细胞的全能性，本文主要内容关键词为：全能性论文,细胞论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
细胞的全能性是高考复习的难点之一。为了突破这一难点，现对这一问题探讨如下：
一、细胞全能性的概念
1902年，德国植物学家哈勃兰特(Haberlandt)指出，植物的体细胞含有母细胞的全部遗传信息，具有发育成完整植株个体的潜能。因而每个植物细胞都像胚胎一样，经离体培养能再生出完整植株。哈勃兰特提出植物体细胞的全能性理论后，细胞全能性的研究逐渐成了生物学研究领域的热点。
细胞全能性是指细胞经分裂和分化后，在一定的条件下，能表现出胚细胞中每个基因的潜在能力，具有发育成一个完整个体的潜能。从理论上讲，生物体的每一个细胞都包含有该物种所特有的全套遗传物质(全部基因)，每一个活细胞都应该具有全能性。
二、细胞全能性的体现
1.植物细胞
(1)植物体细胞
1958年美国科学家斯图沃德(Steward)在人工条件下用胡萝卜根部的细胞培养出了新植物，证明了植物体细胞的全能性。这一事实说明高度分化的植物细胞仍保持着全能性。在农业实践中广泛应用的营养体繁殖法就是利用了植物的这个特性。
(2)花粉粒
应用植物的组织培养技术，把发育到一定阶段的花粉粒，通过无菌操作技术，接种在人工培养基上，以改变花粉粒的发育程度。通过培养使它离开正常的发育途径(即形成成熟花粉，最后产生精子的途径)，经诱导而脱分化，恢复其潜在的全能性，转变为分生细胞，进一步长成单倍体。
(3)卵细胞
在自然界中就有一些植物是单倍体。例如，藻菌植物的菌丝体时期；苔藓植物的配子体世代的植物体；自然条件下，玉米、普通小麦、水稻、烟草等作物中，偶尔也会出现单倍体植物等，这些都是由未受精的卵细胞直接发育而成的。
(4)受精卵
受精卵虽然是未经分裂和分化的细胞，但它是个体发育的起点，在自然条件下，通过细胞的分裂和分化形成完整的个体，所以是具有最高全能性的细胞。
植物细胞的全能性为组织培养奠定了理论基础。由于组织培养可用于研究外植体(即被培养的部分)在不受植物体其它部分干扰下的生长和分化规律，并且能解决许多理论上和生产上的实际问题。因此在试管苗的大量繁殖、作物品种改良、次生物质的大量生产等方面已广泛应用，有些领域已形成新的产业。
2.动物细胞
在植物细胞的全能性得到证实后，人们自然而然的想到了动物细胞的全能性。1997年克隆羊多莉的出现标志动物细胞全能性的突破。全能性在动物方面的体现不如植物那样的普通和明显。动物细胞的全能性随着细胞分化程度的提高而逐渐受到限制，分化潜能变窄，这是指整体细胞而言。全能性在动物细胞中的体现有：
(1)卵细胞
如工蜂、雄蚁、夏季孤雌生殖的蚜虫等，都是由未受精的卵细胞发育而成的个体，都属于单倍体。还有鱼类和两栖类单性生殖的事实，即由一个未受精的卵细胞可以在人工刺激下发育为一个个体，足以证明卵细胞全能性的存在。
(2)受精卵
动物的受精卵也是个体发育的起点，在自然条件下，通过细胞的分裂和分化形成完整的个体，所以也是具有最高全能性的细胞。
(3)胚胎干细胞
胚胎干细胞是在人体胚胎发育早期——囊胚(受精后约5～7天)中未分化的细胞。它具有与早期胚胎细胞相似的形态特征和很强的分化能力，可以无限增殖并分化成为全身200多种细胞类型，从而可以进一步形成机体的任何组织或器官，具有形成完整个体的分化潜能。胚胎干细胞是具有全能性的细胞。一般情况下，在整个发育过程中，细胞分化潜能逐渐受到限制而变窄，即由全能性细胞转化为多能和单能干细胞，而失去发育成完整个体的能力。
2004年11月，干细胞研究成了一个惊动美国大选的话题。雪莉？蒂尔曼，美国普林斯顿大学的第一位女校长，人类基因图谱破译的功臣，她是当今世界顶尖行列中的生物学家，也是让干细胞研究与总统竞选联系在一起的风云人物。她作为全球顶尖的分子生物学家曾告诉世界：“干细胞研究前景远大，尤其是针对那些我们现在还医治不了的疾病。”当前，科学家们正试图利用胚胎干细胞的“可塑性”来治疗任何因物理、化学或生物学因素等造成的细胞损伤或病变引起的疾病。假如有人患有糖尿病、严重的心力衰竭或其他疾病，只要从他身上任何部位取下一些体细胞，将体细胞的细胞核显微注射到去核的人卵细胞中，这种包含与病人完全相同的遗传物质的杂合卵细胞在体外培养发育成囊胚，从中分离出“胚胎干细胞”，体外诱导分化成胰岛细胞、心肌细胞等，将这些细胞移植到发病部位，就能修复提供体细胞的病人的组织或器官，使病人免受病魔的煎熬。由于移植细胞与病人的基因完全相同，不会产生排斥反应，同时还使得可供移植的组织或器官有了良好的、充分的来源。目前，干细胞研究已经能治愈瘫痪的动物，干细胞被一些人称为医学界的未来。干细胞研究让许多人看到了未来，这项研究的成功将大大提高人的健康质量，尤其给那些绝症患者带来了希望。
(4)体细胞核
高度特化的动物细胞，从整个细胞来说，它的细胞全能性受到限制。但是，它的细胞核仍然保持着全能性，这是因为细胞核内含有保持物种遗传性所需的全套基因，而且并没有因细胞分化而丢失基因。1997年克隆羊多莉的出现，证明了高等动物体细胞的细胞核具有发育全能性。体细胞克隆动物的成功表明，尽管体细胞的分化程度高，但是以受精卵或卵细胞为受体，通过核移植后对体细胞核的重新编程，依然能发育成一个完整的个体。也就是说，高等动物体细胞的细胞核具有发育的全能性，只是可塑性很低，必须在适当的条件下才表现出来。
(5)低等动物体细胞
低等的动物体细胞具有发育成完整个体的全能性。如海鞘的一个血细胞就可产生一个完整的个体；水螅身体的一部分就能重新生成一个完整的个体。
高等动物的体细胞是否具有全能性呢？《西游记》里孙悟空拔下一根毫毛吹一口气就变成一群猴子……这是基于孙悟空的每根毫毛都有发育成完整猴子的潜在能力的设想。我国学者张颖清1985年在其全息理论中指出哺乳动物的体细胞具有发育全能性。但在高等动物体细胞离体培养中，至今尚未发现一个已分化的动物细胞，经离体培养后再生成一个完整的小动物。例如，小白鼠的神经细胞，无论进行多长时间的离体培养，总是长成神经细胞，不会分化出其他组织的细胞，更不会分化出一只小白鼠。这不仅显示高等动物细胞分化的复杂性，而且也说明卵细胞的细胞质对细胞分化的重要作用。
三、细胞全能性的原因
动、植物体细胞都是由受精卵的有丝分裂形成的，都含有发育成完整个体所必需的全部基因，都有一定的细胞质环境，理论上讲都应该具有全能性。但动、植物体内细胞并没有表现出全能性，这是因为它们在分化过程中基因在不同细胞里选择性表达的结果。由于基因的选择性表达，从而控制了分化过程的各个环节，使动、植物细胞在分化过程中合成了某些特异蛋白质、各种酶和蛋白质激素等，形成了所在的具体器官或组织环境。在这种特定的情况下，仅表现出一定的形态和局部功能而已。而这些细胞的遗传潜力并没有丧失，全部信息仍保留在每一细胞的遗传物质中。分化的细胞尽管具有全能性，但要表达必须在一定条件下离体培养。当其离开母体，成为游离状态，给予合适的营养和适宜的外界环境条件，使其激活、激化、分裂，这样，细胞经过分化又恢复了遗传的全能性，起到类似受精卵的发育功能，从而发育成一个完整的生物体。
植物花粉粒、卵细胞和动物的卵细胞，都具有体细胞一半的染色体，为什么能在一定的环境条件下发育成一个完整的生物体呢？这一事实说明，具备一个完整的染色体组是细胞全能性的内因。因为一个染色体组中的染色体携带着控制一种生物生长发育、遗传和变异的全部信息。因此，在有关基因组的测定中，一般只测定一个染色体组的基因序列。人类每个染色体组只有23条染色体，但1990年启动的国际人类基因组计划中，要测定24条染色体的基因序列，这是由于人类是XY型性别决定，X和Y染色体的基因序列不同，所以除了测定一个染色体组中的22条常染色体外，还包括X、Y染色体的基因序列。植物的花粉粒、卵细胞和动物的卵细胞，虽只有体细胞一半的染色体，但至少都具有一套完整的基因，所以，只要脱离母体、环境条件适宜，就有可能表现出全能性。