我们为什么要在培养皿里养细胞
本级前面几篇教会了你如何*看见*一个细胞——借助光、电子和会发光的标签。但只看一个细胞往往远远不够。要检验一种化学物质的作用、要读取 DNA，或者要观察一个信号如何传递，你通常需要许多细胞，而且全是同一种，可以按你自己的节奏去拨弄、去测量。要在一整只活体动物内部研究细胞，这几乎办不到：那里有数十亿个细胞，纠缠成组织、浸泡在信号之中，又同时受到伦理与生理的双重屏蔽。
细胞培养绕开了这一切：它把细胞养在身体*之外*，养在培养皿或培养瓶里，处于你完全可控的条件下。这就像把几株植物从混乱的森林里移进一间整洁的温室，由你来设定光照、水分和土壤。培养中的细胞生活在一台温暖、无菌的培养箱里，浸泡在一种液态的“高汤”——培养基——之中，培养基为它们提供糖、氨基酸、盐和生长信号，通常还会添入取自动物血液的血清。只要配方和无菌做对了，一群细胞便会乐于一连分裂数日乃至数周，供你研究。
鲜切花与盆栽：原代细胞与细胞系
培养中的细胞分为两大类，其差别就像鲜切花与那种只管不停生长的盆栽。原代细胞是新鲜地取自活体组织的——剪下一小片皮肤、取一滴血——其行为非常接近真实情况。但和鲜切花一样，它们自带一个时钟：正常细胞只能分裂有限的次数便会停下，这一古老的观察被称为海弗利克极限。大约经过几十次倍增之后，这群培养物便不再分裂，逐渐衰老退场。
细胞系则是那株永不凋谢的盆栽。这些细胞经历了改变——往往是由驱动癌症的那一类遗传事故造成，有时则是被刻意改造的——于是它们无视那个时钟，基本上可以无限分裂下去。这种永生是一份馈赠：世界上任何地方的实验室都能年复一年地培养*同一*细胞系，从而互相比对结果。但其中有一个诚实而重要的代价：在变得永生的过程中，一个细胞系已经偏离了完全正常的细胞。它的染色体常常错乱，行为也可能与它最初来源的健康组织有所不同。
所有细胞系中最著名的就是 HeLa，而它理应被诚实地讲述。1951 年，人们从一位名叫亨丽埃塔·拉克斯（Henrietta Lacks）的美国黑人女性的宫颈癌中取走了细胞——未经她本人知情，也未经她同意，而这在当时既普遍又合法。那些细胞以前所未见的方式疯长，成为第一株永生的人类细胞系，被用于从脊髓灰质炎疫苗到癌症研究的数百万项实验。然而几十年间，她的家人既未被告知、未被征询，也未获补偿，尽管这些细胞被销往世界各地。HeLa 提醒我们：生物学的工具，从来与它们所来自的那些人密不可分，而知情同意与署名归功，都很重要。
挑对替身：模式生物
有时候，一皿细胞还不够——你需要一整个活体，可人类太慢、太复杂，而且对绝大多数实验而言理应禁止。答案是模式生物：一种更简单、更快、更便宜、易于在实验室中养殖的替身。模式生物之所以行得通，是因为细胞最底层的机器——DNA、核糖体、细胞周期，以及你前面已经认识的那些死亡程序——在几乎所有生命中都是共通的。你在一种不起眼的小生物身上学到的东西，往往能径直套用到我们自己身上。
每一种模式生物都是因其最擅长之处而被选中的。肠道细菌大肠杆菌（*E. coli*）每二十分钟分裂一次，是研究基因与分子的主力。面包酵母是一种真正的真核生物，却像微生物一样生长，最适合研究细胞周期。线虫（*C. elegans*）通体透明，身体恰好由 959 个细胞构成，每一个都被追踪记录在案——是追随发育与细胞死亡的理想对象。果蝇教会了我们经典遗传学；斑马鱼在胚胎阶段是透明的；而小鼠作为我们的哺乳动物同类，最贴近人类的生物学与医学。
把细胞拆开：靠离心来分级
现在假设你要的不是整个细胞——你想要的只是其中某一个部件，而且要大量：比如说，一管纯净的、除了线粒体别无他物的样品，好单独检验它们的功能。要单独研究一辆汽车的发动机，把车拆开、再把零件分类会很有帮助。细胞分级分离做的正是这件事。首先把细胞温和地撑破——匀浆化——让它的细胞器倾泻进一锅“汤”里。接着是巧妙的一步：离心机把这锅汤旋转得极快，使其模拟出数千倍于重力的效果，最重的部件便最先被甩到底部。
分级分离的诀窍在于：越大、越致密的细胞器沉降得越快。所以你先轻轻地离心：最重的细胞核沉到底部结成沉淀，你把上面剩下的液体倒出。再把剩下的液体以更高的转速离心，线粒体便会聚成它们自己的一团沉淀。转速再高些，越来越小的碎片——先是膜的碎块，再是核糖体——依次沉降下来。一步接一步，同一锅杂乱的汤就被分离进一支支各含单一组分的试管里。
homogenise cells -> spinning soup of organelles spin relative force what pellets at the bottom ----- -------------- -------------------------- low ~1,000 x g nuclei (heaviest) medium ~10,000 x g mitochondria, chloroplasts high ~100,000 x g membrane fragments, ER bits ultra ~150,000+ x g ribosomes, large molecules each time: keep the liquid above, spin it harder
也要诚实地看待它能给你什么。没有哪一级分离能做到绝对纯净——一管“线粒体”里总会夹带一点杂质——而把细胞撑破这一动作，本身就摧毁了它天然的组织结构：位置、接触和各种梯度全都没了。分级分离告诉你的，是一个细胞器单独待在试管里*能够*做什么，这极其有用，却未必正是它在拥挤、活着、完好的细胞内部的真实表现。
一次一个细胞：流式细胞术与 FACS
分级分离分选的是细胞的*各个部件*。但很多时候，你想分选的是细胞*本身*——比如统计一份血样里某种稀有类型有多少个，或者从混杂的一群里把干细胞单独捞出来。流式细胞术就是为此而生的机器。想象一台硬币分拣机：它把一罐杂乱的硬币逐枚送过传感器，判断出每一枚是什么。流式细胞术为细胞做的正是这件事，它每秒把成千上万个细胞排成单列纵队，让这股细流细到细胞只能一个接一个地从激光前列队走过。
每当一个细胞穿过激光，探测器便在一瞬间把它读出来。它向正前方散射多少光，揭示它大致的大小；它向侧面散射多少光，则提示它内部颗粒有多丰富、有多复杂。而——这才是核心——如果这个细胞带着荧光标签，机器还会把这些颜色一并读出来。事先用抗体给细胞做标记，让这些抗体发光、并且只粘附在特定的表面标志物上（也就是你前面认识过的免疫标记步骤），你就能向每一个掠过的细胞发问：你带有标志物 A 吗？标志物 B 呢？每秒就有成千上万个细胞被这样刻画出来。
普通的流式细胞术只做计数和刻画，却让每个细胞都流进同一个废液桶。FACS——荧光激活细胞分选——加上了那神奇的最后一步：把它们实际分开。就在读取一个细胞之后，机器立刻把这股细流打散成一颗颗微小的液滴，每滴一个细胞，并根据激光所见给每一滴赋予一个电荷。带电的极板随后让每一滴向左或向右偏转，落进不同的试管。仅一次运行，你就能从混乱的混合物中把某一种细胞的纯净群体单独拉出来——正是你想要的那些细胞，活着，随时可供培养或研究。
为什么“大量细胞”要排在一切之前
退后一步，一条链条便浮现出来。要读取 DNA、跑一块凝胶，或者改写一个基因——也就是本级其余部分所涵盖的那些技术——你几乎总得先有充足而均一的细胞来源。培养把它们养出来；在原代细胞、细胞系或模式生物之间的取舍，决定了你的材料有多贴近真实、又有多便于操作；分级分离把某一种组分单独分出来；而流式细胞术加上 FACS，则把整个的细胞计数并分选成洁净的群体。这些都是上游那些不显眼的步骤，正是它们让后面更出风头的实验成为可能。
并请把贯穿本级每一件工具的那条诚实主线带在身上：每一件工具都舍弃了某样东西，以换取揭示另一样东西。培养以活体换取了可控；永生细胞系以完全的正常性换取了无尽的供应；模式生物以贴近人类的相关性换取了速度；分级分离以天然的组织结构换取了纯度；流式分选以细致的内部图像换取了纯粹的数量。清楚每一件工具悄悄放弃了什么——这恰恰是“读到一个结果”与“相信一个结果”之间的分水岭。