脏、内脏腺体等基础内脏。三大胚层像是三支生命之流，自共同的源头最终分野，塑造出一个完整生物体的器官、结构和层次。

上图示意了胚胎三大胚层随时间推移的分化曲线。可见，各条曲线的起点都在低位，说明最初并无显著差别，但发育后期差异拉大，显示生命的分工和复杂化正是在胚胎发育过程缓慢累积形成的。

生命发育的统一模式

胚胎学不仅为我们揭示了个体如何从无到有构建自身，更令人震惊的是，不同物种的胚胎发育模式却表现出高度一致性。科学家比较了鱼、蛙、鸟、鼠、牛、人的胚胎，发现它们早期阶段极其相似，甚至专家都难以区分哪一枚胚胎属于哪个种类。只有随着时间的推移，基因调控下某些结构特征才逐步分化开来。

更重要的是，许多动物胚胎在发育初期会短暂出现一些祖先进化阶段的痕迹。例如，所有脊椎动物的胚胎在一定时期都能观测到“脊索”结构——这是陆地动物祖先时期的特征，成年后脊索消失（被脊柱取代），但胚胎阶段依然会“重演”。一些胎儿还会暂时长出像鱼或者青蛙那样的鳃裂结构。著名生物学家海克尔曾提出“胚胎重复进化说”，虽然在细节上有争议，但总体思路是：胚胎发育过程有点像快速播放了生物历史的演化轨迹。很多祖先特征虽然在出生后消失，但在胚胎中保留了线索。

细致对比化合物、细胞、组织和胚胎的结构，我们开始明白生命其实并非由难以理解的神秘力量维系，而是遵循相同的物理和化学定律，通过最基本的“细胞”单位不断组成、分化、进化的系统工程。正是这套统一机制，创造了令人目不暇接的生命多样性，也让我们得以从科学角度真正理解生命的本质与演化规律，为探索自然界的奥秘打下坚实的基础。