正如前文所述，人体内细胞的具体寿命可能存在着数小时至数十年之间的差异。事实上，细胞的死亡可能是由多种原因引起的。直接的创伤（如机械损伤），或极热、极冷的刺激，均会对细胞产生直接的影响，导致细胞膜破裂或蛋白质变性。这些变化将不可逆转地打破细胞的内在平衡状态，导致细胞死亡。这有点像一个人突然遭受暴力而死亡，例如在交通事故或战争中丧生一般。在细胞中，这种死亡被称为坏死。

另一种更为有趣的细胞死亡现象是所有多细胞生物所必须经历的过程。这一现象最初在发育生物学研究中所观察到，但随后人们发现，所有未能正常分裂的细胞均可能触发这种“自杀通路”，从而及时制止“流氓”细胞持续性复制所带来的威胁。这一现象被称为程序性细胞死亡或“细胞凋亡”（apoptosis，源自希腊语，意为“落叶”），首次由阿伯丁大学的病理学家阿拉斯泰尔·库里（Alastair Currie）、约翰·克尔（John Kerr）与安德鲁·威利（Andrew Wylie）于20世纪70年代共同发现。他们通过电子显微镜观察到导致细胞死亡的一系列特征性变化。经过十多年的时间，“细胞凋亡是组织内细胞状态维持的主要生物学机制”这一观点才被广泛接受。细胞凋亡不会触发免疫反应（而坏死则可能会触发），因为凋亡细胞的残骸可被邻近的健康细胞吸收（吞噬），也就是说，这些凋亡细胞内的物质均被有效地“回收”了。细胞凋亡在发育过程中常常会发生。例如，人类手指之间的带状组织、两栖动物的尾巴均需要被去除，而昆虫的变态发育过程也涉及了细胞凋亡。在发育过程中，不再被需要的细胞首先会开始萎缩，它们的表面会产生球状突起的膜泡（如图12a所示）。通过缩时显微技术可以观察到细胞凋亡是一个非常活跃的变化过程。在此期间，细胞表面就如同火山沸腾的泥浆池一般。而在细胞内部，细胞核内容物将全部瓦解，染色质聚集成特征性致密团块（这也是凋亡细胞的特征性外观，如图12c所示）， DNA也将断裂成小的片段。

图12 细胞凋亡（程序性细胞死亡）

a.在最初的时候，细胞表面会起泡；b.线粒体失去其内部结构；

c.细胞核内容物聚集在一起；d.线粒体膜表面出现小孔

当认识到凋亡是细胞死亡的普遍过程后，研究工作者便开始认真探索这一“细胞自杀”的过程究竟是如何启动的。细胞凋亡包括两条通路，通常取决于触发来源究竟是外部因素还是内部因素。外源性细胞凋亡由外部信号所触发，这些刺激信号能够与细胞膜上的“死亡受体”相结合，进而引发细胞自杀。这种类型的细胞凋亡通常发生于免疫反应中，可作为一种细胞杀伤的手段。内源性细胞凋亡发生于胚胎发育过程中的特定阶段，或可因DNA的广泛破坏（例如电离辐射）而触发。此外，DNA的复制受损也可以导致细胞凋亡，但值得庆幸的是，细胞内同时也存在DNA修复机制，可以通过校对质量控制系统及时发现可导致突变蛋白产生的致命错误。

细胞自杀的机制

那么细胞是如何结束自己生命的呢？其机制便在于线粒体。在尼克·莱恩（Nick Lane）的著作《能量、性与自杀：线粒体与生命的意义》中，莱恩将线粒体称为“死亡天使”。当细胞凋亡发生时，最初的一些变化便发生于线粒体内膜上。凋亡所伴随的异常生化活动可以导致线粒体内膜遭受破坏，从而出现穿孔现象（图12b、12d所示）。此时，线粒体将通过膜上新形成的小孔向细胞质释放出细胞色素c（一种对线粒体能量产生功能至关重要的蛋白），从而触发细胞凋亡。有研究表明，将凋亡细胞的线粒体转入至健康细胞中可导致细胞凋亡的产生，这一结果证实了线粒体在细胞凋亡中的重要作用。线粒体所释放的细胞色素c可与细胞质中的其他几种蛋白质结合，形成凋亡小体复合物，进而激活一连串的“刽子手蛋白酶”，它们不仅可以杀死细胞，还可以导致细胞核与细胞质的碎裂，便于其被邻近细胞吞噬。

鉴于内源性细胞死亡是发育进程中的一部分，这表示了凋亡基因存在的可能性。美国的鲍勃·霍罗维茨（Bob Horovitz）通过对秀丽隐杆线虫的研究，发现了几个与程序性细胞死亡相关的基因，因此与英国剑桥的约翰·苏尔斯顿（John Sulston）和悉尼·布伦纳（Sydney Brenner）共同获得了2002年诺贝尔奖。秀丽隐杆线虫是一种被广泛研究的线虫。在发育过程中，秀丽隐杆线虫的1090个细胞中有131个因细胞凋亡而消失。

在这些“细胞死亡”基因中，有几个是哺乳动物癌细胞中常常发生突变的基因，这证实了细胞凋亡是清除DNA受损细胞的重要机制。细胞死亡基因的突变将导致细胞凋亡受阻，从而使得DNA受损或突变的细胞异常发育并形成肿瘤。在大卫·莱恩（David Lane）19岁时，其父亲因癌症而去世，因此莱恩一生致力于研究正常细胞发生癌变时所发生的变化。1979年，他发现了一种几乎在所有癌细胞中都会发生失活或缺失的蛋白—— p53蛋白。如果功能正常的p53以正常的水平存在于分裂细胞中，且细胞发生了DNA损伤（或DNA复制出现了错误），那么p53将会触发细胞凋亡，或者启动细胞衰老的通路，阻止分裂行为。因此，p53被称为肿瘤抑制基因和“基因组的守护者”。凋亡与衰老细胞将被免疫细胞识别（请参阅下一章内容），并通过吞噬作用被清除。因此，即使在癌症晚期，恢复“p53反应”也可以产生强大的防御作用，导致肿瘤体积缩小并阻止其进一步生长。但不幸的是，将正常的p53导入癌细胞中并非易事，一些分子生物学策略目前仍在研发中。通过基因疗法来治疗多种疾病的希望仍未真正实现，这是因为将基因及其产物以正确的数量和时间导入细胞中，同时规避严重副作用是一件极为困难的事情。截至2010年，美国食品与药品管理局未批准通过任何基于p53的治疗药物；值得注意的是，中国在基于p53的治疗研究中取得了重大的进展，一种名为“今又生”（Gendicine）的药物已被批准用于头颈癌的治疗中。