細胞分化之謎
一顆植物種子，是怎樣分化出根、莖、葉來，長成一株具有特定外形的植物體的？一個高等動物的受精卵，是怎樣分化出四肢、眼、耳、鼻、腦來的？為什麼有時細胞還會發生癌變？細胞分化的機理問題，一直是生命科學中有待揭示的重大奧秘之一。
早在17和18世紀，生物學史上就出現過機械唯物論的“預成說”，認為胚胎發育是預先形成的微小動物的擴大。甚至說在精子或卵子中就存在著預先形成的完整的微小生物體。1759年，俄籍德裔生物學家沃爾弗（C．F．Wolff， 1733—1794）出版《發生的理論》一書，在實驗事實的基礎上提出胚胎發育的“漸成說”來反駁預成說，指出生物的組織和器官是在發育過程中逐漸形成的。
但是，真正開始細胞分化機理的科學探索，卻是20世紀的事。
一、遺傳物質的丟失？
小麥癭蚊（mayetiole clestructor）卵的後端含有一種特殊細胞質，叫做極細胞質。在極細胞質中的核，保持了全部40條染色體，但位於細胞質其餘區域的核，卻丟失了32條染色體，隻保留了8條。有全部40條染色體的細胞不久發育為生殖細胞，而隻有8條染色體的細胞繼續增殖，將來分化成各種體細胞。在尖眼蕈蚊屬中也發現了類似情況。在馬蛔蟲（parascaris eguo-rum）中受精卵中隻有兩條很大的“複合染色體”。在胚胎發育的一係列細胞分裂過程中，大部分細胞中複合染色體的末端部分丟失，並分散為許許多多小的染色體。這些細胞以後進一步分化為各種體細胞，而保留完整複合染色體的少數細胞則發育為生殖細胞。這些例子表明，遺傳物質的丟失是與細胞分化有關的。但丟失遺傳物質的現象僅發現於蕈蚊屬、癭蚊和馬蛔蟲等少數生物中，在生物界並沒有普遍性意義。
在社會性昆蟲（例如蜜蜂、螞蟻、白蟻等）的群體中，不同的個體往往分化成不同的類型。例如一個蜂群中就有蜂王、雄蜂和工蜂等不同類型。蜜蜂的性別分化也與細胞中遺傳物質的量的多少有關。雄蜂是由未受精卵發育而成的單倍體，遺傳物質隻有雌蜂（即蜂王）的一半。但蜂王和工蜂卻都是由受精卵發育而來，細胞中的遺傳物質完全相同，不同的隻是幼蟲期的食物。如果用蜂王漿喂養，則發育成蜂王；如果用普通蜂蜜喂養，則發育成工蜂。
絕大多數多細胞動物的細胞分化也像蜂王和工蜂的分化一樣，不是遺傳物質數量的改變，而可能是遺傳基因活性的變化。研究表明，細胞分化與基因調控有關，這在生物界是具有普遍性意義的。
二、基因調控與細胞分化
本世紀40年代末、50年代初，美國遺傳學家麥克林托克（B．McClintock）在玉米中發現轉座因子（transposition ele-ments），即某些遺傳基因可以從染色體的一個位置跳到另一位置，甚至從一條染色體跳到另一條染色體。玉米中這些跳動著的基因控製著籽粒中合成花青素的“顏色基因”的活性。這些控製因子跳動得如此之快，使得受它們控製的顏色基因時開時關，於是玉米籽粒上便出現了斑斑點點。由於顏色基因活性的改變而導致玉米組織細胞顏色的分化，這是科學史上關於細胞分化與基因調控有關的最早研究。麥克林托克由於發現轉座因子這項卓越的貢獻而在81歲的高齡榮獲1983年的諾貝爾生理學—醫學獎。
一個比較完整的基因調控學說，是1961年法國微生物遺傳學家莫諾（J．Monod）和雅可布（F．Jacob）首次提出操縱子模型而奠定的。他們在大腸杆菌中發現，β-半乳糖苷酶等與乳糖分解代謝有關的三種酶，編碼它們的遺傳基因可以受到調控。當培養基中存在乳糖（同時沒有葡萄糖）時，乳糖便可作為誘導物起作用，使上述有關的三個基因啟動，從而合成分解代謝乳糖的酶。當乳糖缺乏時，細菌就自動關閉有關的基因，不再產生β-半乳糖苷酶等，以避免浪費。
操縱子學說剛剛提出，就有人借用它來說明高等生物的細胞分化。事實上，大腸杆菌的乳糖操縱子本身就可以看作是一種細胞在時間上分化的模型。在有乳糖存在時，大腸杆菌的細胞便“分化”出產生β-半乳糖苷酶的特性來。經過若幹年之後，生物學界終於普遍接受了這樣一種概念：細胞分化是遺傳基因選擇性激活和（或）抑製的結果。