恩格斯说19世纪最重要的三个科学发现：自然选择、能量守恒定律、细胞学说。
细胞把维持生命活动的物质、能量和自我复制的机能紧密包裹在一起，和外界环境隔绝开。
有了细胞的存在，生命活动才有可能变得很复杂。生命现象的多源性是由蛋白质分子之间的协同效应产生的。而细胞正好提供了这个场所。
细胞膜
细胞膜把生命物质和生命活动包裹，和外界分开。
因为细胞膜太薄，所以人们一直猜测它存在，但是一直观测不到。
450年前，英国科学家胡克用自制的显微镜观察软木塞，看到了蜂窝一样的微小结构，他把这个结构叫做细胞(实际上是软木的细胞壁)。
人们第一次意识到，生物体可能是由很多个微小的重复单元--也就是细胞组成的。
200年之后，两个德国科学家，植物学家施莱登和动物学家施旺继续发展了胡克的研究。
他们提出：不管是动物还是植物，构成它们身体的都是一个一个微小的细胞。
但是只是猜测，因为人们在显微镜下面始终没有看到传说中的这层膜。
有人还提出了不同的理论，比如细胞内的物质像胶水一样粘合在一起等。
从18世纪开始，生物学家发现动物的红细胞会变大变小。在某些水溶液里会缩成一小团，在某些溶液里，细胞又会肿胀得很大。
这种现象支持了细胞膜的存在。想象一个装满水的气球，水流进去就变大，流出来就变小。
到了19世纪末，英国科学家欧福顿发现，并不是把细胞丢在什么溶液里，它都会像变戏法一样长大缩小的。
如果是盐溶液，就可以，而是脂类分子溶液就不行。
欧福顿猜测，细胞膜对于盐分子和脂类分子的通透性是不一样的。可以让脂分子自由通过，而盐分子就不能通过。
他设想：这层薄薄的细胞膜就是由脂类分子构成，特别是胆固醇和磷脂。
但是有一个问题是：脂类分子是怎么形成一层膜的呢？
脂类分子特别讨厌和水分子接触，为了尽可能减少和水分子的接触面积，会缩成一个致密的小球，尽量藏在小球里面不和水分子接触。
这样的话细胞膜的结构就没法稳定存在。
1925年，荷兰科学家高特和格兰戴尔用化学方法从一大堆细胞里面提取了脂类成分。
可以想象，如果细胞膜存在，并且真的是由脂类分子组成，那么肯定也会被提取出来。
高特把脂类成分铺在水上，最终铺成一层分子的厚度，计算这层油脂的面积有多大，结果发现细胞里面提取出来的脂类成分总面积正好是细胞表面积的2倍。
这样一来就知道了，细胞膜确实是脂类分子组成的，而且不是单层膜，而是两层分子构成的双层膜。
胆固醇和磷脂分子有一个性质，就是分子的头亲水，尾巴厌水，这样如果它们把尾巴藏在两层膜的中间，头和内外的水结合，这样形成的膜结构就会特别稳定。
到了20世纪中期，人们用电子显微镜第一次看到了这层膜。它非常薄，远远低于任何光学显微镜的最大分辨率。
其实磷脂分子非常容易形成膜。
在实验室中，只要把磷脂分子放在水杯中，那个玻璃棒拼命搅动几下，就自发地形成和气球一样的膜结构。
第一个细胞是怎么产生的
是先出现细胞膜还是先出现蛋白质、DNA等分子的？
先出现细胞膜的话，蛋白质、DNA分子没法穿过膜，进入细胞内部。
先出现蛋白质、DNA分子的话，这些分子是自由扩散的，没等细胞膜形成，就扩散不见了。
如果是一堆磷脂分子正在缓慢地聚集成空心球，恰好它们中间漂浮着几个DNA、RNA、蛋白质分子,这样的概率实在是太小了。
科学家提出了三种可能的假说：
1.在早期的细胞生命中，细胞膜还没有像今天这样封闭，物质得以进来，后来细胞膜才慢慢封闭的。但是这种假说又要回答：是什么让细胞膜越来越封闭，在这个过程中，如何保证生命物质不会全部流失的问题。
2.生命物质不需要进入细胞膜，完全可以待在细胞膜外面，而且可以通过某种方法固定在细胞膜表面，不能自由离开。然后不知到了什么时候，细胞膜发生了一个大尺度的翻转，本来附着在细胞膜外的物质就翻转到内侧。这种猜测的问题是逻辑上没问题，但是没有多少实际证据的支持，有一个间接证据是今天的地球细胞确实有折叠扭曲细胞膜的能力。
3.ATP合成酶的小孔是天然的通道。ATP合成酶可以看做一个分子机器，可以在细胞膜上钻出一个小孔，插进去一个带着三个叶片的水力发电机，当氢离子穿过这个小孔流动的时候，可以推动叶片转动，产生ATP。虽然今天的ATP合成酶小孔比较窄，只允许氢离子这样非常小的物质通过。但是，有进化生物学的证据显示，在数十亿年前，古老的ATP合成酶可能有很大的孔。随着时间推移，越来越多的蛋白质被制造出来代替ATP合成酶完成运输物质的功能，ATP合成酶就只制造能量，细胞膜变得越来越封闭。
这三种可能的假说都还没有被证实或推翻。
细胞的能量线粒体
细胞为了能够制造更多的能量，可以扩大细胞膜的表面积，增加ATP合成酶，但是这种扩大也伴随着细胞能量的消耗增大，简单算来，细胞表面积的扩大是4PIr^2，但是体积的扩大却是4/3PIr^3，即能量的增加赶不上消耗。所以细胞表面积的增加有个天花板。
这个天花板由于有了线粒体而突破，线粒体上面分布着大量的ATP合成酶。
由于有了线粒体，细胞的体积可以扩大到原来的千倍。
而线粒体是怎么来的呢？一种极有可能的推测是在15-20亿前，在地球生命出现20多亿年之后，有一个细胞在一次捕食动作中，吞噬了一个体型较小的细胞。
而常规来说，这个小细胞会被分解消化，但是这一次并没有，而是在这个捕食者的细胞内住了下来。
这个小细胞把自己生产出的大部分ATP交出来，换取自己的生存和居住权。
在漫长的演化历程中，这个小细胞褶皱越来越多，生产ATP的能力越来越强，变成了ATP工厂，也就是线粒体。
支持这个猜测的证据有：
- 线粒体和在细胞内部其他的所有细胞器都不一样，它拥有自己的一套遗传物质，在细胞自我复制的时候，也会自我复制，然后一分为二进入后代细胞体内
- 线粒体会自己生产自己需要的蛋白质，并不完全依赖细胞本身的蛋白质机器。
- 线粒体的膜，也就是安放ATP合成酶的地方的化学成分和细胞膜不一样，更像细菌。