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；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；都用磷脂來構建生物膜。也就是說，所有這些生物身體構造的“基本零件”都是相同的。

地球上的生物還有另外一個共同點，就是除了病毒以外，它們都是由細胞組成的。許多微生物只由一個細胞組成，叫單細胞生物。更多的生物由多個細胞組成，叫多細胞生物。比如人就是多細胞生物，身體由大約60萬億個不同類型的細胞所組成。

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到31米，要十幾個人手牽手才圍得過來。藍鯨可以有33米長，180多噸重。但是細胞卻很小，從細菌的幾個微米到“真核細胞”（具有細胞核的細胞）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世紀中期，英國的物理學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“細胞”是一個詞）。盡管他看到的只是已經(jīng)死亡的細胞的細胞壁，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，這些都是實際觀察到的來自動物身體的活細胞。

細胞學說的建立，要到1837年德國的生理學家施萬和德國的植物學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造，發(fā)現(xiàn)了包裹神經(jīng)纖維的“施萬細胞”。而施萊登則研究植物組織的構造。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胞，說明生物體都是由細胞組成的。這個想法經(jīng)過后人的發(fā)展完善，成為生物學上的“細胞學說”。

細胞學說認為，（地球上）所有的生物都是由（一個或多個）細胞組成的；細胞是所有生命形式最基本的結構和功能單位；而且所有的新細胞都從已有的細胞分裂而來。這個學說把對生物體結構和功能的研究放到了堅實的基礎上，是十九世紀最偉大的科學發(fā)現(xiàn)之一，其意義不亞于物質結構的原子分子理論。

細胞學說陳述的是事實，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胞組成的？為什么沒有看見不分成細胞的大型生物？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胞是那么小，一般在微米的范圍內。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系增加的，而體積（也就是重量）卻按線度的立方關系增加。體積越大，單位體積所擁有的表面積就越小。細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，因為糖的總表面積（也就是糖與水接觸的面積）變小了。細胞也是一樣。細胞的體積越大，單位體積擁有的表面積就越小。而細胞要維持生命，必須和外界不斷地進行物質交換，而這這種交換只能通過細胞表面來進行。細胞越大，相對的表面積越小，到一定程度就不能維持細胞的生理需要。只有細胞的尺度在微米級，相對的表面積才能滿足物質交換的需要。

如果人是由一個細胞組成的，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行氣體交換的（如果氣體交是通過體表進行的話）。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，腸壁細胞上還長出大量的絨毛來進一步增進表面積，使得小腸吸收養(yǎng)料的總面積達到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身體里的，巨大的“內表面”來和外界交換物質。而這樣大的“內表面”是單個細胞難以擁有的。

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，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。細胞所需要的物質（比如氧氣和葡萄糖），就算是它們的分子進入細胞了，這些分子移動的速度也很慢，因為它們要和細胞內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。細胞里是充滿了水溶液的，相當于擠滿了人。如果細胞太大，這些分子從細胞表面走到細胞里需要它們的地方（比如細胞的“動力工廠”，一種叫“線粒體”的細胞器）就要花太長的時間，相當于工廠的原料和燃料供應不足，細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胞的大動物了，因為那相當于一個大細胞，難以有效地和外界進行物質交換。地球上的單細胞生物是很“聰明”的，它們一般不朝著巨大細胞的方向走，而是先聚合在一起，形成群體。比如團藻，就是由幾千個到幾萬個衣藻類細胞連成的一個單層細胞的球形空腔。每個細胞仍然很小，但是團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，而且上萬個細胞長出的鞭毛一起劃動，運動起來也更有效率。團藻還進行了細胞分化，由一些細胞專管繁殖。這些進步就使團藻比單個細胞有優(yōu)勢了。

細胞之間的分化可以形成更為復雜的結構。比如水螅，它的身體是由兩層細胞組成的一根空管，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行無性繁殖，也可以長出“精巢”和“卵巢”，進行有性繁殖。

沿著這樣的聚集——分化的途徑，單細胞生物在一起就可以形成越來越復雜的結構。盡管生物體的總尺寸可以越來越大，但是每個細胞還是在微米水平。大的動物身體里面還發(fā)展出巨大的“內表面”（比如人的肺泡和小腸絨毛）來和外界進行物質交換，并且通過循環(huán)系統(tǒng)把氧氣和養(yǎng)料“送”到每個細胞面前，又把細胞產(chǎn)生的廢物帶走（植物細胞消耗的能量比動物少得多，所以用葉片來擴大表面積和用脈管系統(tǒng)來輸送物質就可以滿足各種細胞的需要）。不同類型的細胞分工合作，形成高度復雜的有機體，看來這是生物進化更有效的途徑，也是地球上的絕大多數(shù)比較大的生物都是多細胞生物的原因。

但是另一條途徑，即細胞自己變大變復雜，也并非完全不可能。比如變形蟲和草履蟲，它們就是單細胞動物里面的“巨人”。草履蟲雖然只有一個細胞，但是它的長度可達到200至300微米，可以吃大小只有一兩個微米的細菌。它有“口溝”用來吃東西，相當于人的嘴和食道；有“食物泡”來消化食物，相當于人的胃；有“伸縮泡”和收集管來收集和排出廢物，相當于人的腎臟、膀胱、和尿道；它還有纖毛，用來游泳，像人的四肢。食物泡的運動和伸縮泡的收縮還可以起到“攪拌”的作用，加速細胞內物質的流動。

能不能把草履蟲這樣的原生動物進一步“放大”，進化成體型更大的生物體呢？也就是說，不走多細胞生物這條路呢？比如用伸出的突起和通向內部的管道系統(tǒng)來擴大表面積，在細胞內建一個專門的“攪拌機”來加速物質循環(huán)，等等。但是這些非細胞的大型結構在實際上建得成建不成還很難說。

就算這樣的內部結構建得成，在地球上，這樣的單細胞大生物卻很少有生存的機會。因為地球上充滿了多細胞生物，而多細胞生物是高度有效，競爭力很強的。走另外一條路的單細胞大生物在多細胞生物的競爭面前，會很快被淘汰，只有在多細胞生物難以達到的地方，巨大的單細胞生物才有可能發(fā)展出來。比如在深達1萬多米的瑪利亞納海溝的底部，科學家們就發(fā)現(xiàn)了直徑達10厘米的單細胞生物。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。不過大的單細胞生物只能“躲”在深海這個事實也說明，走單細胞放大這條路不是很成功的。只有走多細胞分工合作這條路才能產(chǎn)生出高度復雜的生物，包括人類自己。

有趣的是，在特殊情況下，多細胞生物也可以產(chǎn)生出巨大的細胞來。比如沒有受精的雞蛋的蛋黃就是一個細胞，但是里面絕大部分是原先為胚胎發(fā)育準備的營養(yǎng)物質，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胞；西瓜瓤里面的細胞也比較大，眼睛都可以看見。但是這些細胞都是準備讓其它動物吃的，以便傳播種子，長成以后也沒有多少代謝活動。要成為進行正常生命活動的多細胞生物體活躍的一部分，每個細胞還得是“微米級”的。