如果說人類“目光短淺”，似乎一點也不為過。鷹眼能在兩三千米的高空發現地麵上的小動物，蜂鳥能看到人類看不到的光，貓頭鷹的眼在夜晚能明察秋毫，鴿子可以分辨出數百萬種不同的色彩……而一個物體的尺寸小於0.1毫米，人類就察覺不到了。人對世界的認識受到了自身感官的限製。可因為好奇心的驅使，人類借助不斷完善的提高視力的工具，慢慢地看到了一個我們一直“視而不見”的世界。對於生命，我們不斷有著新的發現。
3.1生命的基本單位——細胞
顯微鏡的發明讓人類有機會細致入微地了解生命個體，發現了組成生命體的基本單位——細胞。
3.1.1細胞的發現——顯微鏡下的世界
顯微鏡的發明為我們打開了通往微觀世界的大門。最早的顯微鏡是單式顯微鏡，其實就是我們常見的放大鏡。遠在公元1世紀，就有古羅馬學者觀察到裝有水的水晶器皿可以將書本上的字母放大，據說古羅馬皇帝尼羅就喜歡在觀看比賽或表演時把翡翠或寶石放在眼前以便使自己看得更清楚。在13世紀的英國，有一位叫作格羅斯泰斯特的主教指導他的學生設計並製造出了最初的可以改進視力的眼鏡。那時候即使是最好的凸透鏡也隻能把物體放大20倍左右。一般認為在16世紀末才出現第一架真正意義上的顯微鏡，它是由一片凸透鏡和一片凹透鏡進行重疊組合而成的。與單式顯微鏡相對應的，我們把它稱為複式顯微鏡。與一般的發明不同，它們並不是誕生在某位偉大的科學家手中，而是與荷蘭眼鏡製作商密不可分，隻是當時工藝較粗糙，並沒有用於科學研究。
由於荷蘭眼鏡製作商的啟示，許多人開始自製顯微鏡，英國物理學家羅伯特·虎克便是第一個製作出高質量複式顯微鏡的人。1665年的一天，虎克正忙於如何闡明軟木輕而具有彈性和疏水性的特點。他從一塊櫟木的壺塞上切下一片光滑的薄片，然後放到他自製的顯微鏡下觀察，模模糊糊地看見了許多小的孔洞，於是他在白色的切片下方襯上一塊黑色木板，再將一個凸透鏡投射的光聚在上麵，便清楚地看見軟木薄片上布滿了像蜂窩一樣的小格子，就好像教士們居住的一個個封閉的小隔間一樣，於是便借用拉丁文cellar（小室）這個詞來形容他所觀察到的小格子，後來英文便使用cell一詞，中文翻譯為我們現在所熟知的“細胞”。
兩年後，羅伯特·虎克將自己在顯微鏡下的觀察結果整理成冊並出版，命名為《顯微圖譜》，這本書中包括58幅圖畫，在沒有照相機的情況下，這些圖畫全都是虎克用手繪製的顯微鏡下的景象。在這本書中，虎克第一次對他所發現的“細胞”進行了描述。事實上，當時虎克所觀察到的隻是死去的植物細胞的纖維質細胞壁，如果把細胞看作一個小隔間的話，虎克所觀察到的隻是這個小隔間的四堵牆。但是，我們仍然認為是羅伯特·虎克在1665年發現了細胞，沒有他也就不會有以後細胞學的發展。
同時期的荷蘭學者列文虎克也很擅長自製顯微鏡，在他的一生中，共磨製了400多個透鏡，其中的一個簡單的顯微鏡，其放大率就可以達到270倍之多。他對顯微鏡下的微觀世界興趣濃厚，並具有細致入微的觀察能力。在有一次“尋找辣椒中的辣成分”的實驗中，不知道列文虎克是有意的還是忘記了，竟然把一小片辣椒泡了三個星期，當列文虎克取出一滴浸泡出的液體在顯微鏡下進行觀察時，卻看到了許許多多在水裏忙忙碌碌跑來跑去的“小動物粒”。通過計算之後，他得出結論：一粒沙子大小的空間可以容得下一億個這樣的“小動物粒”。從他的這句話中，我們不僅可以看出列文虎克懂得體積的計算方法以及簡單的乘除法，而且可以推斷他看到的就是細菌。除此之外，列文虎克還把他的觀察對象拓展到了動植物、礦物、唾液、火藥等，這使他成為第一個用放大鏡看到細菌和原生動物的人，也是第一個看到活細胞的人。
來自荷蘭代爾夫特市的一個釀酒工人家庭的列文虎克沒有接受過正規的教育，也缺乏係統的科學訓練，這使得他所描述的內容局限於觀察到的一些事實，而沒能上升到理論高度，但他對顯微鏡下微觀世界的細致觀察和精確描述對細胞學的發現和發展起到了奠基作用。
1671年，意大利的生理學家馬爾皮基和英國的植物學家格魯注意到了植物活細胞中存在著黏稠的物質，並把它稱為“黏質”，也就是我們現在認識的細胞質，但並不知道這就是細胞的主要成分。1831年，英國植物學家羅伯特·布朗使用一台放大倍數約為300的顯微鏡觀察從澳大利亞收集來的蘭科植物葉片時，發現植物活細胞內有一個結構是由特別稠密的物質構成的，稱之為“細胞核”，並認為細胞核是細胞的組成成分，這一發現也為細胞學說的創立做出了一定的貢獻。這個時候已經有人注意到植物和動物在結構上存在著某種一致性，它們都是由細胞組成的，而且對單細胞生物的構造和生活也有了一定的認識。此後對細胞的觀察資料雖然不斷增加，但在很長一段時間裏，對細胞的認識及細胞與機體的關係沒有得到科學的概括，也沒有上升到具有普遍指導意義的理論高度，直到1838～1839年施萊登和施旺提出細胞學說。
3.1.2細胞學說
正如牛頓所說的：如果說我比別人看得更遠些，那是因為我站在了巨人的肩膀上。許多科學理論的提出都是建立在前人的觀察和發現之上的，細胞學說也不例外，正是有了前人對細胞的大量的觀察資料，才促使了施萊登與施旺在1838～1839年提出細胞學說。
施萊登1804年出生於德國漢堡的一個醫生家庭，他大學時主修法律學並取得了博士學位，畢業後在他的家鄉當了幾年律師，也許是當年律師行業競爭太激烈或者太不景氣，施萊登的律師生涯十分失敗，有一天竟用槍對準了自己的額頭。被救了過來的施萊登再也不願意踏進律師事務所半步，在1833年他將自己的精神寄托轉向自然科學並在1835年進入柏林大學學習植物學。機緣巧合，他遇見了逗留在德國的布朗，也就是發現植物細胞中細胞核的英國植物學家。布朗和施萊登的叔父是好朋友，所以很關心施萊登。布朗向施萊登講解了自己發現的細胞核，並希望施萊登能進行植物細胞學的研究，這對施萊登此後的研究方向起到了決定性的影響，他開始癡迷於用顯微鏡觀察植物的結構組織。1838年，施萊登根據自己的觀察結果結合前人的思考，得出了以下結論：任何植物體，無論是簡單還是複雜，無論是高等還是低等，其基本組成單位都是細胞，最簡單的植物可以由一個細胞組成，而高等植物則是由各種形態不同、功能各異的細胞組成的集合體。施萊登將他的這些觀點整理出來發表了一篇名為《植物發生論》的文章，這也是細胞學說即將被提出的前奏。
僅僅有了對植物的研究還不足以概括細胞在整個生物界的作用，上帝也沒有讓施萊登孤獨。在一次偶然的聚會中，施萊登遇見了小自己六歲的施旺。施旺是柏林大學的醫學博士，據施旺後來回憶說：“那一天，我和施萊登一起用餐時，這位著名的植物學家向我描述，在植物細胞的發生中細胞核起著很重要的作用。我馬上想起自己曾在脊索細胞中看見過同樣的‘器官’。也就是在這一瞬間，我想到如果我能夠證明脊索細胞中的細胞核在動物細胞發生中的作用與植物細胞核在植物細胞的發生中的作用相同的話，這將是個極為重要的發現。”從聚會回來之後，施旺沒有耽擱，立即就開始著手證明動物細胞中細胞核的存在。在當時，觀察動物細胞的結構要比植物細胞困難許多，因為有些動物細胞非常小，而且通常是透明的。盡管如此，得益於新引進的消色差顯微鏡的幫助，他成功地證明了在眾多動物的細胞中，都存在著細胞核的身影。1839年，施旺發表了《動植物的結構和生長一致性的顯微研究》的論文，指出了動物體和植物體一樣，都是細胞的集合體。
於是，施萊登和施旺共同提出了具有重大意義的細胞學說。其主要內容是：一切動物和植物都是由細胞組成的，細胞是一切動植物體的基本單位；各種細胞組成有機體，就好像一座座房子組成一個城市，細胞作為一個獨立的單位，既有它自己的“生命”，又和其他細胞一起協調有序地組成整個生命體；新的細胞是由已存在的細胞繁殖產生的。細胞學說是人們第一次對細胞進行理論性的概括，它對細胞及其功能有了一個明確的定義，闡明了植物和動物具有同樣的生命本質，讓人們在更準確的層麵上認識了生物界。恩格斯把細胞學說、能量轉化與守恒定律和達爾文的進化論放在一起，稱為19世紀自然科學的“三大發現”。
細胞學說一經提出，迅速推廣到許多領域的研究，這一學說在提出初期所存在的許多紕漏也得到了修正與充實，如施萊登曾經認為，細胞的繁殖是老細胞的細胞核不斷增大，直到某一最大尺寸，在細胞核周圍就會出現一個細微的透明泡囊，也就是新細胞的雛形，然後老細胞崩解，將新細胞釋放出來。這種看法到1840年即被一係列學者的研究所修正，認識到細胞的繁殖是通過某種形式的分裂完成的，尤其是德國醫生和病理學家魏爾肖於1858年指出，“細胞隻能來自細胞”，“正如動物隻能來源動物，植物隻能來源於植物一樣”。此外，他還提出機體之所以會生病都是基於細胞的損傷。魏爾肖關於細胞來自細胞的觀點，進一步指明了細胞作為一個相對獨立的生命活動基本單位的性質，通常被認為是對細胞學說的重要補充。因此，有些人認為細胞學說應該是在1858年才最後完成的。
現在的細胞學說通常被認為包括以下內容：
1）細胞是有機體，一切動植物都是由單細胞發育而來，即生物是由細胞和細胞的產物所構成。
2）所有細胞在結構和組成上基本相似。
3）新細胞是由已存在的細胞分裂而來。
4）生物的疾病是因為其細胞機能失常。
5）細胞是生物體結構和功能的基本單位。
6）生物體是通過細胞的活動來反映其功能的。
7）細胞是一個相對獨立的單位，既有它自己的生命，又對與其他細胞共同組成的整體的生命起作用。
8）新的細胞可以由老的細胞產生。
3.1.3走近細胞
從簡單的放大鏡到現在精細的電子顯微鏡，細胞已經漸漸被我們揭開它神秘的麵紗。曆數前人對細胞的概念的理解，大致有以下幾種：細胞是有機體形態結構的基本單位；細胞是形態與生理的基本單位；細胞是組成有機體的結構與功能的單位等。這些說法就好像幾個盲人一起摸大象一樣，從各個角度對細胞的描述。將各位“盲人”的描述綜合起來，現在我們的普遍理解是：細胞是生命活動的基本單位。那些很少有機會接觸顯微鏡的人，也許會問：細胞小得看不見摸不著，它在生命活動當中是如何發揮著重要而基礎的作用的？
世界上所有生命的基本組成單位都是細胞，隻有病毒是非細胞形態的生命體，但是病毒必須寄居在活細胞中才能表現出生命的特征，所以我們仍然可以認為一切有機體都是由細胞組成的。單細胞生物僅僅由一個細胞組成；對於多細胞生物，根據其複雜程度的差異，可以由數百乃至上億的細胞構成。據統計，一個成年人的身體大概由1014個細胞構成，在一滴血液中就有大約2億個紅細胞。我們可以看到植物的根、枝幹、葉和花具有不同的形態，也可以看到我們的頭發、皮膚、血液有很大的不同，自然可以聯想到組成它們的細胞也是不相同的。事實確實如此，對人類來說，雖然整個人體都是由一個卵細胞發育而來，但人體內有200多種不同類型的細胞，根據分化程度又可分為600多種，這麼多種細胞各有分工，互相協作組成了我們的身體。
細胞在執行代謝與功能時是相互獨立而有序的。將細胞放在試管中培養，隻要我們給予它足夠的條件，它就會產生相應的產物，細胞在生命體中的情況則完全不同，這時候細胞就好像具備著最嚴密的邏輯，什麼時候該幹什麼，不該幹什麼，全部都是嚴格有序的。雖然我們現在的認識還不足以解釋這一現象，但我們完全可以相信即使是最簡單的一個細胞，也比現在設計出的任何計算機控製的智能機都要精巧。
一粒種子之所以會萌發長成參天大樹，我們之所以會從一個孩子慢慢長大，這都與細胞的分裂和分化分不開。最開始的一粒細胞，經過細胞分裂，細胞體積的增長，細胞分化成各種組織和器官，細胞衰老與凋亡完成整個生命曆程。即使這一切的發生機製仍像水中月、霧中花一樣朦朦朧朧，細胞作為有機體生長和發育的基礎的結論是毋庸置疑的。
從植物體的任意組織處取一個細胞，可以是根，可以是葉，放在合適的條件下培養，我們會發現這一個細胞竟然可以成長為一株完整的植物！從動物組織中分散出的單個細胞雖然不能像植物細胞那樣被誘導分化為完整個體，卻也可以在體外生長增殖。這是因為，在任意一個細胞中，都含有全部的遺傳信息，細胞作為構成有機體的小小單位，卻同時也是一個小小的王國，它可以作為獨立的生命單位。近年來，哺乳動物的體細胞克隆實驗將細胞全能性的研究推向新的高潮。可以概括地說，細胞是遺傳的基本單位，具有遺傳的全能性，即每一個細胞都有發育為完整個體的潛力。
細胞作為一個生命單位，它的完整性不容破壞，沒有細胞就沒有完整的生命。任何細胞結構，一旦從細胞中分離出來，即使是保存完整的細胞核或者同樣含有遺傳物質的線粒體和葉綠體，也不能在體外培養持續生存，作為生命的單位存在。即使是病毒，雖然它們是非細胞形態的生命體，但是如果它們不能寄生在細胞內就無法進行繁殖和遺傳，也就不能表現出生命的特征。
3.1.4細胞的分類
所謂物以類聚，人以群分，細胞的種類如此之多簡直可以說是浩如煙海，要研究細胞自然要將細胞進行分類。科學家將細胞分為原核細胞和真核細胞兩大類，是根據細胞的進化地位、結構複雜程度、遺傳方式和主要生命活動方式進行劃分的。
（1）細胞元老——原核細胞
原核細胞，顧名思義，因細胞中沒有典型的核結構而得名。幾乎所有的原核生物都是由單個的原核細胞組成的。從細胞的本義——小隔間——來講，原核細胞就好像原始人居住的洞窟一樣，雖能遮風擋雨卻沒什麼像樣的家具，最多也不過是些石碗石凳，原核細胞結構簡單到它的遺傳信息僅僅承載在一個環狀DNA上，也沒有形成以膜為基礎的具有各項結構功能的細胞器和細胞核。顯然，原核細胞在這個世界上應該比真核細胞出現得早，進化程度也沒有真核細胞高。原核細胞的分布之廣、適應性之強，超出我們的想象。它們可以附著在空氣中的微塵上隨風起舞，也可以在水中恣意遊泳，甚至分布在我們的口腔、腸道裏。
在眾多的原核細胞裏，有三位“代表人物”我們不得不提，它們分別是支原體、細菌和藍藻。
1）簡潔之美——支原體。我們已經知道原核細胞比真核細胞簡單，那在原核細胞裏最簡單的又是哪一種呢？支原體以它的“精簡節約”，除了細胞必備的結構之外一概不留的“勇敢”摘得了這項殊榮。從我們常常聽到的“支原體感染”可推測出來，支原體有很多是致病的。支原體是目前發現的體積最小、結構最簡單的細胞，在環狀的DNA分子上僅有482個基因，指導合成700多種蛋白質，這也許是細胞生存所必需的最少數量的蛋白質了。
支原體作為整個原核生物王國中最迷你的居民，自然有些自己的特色：支原體沒有束縛它外形的細胞壁，它的形態可以隨意變化；支原體的環狀DNA分子較為均勻地分布在整個細胞內，沒有像細胞那樣的核區；核糖體作為蛋白質合成的“機器”是支原體在電子顯微鏡下唯一可見的細胞內結構；支原體內現已發現的酶有40多種，其中包含葡萄糖轉換成丙酮酸的一整套酶係，這也是支原體“吃飯消化”的必備工具，支原體雖然簡單卻也懂得“人是鐵，飯是鋼”的道理。
2）以多取勝——細菌。小時候媽媽一定這樣告訴過我們：“吃飯前一定要洗手，要不手上有細菌，會讓人拉肚子的呀！”於是我們會認為細菌都是壞的，對我們的健康都是有害的。其實，就像人有好有壞一樣，細菌也分為有益菌和有害菌。細菌在自然界中是分布最廣、數量最多，和我們人類關係極為密切的原核生物。
有益菌在很多方麵都為我們提供著便利。在農業上，與豆科植物共生的根瘤菌生長在大豆的根瘤中，它可以將空氣中的氮固定為氮化物供給植物，所以大豆中才會含有豐富的蛋白質。在工業上，我們所熟悉的酸奶、醋等都是由細菌發酵作用製得的。在醫藥上，一些致病菌經處理喪失毒性後可作為疫苗注射到人體中，防止疾病的發生。自然界存在著大量的腐生細菌，它們和腐生真菌一起把動植物的屍體和排泄物分解為簡單物質以完成自然界的物質循環。
但是我們不能放鬆對有害菌的警惕，它們時刻覬覦著我們，蠢蠢欲動。很多疾病如痢疾、傷寒、鼠疫、霍亂都是由病原菌侵入我們人體引起的。食用了放置時間過長的食物，由於腐生細菌的存在，會導致食物中毒。所以媽媽們都是明智的，對她們的健康小提示可千萬不能置之不理。
細菌體積極小，大多“身不由己”，隻能借助外力四處遊蕩，也有一些細菌長有鞭毛，就像小尾巴一樣左右擺動，細菌便可以遊起“泳”來。細菌細胞有棒形、球形、弧形或者螺旋形的，它們的形狀通常由細胞外沉積物（如細胞壁）決定。有的細菌除了細胞質、細胞膜、細胞壁之外，還會給自己加上一層厚厚的外衣——莢膜。莢膜是存在於細胞壁外的一層鬆散的黏液物質，它既可以作為細菌的養料儲備庫，也可以像盔甲一樣保護細胞。某些細菌在遇到惡劣環境，或者營養耗盡時，就會形成內生孢子，又稱芽孢，這是一種具有很強抵抗力的休眠體。一旦環境變得適宜，芽孢又會重新萌發，形成一個有活力的細菌。