地球上的生物看上去千差萬別。從螞蟻到青蛙，從蚯蚓到鱷魚，從蝴蝶到斑馬，從海藻到玫瑰，不僅大小懸殊，模樣也大不相同。但是從分子水平看，它們又是高度一致的。除了一些病毒以外（如果認(rèn)為病毒也是生物的話），地球上所有的生物都用脫氧核糖核酸（DNA）作為遺傳物質(zhì)；用同樣的四種核苷酸來“編寫”生命的“密碼”；用同樣的20種氨基酸來組成蛋白質(zhì)；都用磷脂來構(gòu)建生物膜。也就是說，所有這些生物身體構(gòu)造的“基本零件”都是相同的（見我在這個專欄里面的另一篇文章，《我們能請外星人吃飯嗎？》）。
地球上的生物還有另外一個共同點(diǎn)，就是除了病毒以外，它們都是由細(xì)胞組成的。許多微生物只由一個細(xì)胞組成，叫單細(xì)胞生物。更多的生物由多個細(xì)胞組成，叫多細(xì)胞生物。比如人就是多細(xì)胞生物，身體由大約60萬億個不同類型的細(xì)胞所組成。
生物的身體可以很大。比如美洲紅杉可以長到100多米高，在地面處的周長可以達(dá)到31米，要十幾個人手牽手才圍得過來。藍(lán)鯨可以有33米長，180多噸重。但是細(xì)胞卻很小，從細(xì)菌的幾個微米到“真核細(xì)胞”（具有細(xì)胞核的細(xì)胞）的幾十個微米。在絕大多數(shù)情況下，人的肉眼是看不見它們的。所以在人類幾千年的文明史中，都不知道細(xì)胞的存在。在許多人的眼中，跳蚤螞蟻就是很小的生物了，難以想象在小得眼睛都看不見的尺度上還會有生命，那“胳膊腿”得多小啊！
到了17世紀(jì)中期，英國的物理學(xué)家虎克用他自制的顯微鏡觀察軟木的薄片，發(fā)現(xiàn)里面密集地排列著許多小孔。他把這些小孔叫做“小室”（和后來英文的“細(xì)胞”是一個詞）。盡管他看到的只是已經(jīng)死亡的細(xì)胞的細(xì)胞壁，但是也開始發(fā)現(xiàn)植物組織是由很小的單位組成的。與虎克同時代的荷蘭科學(xué)家列文虎克，制作了放大倍數(shù)更高的顯微鏡（現(xiàn)存的他制作的顯微鏡可以放大275倍）。用這些顯微鏡，他在取自池塘的水中觀察到了各式各樣的微生物。這使得人們大吃一驚，原來在這么小的尺度上還可以有獨(dú)立的生命。列文虎克還觀察到了動物的紅血球和精子，這些都是實(shí)際觀察到的來自動物身體的活細(xì)胞。
細(xì)胞學(xué)說的建立，要到1837年德國的生理學(xué)家施萬和德國的植物學(xué)家施萊登在一起吃晚飯時的一次談話。施萬研究動物組織的構(gòu)造，發(fā)現(xiàn)了包裹神經(jīng)纖維的“施萬細(xì)胞”。而施萊登則研究植物組織的構(gòu)造。他們的交談使他們意識到，啊，原來在動物和植物身體里面都能看見細(xì)胞，說明生物體都是由細(xì)胞組成的。這個想法經(jīng)過后人的發(fā)展完善，成為生物學(xué)上的“細(xì)胞學(xué)說”。
細(xì)胞學(xué)說認(rèn)為，（地球上）所有的生物都是由（一個或多個）細(xì)胞組成的；細(xì)胞是所有生命形式最基本的結(jié)構(gòu)和功能單位；而且所有的新細(xì)胞都從已有的細(xì)胞分裂而來。這個學(xué)說把對生物體結(jié)構(gòu)和功能的研究放到了堅實(shí)的基礎(chǔ)上，是十九世紀(jì)最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，其意義不亞于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的原子分子理論。
細(xì)胞學(xué)說陳述的是事實(shí)，所以大家都能接受。但是如果我們問一句，為什么地球上的生物體都是由細(xì)胞組成的？為什么沒有看見不分成細(xì)胞的大型生物？答案就不是那么容易得出的了。 要回答這個問題，我們首先要弄清楚為什么細(xì)胞是那么小，一般在微米的范圍內(nèi)。原因主要有兩個，一個是幾何上的，另一個是物理上的。
幾何上的原因就是，一個物體變大時，表面積是按線度的平方關(guān)系增加的，而體積（也就是重量）卻按線度的立方關(guān)系增加（見我在這個專欄里的另一篇文章，《人能不能微縮？》）。體積越大，單位體積所擁有的表面積就越小。細(xì)碎的白砂糖在水里溶解得比較快，但是如果把這些白砂糖變成一塊冰糖，在水中溶解就慢多了，因?yàn)樘堑目偙砻娣e（也就是糖與水接觸的面積）變小了。細(xì)胞也是一樣。細(xì)胞的體積越大，單位體積擁有的表面積就越小。而細(xì)胞要維持生命，必須和外界不斷地進(jìn)行物質(zhì)交換，而這這種交換只能通過細(xì)胞表面來進(jìn)行。細(xì)胞越大，相對的表面積越小，到一定程度就不能維持細(xì)胞的生理需要。只有細(xì)胞的尺度在微米級，相對的表面積才能滿足物質(zhì)交換的需要。
如果人是由一個細(xì)胞組成的，總的表面積（也就是皮膚的總面積）只有兩平方米左右。這樣小的面積是不足以進(jìn)行氣體交換的（如果氣體交是通過體表進(jìn)行的話）。我們的肺臟由大量的肺泡組成，總面積有70平方米左右，接近半個網(wǎng)球場的大小，這才能滿足人體吸入氧氣，排出二氧化碳的需要。同理，我們身體所需要的營養(yǎng)物質(zhì)不是通過體表的皮膚來吸收的，而主要是通過小腸。小腸壁不僅形成了許多皺褶來增大面積，腸壁細(xì)胞上還長出大量的絨毛來進(jìn)一步增進(jìn)表面積，使得小腸吸收養(yǎng)料的總面積達(dá)到200平方米左右。肺泡和小腸都是和身體的外部相通的，所以人體是由這些通進(jìn)身體里的，巨大的“內(nèi)表面”來和外界交換物質(zhì)。而這樣大的“內(nèi)表面”是單個細(xì)胞難以擁有的。
物理上的原因是分子在水里向一個方向移動的速度很慢。我們都有這樣的經(jīng)驗(yàn)，放一勺糖到水里，如果不攪動，過了很長時間上層的水仍然沒有什么甜味，盡管在水底部的糖已經(jīng)完全溶化。細(xì)胞所需要的物質(zhì)（比如氧氣和葡萄糖），就算是它們的分子進(jìn)入細(xì)胞了，這些分子移動的速度也很慢，因?yàn)樗鼈円图?xì)胞內(nèi)的水分子及其它分子不斷地碰撞。這就像一個人在街上走路，如果街上沒有什么行人，你可以很快地從街的一頭走到另一頭。但是如果街上擠滿了人，你走到另一頭就要花很多時間。細(xì)胞里是充滿了水溶液的，相當(dāng)于擠滿了人。如果細(xì)胞太大，這些分子從細(xì)胞表面走到細(xì)胞里需要它們的地方（比如細(xì)胞的“動力工廠”，一種叫“線粒體”的細(xì)胞器）就要花太長的時間，相當(dāng)于工廠的原料和燃料供應(yīng)不足，細(xì)胞的生命活動就不能維持了。
明白了這兩個原因，就不難理解為什么我們看不見單個細(xì)胞的大動物了，因?yàn)槟窍喈?dāng)于一個大細(xì)胞，難以有效地和外界進(jìn)行物質(zhì)交換。地球上的單細(xì)胞生物是很“聰明”的，它們一般不朝著巨大細(xì)胞的方向走，而是先聚合在一起，形成群體。比如團(tuán)藻，就是由幾千個到幾萬個衣藻類細(xì)胞連成的一個單層細(xì)胞的球形空腔。每個細(xì)胞仍然很小，但是團(tuán)藻卻可以大到一兩個毫米。身體一大，就不容易被其它動物吃掉了，而且上萬個細(xì)胞長出的鞭毛一起劃動，運(yùn)動起來也更有效率。團(tuán)藻還進(jìn)行了細(xì)胞分化，由一些細(xì)胞專管繁殖。這些進(jìn)步就使團(tuán)藻比單個細(xì)胞有優(yōu)勢了。
細(xì)胞之間的分化可以形成更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。比如水螅，它的身體是由兩層細(xì)胞組成的一根空管，一端是“口”，周圍長著幾根“觸手”，可以用來捕食。另一端是堵住的，下有“基盤”，可以附著在水草的枝葉上。里面的空腔可以用來消化食物，殘渣也由“口”排出，所以“口”同時也是“肛門”。它既可以用出芽的方式進(jìn)行無性繁殖，也可以長出“精巢”和“卵巢”，進(jìn)行有性繁殖。
沿著這樣的聚集——分化的途徑，單細(xì)胞生物在一起就可以形成越來越復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。盡管生物體的總尺寸可以越來越大，但是每個細(xì)胞還是在微米水平。大的動物身體里面還發(fā)展出巨大的“內(nèi)表面”（比如人的肺泡和小腸絨毛）來和外界進(jìn)行物質(zhì)交換，并且通過循環(huán)系統(tǒng)把氧氣和養(yǎng)料“送”到每個細(xì)胞面前，又把細(xì)胞產(chǎn)生的廢物帶走（植物細(xì)胞消耗的能量比動物少得多，所以用葉片來擴(kuò)大表面積和用脈管系統(tǒng)來輸送物質(zhì)就可以滿足各種細(xì)胞的需要）。不同類型的細(xì)胞分工合作，形成高度復(fù)雜的有機(jī)體，看來這是生物進(jìn)化更有效的途徑，也是地球上的絕大多數(shù)比較大的生物都是多細(xì)胞生物的原因。
但是另一條途徑，即細(xì)胞自己變大變復(fù)雜，也并非完全不可能。比如變形蟲和草履蟲，它們就是單細(xì)胞動物里面的“巨人”。草履蟲雖然只有一個細(xì)胞，但是它的長度可達(dá)到200至300微米，可以吃大小只有一兩個微米的細(xì)菌。它有“口溝”用來吃東西，相當(dāng)于人的嘴和食道；有“食物泡”來消化食物，相當(dāng)于人的胃；有“伸縮泡”和收集管來收集和排出廢物，相當(dāng)于人的腎臟、膀胱、和尿道；它還有纖毛，用來游泳，像人的四肢。食物泡的運(yùn)動和伸縮泡的收縮還可以起到“攪拌”的作用，加速細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的流動。
能不能把草履蟲這樣的原生動物進(jìn)一步“放大”，進(jìn)化成體型更大的生物體呢？也就是說，不走多細(xì)胞生物這條路呢？比如用伸出的突起和通向內(nèi)部的管道系統(tǒng)來擴(kuò)大表面積，在細(xì)胞內(nèi)建一個專門的“攪拌機(jī)”來加速物質(zhì)循環(huán)，等等。但是這些非細(xì)胞的大型結(jié)構(gòu)在實(shí)際上建得成建不成還很難說。
就算這樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)建得成，在地球上，這樣的單細(xì)胞大生物卻很少有生存的機(jī)會。因?yàn)榈厍蛏铣錆M了多細(xì)胞生物，而多細(xì)胞生物是高度有效，競爭力很強(qiáng)的。走另外一條路的單細(xì)胞大生物在多細(xì)胞生物的競爭面前，會很快被淘汰，只有在多細(xì)胞生物難以達(dá)到的地方，巨大的單細(xì)胞生物才有可能發(fā)展出來。比如在深達(dá)1萬多米的瑪利亞納海溝的底部，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)了直徑達(dá)10厘米的單細(xì)胞生物。它的表面長滿了皺褶，說明這種生物也“懂得”用這種方式可以增大表面積。不過大的單細(xì)胞生物只能“躲”在深海這個事實(shí)也說明，走單細(xì)胞放大這條路不是很成功的。只有走多細(xì)胞分工合作這條路才能產(chǎn)生出高度復(fù)雜的生物，包括人類自己。
有趣的是，在特殊情況下，多細(xì)胞生物也可以產(chǎn)生出巨大的細(xì)胞來。比如沒有受精的雞蛋的蛋黃就是一個細(xì)胞，但是里面絕大部分是原先為胚胎發(fā)育準(zhǔn)備的營養(yǎng)物質(zhì)，基本上沒有什么代謝活動。桔子瓣里面梭形的透明顆粒也是細(xì)胞；西瓜瓤里面的細(xì)胞也比較大，眼睛都可以看見。但是這些細(xì)胞都是準(zhǔn)備讓其它動物吃的，以便傳播種子，長成以后也沒有多少代謝活動。要成為進(jìn)行正常生命活動的多細(xì)胞生物體活躍的一部分，每個細(xì)胞還得是“微米級”的。