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生物學史是古代人在採集野果、從事漁獵和農業生產的過程中,逐步積累了動植物的知識;在抵禦惡劣的環境條件,防治瘟疫疾病的過程中也積累了醫藥知識。

1 生物學史 -生物學史

 

2 生物學史 -正文

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  古代和中世紀的生物學
  文藝復興和近代生物學的產生和發展
   文藝復興時期有關生物學的貢獻及近代
    生物學發展概況
   顯微鏡及動、植物微細結構
   分類原理
   胚胎學研究
   植物生理學研究
   動物生理學研究
   「自然發生說」的否定
   微生物學研究
   細胞學說的建立
   進化理論的確立
   遺傳規律的發現
  20世紀的生物學
   在細胞水平上遺傳規律研究的發展
    孟德爾規律的再發現
    細胞遺傳學的建立
    細胞遺傳學在蘇聯等國一度被否定
   20世紀前期生物大分子和代謝途徑研究
    的進展
    對生物大分子的認識
    代謝基本途徑、酶和生物能本質的闡明
    激素研究的進展
    植物的光合作用
   病毒和噬菌體本質的闡明
    病毒學的建立
    噬菌體的發現和研究
   分子生物學的建立和發展
    分子生物學的孕育時期
    分子生物學的誕生和發展
    重組DNA技術的出現
   細胞生物學的興起
    細胞概念的發展
    細胞膜的結構和功能
    染色體的結構
    線粒體的結構和功能
   神經生物學的新進展
    神經系統結構的研究
    神經興奮的電傳導
    神經化學遞質的研究
    腦功能的研究
   進化論在20世紀的發展
   生態學和生態系統
   動物行為的研究
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  隨著人類為了自身生存的需要和對有機界奧秘探索興趣的增長,有關動植物的知識逐漸積累。早在文藝復興前,包括解剖學和生理學知識的醫學已在大學中佔有重要地位。文藝復興后的17世紀,生理學繼解剖學而成為醫學的重要部分。實驗方法也繼觀察、描述、比較和推測之後,開始在生物學中應用。顯微鏡的發明,標誌著揭示微觀生物界的開始。18世紀動物學、植物學已經進入大學的講堂,集前人大成的動植物分類學也為以後的系統的分類學奠定了基礎。19世紀作為生物學基礎的細胞學說和達爾文進化理論先後建立,微生物學和胚胎學等學科均取得重大進展,生物學呈現空前的繁榮。20世紀的生物學由於越來越多地受到化學、物理學、數學從原理到方法的巨大影響。在微觀方面向著生物大分子的水平發展,在宏觀方面生態學向著生態系統的水平發展。20世紀50年代分子生物學的興起,改變著生物學的面貌而被譽為「生物學的革命」,隨著這些發展,生物學跨入了精確科學的行列。同時,生物學對醫療衛生和農業生產,以至於工業生產都顯示出強大的推進作用。
      

古代和中世紀的生物學


  古代人在採集野果、從事漁獵和農業生產的過程中,逐步積累了動植物的知識;在抵禦惡劣的環境條件,防治瘟疫疾病的過程中也積累了醫藥知識。約公元前5000年古巴比倫人及亞述人就知道棗椰樹 (Phoenix dacty-lifera) 有雌雄之分, 約公元前 2000年漢穆拉比王朝(Ham-murabi dynasty)時,第一次報道了人工授粉。古代埃及人製作了木乃伊(mummy),表明已了解草藥的防腐性能。在埃及找到的公元前2500年的醫生作手術的古雕塑,表明那時已經有一些解剖學的知識。
  公元前1500年印度的醫學已較發達。在釋迦(公元前560~前480)時就有醫學學校,在梵文本的醫學內記述了割治白內障、疝氣等的手術知識以及 960餘種藥草。
  中國在公元前4000年前就開始養蠶。在商代(約公元前1600~前1100)中期的甲骨文中有 500餘條關於疾病的記載。到西周(約公元前 1100~前771)時期醫學又分為「食醫」、「疾醫」、「病醫」和「獸醫」。出現於戰國(公元前476~前222)晚期的《黃帝內經》論述了人體解剖、生理、病理、病因、診斷以及針灸、經絡、衛生保健等多方面的知識。由漢初學者綴輯周秦諸書、遞相增益而成的《爾雅》,把植物分為草、木兩大類。動物分為蟲、魚、鳥、獸四大類。從戰國至漢初陸續寫成的《山海經》中的《五藏山經》記載動物 270種,植物160種。秦漢時的《神農本草經》記載藥物365種,其中植物葯252種,動物葯67種,礦物葯46種〔見生物學史(中國)〕。
  近代自然科學的萌芽起於希臘。當時的生物學是自然哲學的一個主要組成部分。公元前 600年前後,希臘哲學家相信萬事必有原因,而且特定的原因產生特定的效果。這些哲學家還設想存在一種統治宇宙的「自然法則」,認為這種自然法則通過人們的觀察與推論是可以理解的。這種因果關係和理性思想的概念對以後的科學研究有深刻的影響。希臘哲學家阿那克西曼德認為世界萬物產生於一種沒有固定形態和性質的物質,稱為「無定限」(aperion),由此產生熱與冷、形成水,再形成土、空氣和火。他提出生命是在泥土內自然發生的,最初產生動物和植物,以後產生人;最初的人象魚,生活在水中,以後脫去魚的外皮,到陸地上生活。恩培多克勒認為物質的「根源」或「元素」是土、水、氣和火。這 4種元素受吸引力與排斥力的影響,按不同比例結合,形成各種類型的物質。他第一個描述了內耳迷路,他把眼睛比作燈,認為血液是智慧的所在地。希波克拉底等人代表一個講究實際的理性醫療學派,他們把病因與神鬼分開。詳細地觀察記錄病症,並採用適當的治療方法,開闢了走向近代臨床醫學的道路。希波克拉底的女婿波利布斯在《人類的本性》一書中提出所有生物都由 4種體液即血液、黑膽汁、粘液與黃膽汁構成,它們分別起源於心臟、脾臟、腦與肝臟,如果某種液體失調就會生病。
  亞里士多德是哲學家柏拉圖的學生。他創立了呂克昂學園,又稱逍遙學派。他是古代知識的集大成者,又是第一個系統掌握生物學知識的人。他在動物分類、解剖、胚胎髮育等方面做了大量工作,著有《動物志》、《動物的結構》(包括「動物的運動"與「動物的行進」二短篇)、《動物的繁殖》和《論靈魂》等。在動物分類方面,他所用的「屬」(Genus)和「種」(Species)是一種邏輯概念。在實際分類時,他一方面使用邏輯上的兩分法,如有血或無血,有毛或無毛,另一方面也注意根據動物的外部形態、內部器官、棲居地、生活習性、生活方式等許多特徵。他把動物分成有血動物與無血動物:有血動物分為①有毛胎生四足類(哺乳類),②鳥類,③鯨類,④魚類,⑤蛇類,⑥卵生四足類(大多數的爬行類與兩棲類);無血動物分為①軟體類;②甲殼類,③有殼類,④昆蟲類。他正確描述了哺乳類的特點,並能區分哺乳類的真胎生和哺乳類以外的卵胎生。他描述了500多種動物,並對其中50多種做了解剖。他根據物質的熱、冷、濕、燥 4種特性,他把熱、濕列於冷、燥之上,依此形成的生物階梯圖把溫暖、潮濕的人和哺乳類排在生物的頂端,把低等植物排在底層。在對動物發育的觀察研究基礎上,他把動物的繁殖分為有性、無性與自然發生3類。他提出靈魂是生命與非生命物質的區別,而靈魂又有植物性、動物性與理性 3個等級。亞里士多德的開創性研究使他被公認為生物學的創始人。亞里士多德在植物學方面的著作沒有留存下來。他的學生泰奧弗拉斯托斯對植物分類、植物解剖和植物生理做了許多研究,著有《植物志》和《論植物的本源》等。他的著作中涉及500多種植物,把許多種類歸為現在的屬,把植物分為果實植物與無果實植物,顯花植物與隱花植物,常綠植物與落葉植物,他還記錄了顯花植物中雙子葉植物與單子葉植物的差異,這是一項重大進展。他詳細描述了棗椰的人工授粉,還記錄了種子的萌發與發育過程。
  公元前4世紀末或3世紀初學術中心從雅典轉移到亞歷山大里亞。亞歷山大學派的希臘醫生、解剖學家希羅菲盧斯把人體結構與大型哺乳類結構進行了比較。他認識到腦是神經系統的中樞,智慧的所在,並把神經區分為感覺神經和運動神經,把血管區分為動脈與靜脈,認為動脈內是空氣中的靈氣與血液的混合物,而靜脈內只流過血液。稍後希臘生理學家、醫生克奧斯的埃拉西斯特拉圖斯精確地描述了心臟,把心臟看作一個水泵,把瓣膜看成是單向泵中的可動閥門。他研究了動脈與靜脈在人體內的分佈,猜測有毛細血管存在,並提出生命活動過程依靠血液和靈氣的新理論。
  公元前 1世紀羅馬人的版圖不斷擴大。由於他們比較重視實用,因此與農、醫有關的生物學有一定的發展。如P.迪奧斯科里德斯隨羅馬遠征軍到過許多國家,廣泛考察了植物。他的《醫藥資料》一書是西方最早的本草學著作。同時代的老普林尼著有《博物志》37卷,詳細記述了多種動、植物的習性及其同人類生活的益害關係,對後世有較大影響。
  生於小亞細亞帕加馬、在羅馬行醫的加倫,在古代生物學中有光輝成就。他把希臘解剖知識和醫學知識系統化,並把一些醫學學派統一起來,是古代解剖學、醫學知識的集大成者。他用實驗方法證明流動於動脈內的是血液而不是空氣。他的生理學貫穿著「元氣」的思想。他認為「元氣」在不同場所分別為自然元氣、活力元氣、動物元氣3種。他同意埃拉西斯特拉塔的血液產生於肝臟的觀點,認為血液是由食物的有用部分變成的「乳糜」從腸道經門脈進入肝臟,受元氣作用變成暗色靜脈血,元氣也被改造成自然靈氣。血液帶著自然元氣在靜脈內通過漲落分佈到全身組織,其中一部分經靜脈主幹進入內髒的右邊。同時一部分血液內的不純物質通過動脈樣靜脈(即肺動脈)運送到肺部蒸發到體外,另一部分通過心臟隔膜上的小孔,進入心臟的左邊,靜脈血遇到田氣管和靜脈樣動脈(即肺靜脈)帶來的元氣,兩者混和產生顏色鮮艷的動脈血和活力元氣。兩者通過動脈系統分佈到身體各部分使器官發揮功能。一部分動脈血流到大腦基部的稱「迷網」的血管網中,在這裡活力元氣變成動物靈氣。動物元氣不與血液混合,卻沿著神經流動,分佈到全身,成為運動與感覺等動物性功能的原動力。加倫在從事外科治療時,雖有機會接觸到人體,但由於當時不準解剖屍體,他就對猴體做了很完整的解剖研究。著有《解剖綱要》16卷及《人體各部分的功能》等,但他以猴體代替人體,有不少結論是錯誤的。加倫還做過切斷中樞神經的實驗,發現切斷第1、第2節脊椎骨之間的脊髓,引起動物死亡;切斷第3、第4節間的,則動物停止呼吸;切斷第6節以下,發生胸腔肌肉麻痹,但並不防礙膈肌運動,動物仍可繼續呼吸。加倫的著作闡述清楚而有條理,但他用有神論的觀點解釋他的實驗和觀察,帶有濃厚的宗教色彩。由於加倫在學術上的輝煌成就和教會的支持,使他的學說統治醫學界長達1000多年之久,其錯誤的觀點對醫學和生物學的發展也起著阻礙作用。
  中世紀(從476年西羅馬帝國滅亡到1453年君士坦丁堡陷落、東羅馬帝國滅亡)雖然長約1000年,但生物學基本上沒有什麼重大發展,特別是其中的「黑暗時代」【從476年起到教皇西爾威特二世(999~1003在位)】,從3世紀至11世紀初,生物學卻成了阿拉伯科學的一個組成部分。但在這期間阿拉伯人並不重視對實物的觀察研究,而把主要精力用於發現、翻譯、註釋和闡述亞里士多德、加倫等的著作,並把它們奉為「聖書」,這樣不可能使生物學得到較大發展。
  11世紀初,阿拉伯醫學家和哲學家伊本·西拿所著的《醫典》是古代和穆斯林全部醫學知識的匯合,是阿拉伯文化的最高成就之一,它作為歐洲大學醫學教科書一直沿用到17世紀。
  12世紀植物學和動物學開始從醫藥、獸醫方面獨立出來。13世紀科學活動的重點移到了歐洲。在1200~1225年間,亞里士多德全集被譯成了拉丁文。德國學者大阿爾伯特的動物學、植物學著作雖仍以亞里士多德的學說為基礎,但已補充了許多新的觀察事實。
  隨後,義大利成為中世紀最活躍的科學中心。14世紀初,義大利解剖學家蒙迪諾·戴·柳奇親自解剖屍體,糾正了前人的一些錯誤,於1316年出版了《解剖學》一書,在闡述人體結構時也記述了器官的功能,使中世紀的解剖生理學達到了高峰。
    

文藝復興和近代生物學的產生和發展


  文藝復興時期有關生物學的貢獻及近代生物學發展 概況  文藝復興最早發生於14~15世紀的義大利。開始是對古典文獻和古典思想的再發現,繼而衝破宗教與神學的思想束縛,使許多學者拋棄了對權威的盲從,樹立起獨立思考和批判的精神。同時,地理上的新發現和海外貿易與工商業的發展也促進了學術研究。
  義大利文藝復興時期的巨人著名畫家達·芬奇擺脫了神學偏見,從事觀察和實驗,開展了多方面的研究。起初,他出於藝術需要,研究了光學定律、眼睛構造、人體解剖的細節以及鳥雀的飛翔。他不顧當時的傳統,親自解剖屍體,繪製了精確的解剖圖,提出人體運動是骨骼和肌肉的作用。他以牛心為材料,指出心臟分左右心房和左右心室,並正確記述了房室間有尖瓣,心室與動脈間有半月瓣。他拋棄了加倫關於血管起始於肝臟的見解,認為一切血管均起始於心臟。他比較了動物與人體的結構,指出同源現象,對進化思想也有一定貢獻。 
  比利時解剖學家A.維薩里通過解剖大量人的屍體,發現加倫基於猴體解剖的人體解剖描述有不少的錯誤。1543年,他的解剖學巨著《人體構造》出版,震驚了整個科學界和宗教界。1555年,他在該書的再版本中更明確指出心臟的膈膜和心臟其他部分一樣,都是厚實緻密的,血液不可能從右心室通過膈膜流入左心室。與此同時,西班牙的宗教改革者和醫生M.塞爾韋圖斯於1553年出版了《基督教的復興》一書,在討論神聖精神的同時也談及人體構造與功能。他摒棄了加倫有關血液運行的觀點,提出了肺循環的推測。以後,A.維薩里的助手與繼承者R.哥倫布用觀察和實驗方法證明了肺循環的存在。文藝復興時期生物學上最重要的成就是英國醫生、生理學家W.哈維建立的血液循環學說。W.哈維根據他對幾十種動物所做的實驗與觀察,首次認識到血液並非在靜脈內漲落,而是從心臟通過動脈流向各種組織,再經靜脈流回心臟的一種閉路循環。1628年,他出版《動物心血運動的研究》一書,闡明血液在體內不斷循環的新概念,指出心臟是主動收縮、被動舒張的;血液從心臟經動脈流向全身,是由於心臟收縮的機械力而不是緩慢的滲透過程。W.哈維首先把物理學的概念和數學方法引入生物學中,並堅持用觀察和實驗代替主觀的推測,使他被公認為近代實驗生物學的創始人。
  文藝復興后,地理探險和海外貿易迅速發展,到17、18世紀隨著動、植物標本的大量採集和積累,分類學得到了很大的發展。首先從草藥、草本植物為主轉向研究所有植物,從種類記述到建立分類系統,從分別對動、植物進行分類發展到建立動、植物統一的分類範疇和命名方法。同時,在分類方法上,則從亞里士多德以邏輯區分的向下分類法,發展為以經驗為主的向上分類法。對物種的認識也從長期佔主導地位的物種不變觀點,逐步過渡到生物進化的思想。17世紀顯微鏡的發明,揭示了動植物的微細結構與微生物世界,促進了組織學、細胞學、微生物學的發展。19世紀是生物學取得重要進展和巨大成就的時代,動、植物間相似性與親緣關係的揭示,形態學、比較解剖學、胚胎學、古生物學得到較大的發展。在自然哲學原型思想的影響下,隨著顯微鏡的改進,30年代末,M.J.施萊登與T.A.H.施萬建立了細胞學說,提出細胞是構成動、植物的基本結構與功能單位並具有共同的形成規律,大大促進了細胞學和胚胎學的發展。1859年,達爾文進化論的建立,對生物學及其他有關學科的發展產生了重大影響。19世紀中後葉,物理、化學和一些數學的知識和研究方法,逐漸滲入生物學的研究領域,使生物學、特別是生理學向著較深的層次發展。總之,19世紀生物學的巨大成就,是20世紀生物學的深入發展的先導。
  顯微鏡及動、植物微細結構  G.伽利略在1609年,根據望遠鏡倒視有放大物體的效應,製成一台複合顯微鏡,並對昆蟲進行了觀察。英國物理學家R.胡克於1665年用自製的複合顯微鏡觀察軟木薄片,發現有許多蜂窩狀小空室並稱之為細胞(cell)。這個名詞一直沿用至今。這張軟木顯微結構圖,登載於1665年英國出版的《顯微圖譜》上。他還對魚鱗、蜜蜂螫針、家蠶卵、家蠅的頭和足以及跳蚤等進行了精細的描繪。義大利解剖學家M.馬爾皮基開創了動物與植物的顯微解剖工作。1660年他通過向蛙肺動脈注水的方法,發現有連接動脈與靜脈的毛細血管,證實了W.哈維未能觀察到的由毛細血管連接動、靜脈的血液循環。他描述了肝臟的微細結構,舌的乳頭突,大腦皮層,以及用他名字命名的腎小體和皮膚微細結構等。他對家蠶進行了顯微解剖,發現同樣具有複雜的微細結構。他關於家蠶的著作是無脊椎動物方面的第一本專著。他對不同的植物進行了比較研究,系統地描述了植物各部分的結構,指出單子葉植物與雙子葉植物間的區別,以及蟲癭是由昆蟲引起等。並且提出植物的各部分是由「小囊」(即細胞)組成的。他在植物解剖方面的許多精確繪圖未能為當時的植物學家所理解,直到19世紀才被重新認識。
  英國植物學家N.格魯在顯微鏡下發現植物葉面有氣孔,它們可使植物體內的水分蒸發並吸入空氣。他發現植物的組織是由多孔的小胞(即細胞)所組成,但他經常描述的只是小胞的壁。他認識到花是植物的生殖器官,可區分為萼、花冠、雄蕊與雌蕊,並指出雌蕊、雄蕊和花粉分別相當於雌性器官和雄性器官,而且植物一般是雌雄同體的。他的著作《植物解剖》由M.馬爾皮基譯成拉丁文,流傳了100多年後才有人做了一些重要補充。
  荷蘭顯微鏡學家 A.van列文虎克自製了許多性能優良的顯微鏡,最高的放大倍數達270倍。他通過大量細微的觀察,解釋並完善了M.馬爾皮基提出的關於毛細血管系統的知識,證明動脈與靜脈分別和毛細血管直接相連。他發現人和哺乳類的紅細胞是無核的,而鳥類、兩棲類、魚類的紅細胞是有核的;發現了人的精子,並研究了各種動物特別是魚和蛙的受精作用;還發現了許多小的水生生物,如輪蟲、水螅、纖毛蟲等。還在19世紀顯微鏡改進之前,他首先看到並記述了細菌,實屬難得。
  荷蘭顯微鏡學家J.斯瓦默丹對不同類型的昆蟲發育做了許多研究。他的著作《昆蟲志》、《蜉蝣的生活》中有許多出色的顯微解剖圖,如昆蟲的神經節,氣管系統等。他去世幾十年後出版的《自然的聖經》是當時顯微鏡觀察的最好著作,其中對蜜蜂內部器官、蚊子、蜻蜓發育的描述,都非常精確。
  但由於複合顯微鏡的色差問題,使這方面的工作在其後的100多年內沒有多大進展。
  分類原理  16世紀德國神學家和植物學家O.布龍費爾斯、德國植物學家H.T.博克及L.福克斯等對植物分類都作出了貢獻。他們對植物進行了觀察和生動逼真的描述並試圖編寫地方植物志,由此在中歐發現了許多植物的新種。O.布龍費爾斯描述了 260種植物。H.T.博克和L.福克斯描述了 500多種植物。但他們缺少比較一致的分類系統,而且不甚關注屬以上的較高分類階元。O.布龍費爾斯關於屬的順序是隨意的,L.福克斯主要按字母排列,只有H.T.博克按植物營養部分的特徵及其相互關係,提出了比較符合自然的系統。
  義大利植物學家A.切薩皮諾首先在其巨著《植物十六卷》(1583)一書內應用了一致的植物分類法。他為提出一個易於鑒定的系統,借用了亞里士多德通過邏輯區分的向下分類法。這種方法的特點是兩分法,適合於構想鑒定的關鍵特徵,但易於導致人為分類。A.切薩皮諾認識到應用邏輯區分最重要的是選擇區分特徵,並首先重視了果實的分類價值。由於他在實際分類時先把植物分成自然類群,然後再尋找適用的關鍵特徵,所以他劃分的32類植物從整體上看是符合自然分類的。儘管他的分類系統有明顯缺點,但對以後200年的植物學,包括對瑞典的 C.von林奈都很有影響。以後荷蘭植物學家M.德爾奧貝爾進一步探尋植物的自然相似性,並以葉的形態為分類特徵。瑞士植物學家G.博安追隨M.德爾奧貝爾的思路按自然相似性對植物進行從簡到繁的排列,同時考慮了大量不同的特徵。有意識地劃分了種、屬之間的區別,還指出了同種異名現象,但並未描述屬的特徵。他描述的植物約有6000種,對每種植物都在屬名後面接以「種加詞」。例如在區別兩種相似的牧草時就分別給予共同的屬名和不同的「種加詞」,成為最早的雙名法。G.博安的主要目的是想提供一份使用方便的植物名錄,故未提出更高的分類階元名稱。法國植物學家J.P.de圖內福爾把重點放在「屬」上,把相似的植物放在一起,並用單個名詞來代替屬名。他劃分並描述的 698個屬大多數為以後 C.von林奈所採用。他首先提出屬以上的正式分類階元。但他劃分的22個綱和122個組,大多是人為的。
  當植物分類不斷取得進展時,動物分類卻一直停滯不前。16世紀有幾位博物學家描述了鳥、魚的種類,瑞士博物學家C.格斯納編撰了《動物志》,按字母順序編排了文獻上所有的動物。英國博物學家J.雷首先根據分類原理進行植物與動物的分類。他比前人更透徹地討論了種的概念,這種概念在其後150年內仍被廣泛採用。他對動物分類既採用了亞里士多德的傳統分類原理,也採用新的以解剖學和生理學知識為基礎的分類標準。他對兩棲類、爬行類、昆蟲的分類,做了許多工作,較前人更重視以結構(如齒、趾的排列)為依據,而較少採用顏色、大小、習性等。因此他提出的動植物界的某些大類,是較為符合自然分類的。
  瑞典植物學家C.von林奈以雄蕊和雄蕊作為系統分類的基礎,根據它們的數目與排列,把植物分成24個綱。1735年,他出版了《自然系統》一書,把自然物分為植物、動物、礦物3大界;把動、植物各分成綱、目、屬、種4個階元,首先實現了植物和動物分類範疇的統一,增強了生物科學的整體性。 C.von林奈對動植物命名時採用由屬名和「種加詞」組成的雙名名稱,完善和推廣了「雙名法」。他起初用單個詞代表屬名,用幾個詞簡述種的特徵。以後改用兩個詞命名每種植物,並將此種方法擴展到動物方面。他統一採用拉丁文命名。屬名採用大寫的名詞,種名採用小寫的形容詞。林奈認為種和屬都是從一開始就被創造出來的,但他更重視屬的作用。他以屬作為分類基礎,把向下分類法嚴格限制在屬的水平。他強調的是「發現」屬而不是「設置」屬。林奈在確定屬時,首先根據植物的外形,隨後再詳述其本質。因此,他劃分的許多屬符合自然分類。但他出於應用方便而劃分的「綱」和「目」,則多是人為的。林奈是自A.切薩皮諾以來的動、植物分類知識的集大成者。他對雙名法的發展與完善,對分類系統及其方法的建立,使他被公認為近代植物和動物分類學的奠基人。
  林奈及其先驅大都認為自然界的多樣性反映了某種深刻的順序或和諧,但卻歸之為造物主的設計,這種人為的分類方法使分類系統因人而異,造成許多混亂。從17世紀末到19世紀,由於向下分類法在實際工作中遇到了困難,逐漸興起一種完全不同的方法,即向上分類法或綜合分類法。這種方法把各個種歸納為相似的類群,再把相似的類群結合成更高的分類階元。這在原則上是嚴格的經驗方法,標誌著一種全面的方法學上的革命。這種方法不僅方向相反,而且從依靠單一特徵轉向利用並同時考慮多種特徵。
  法國是歐洲受「本質論」哲學思想影響最少的國家,因而首先發展了這種新的分類方法。法國植物學家P.馬尼奧爾在分類時不僅採用果實的特徵,而且利用植物各部分的特徵,並強調「整體途徑」即通過觀察歸類的重要性。法國博物學家 G.-L.de布豐也強調把相似種歸類,把相異種分開,並考慮全部特徵的分類方法。法國博物學家M.阿當松首先對邏輯區分的有效性提出了疑問,建議代之以經驗的歸納法。法國生物學家 J.-B.de拉馬克也主張用歸類而不是邏輯區分進行分類。法國動物學家、古生物學家G.居維葉關於各種器官的形態結構與功能之間的相關理論,更促進了分類階元多特徵概念的發展。這樣,對特徵的評價是根據其是否有助於形成「自然」類群而定的,而且特徵的分類價值也隨分類階元的不同而改變。隨著新種的不斷增加,屬的變動也較大,因此,分類的重點也從 C.von林奈的屬轉到較高的等級──科(family),成為最穩定的分類階元。但是經驗分類學家根據「相似性」進行歸類,並無因果性的關係。直到C.R.達爾文運用進化論明確指出同一分類階元內各成員間的相似性來自它們共同的祖先,才為進化分類學奠定了基礎。
  胚胎學研究  亞里士多德認為胚胎髮育或是預先形成、或是從無結構狀態分化而成,但他更傾向於卵是未分化的物質,受精后才開始形成器官。這是關於胚胎髮育的先成論與后成論的最早起源。
  W.哈維對雞胚、鹿胚發育做了許多研究,於1651年出版《動物的生殖》一書。他的工作糾正了許多前人的錯誤,並使他接受亞里士多德的后成論思想。17世紀後葉,M.馬爾皮基對雞胚早期發育做了詳細描述,但他認為心臟是一開始就有的,40小時后才開始跳動。他還觀察過一枚產下兩天未經孵化的雞蛋,發現已能看到雞胚的外形。他的這些看法為先成論提供了依據。J.斯瓦默丹在研究蛙卵發育和昆蟲變態時,發現蛹內有蝶類成蟲,蛹又來自幼蟲和卵,因此認為在卵內就有隱蔽著的微小成體,由此主張先成論。法國哲學家N.de馬勒布朗什進一步發展這種觀點,認為預成胚胎中存在著更微小的成體,就象一個套一個的盒子,以致在夏娃的卵內已經套裝著所有的人體,稱為套裝學說。1677年荷蘭的A.van列文虎克用顯微鏡發現精子。N.哈爾措克描繪了自稱用顯微鏡看到的含有小人的精子。他們主張一切生命起源於精子。因此,先成論又以卵原論及精原論兩種形式出現,直到18世紀仍占統治地位。如瑞士著名解剖生理學家A.von哈勒等都堅持先成論看法,這與當時顯微鏡學家反對亞里士多德提出的自然發生說有關,而且他們的機械論觀點也受到當時哲學上的機械學派的支持。
  18世紀後葉,德國胚胎學家C.F.沃爾夫證明植物的葉、莖、根等,是由植物的生長點分化發育成的,雞血管與腸道的形成也有一個過程,不是一開始就存在的。他主張后成論反對 A.von哈勒的先成論觀點,但是由於先成論占很大優勢,他的工作直到19世紀才被承認。
  19世紀早期。俄國胚胎學家、Χ.И.潘德爾研究雞胚發育,證明各種器官都是由原始胚層形成的。隨後,俄國胚胎學家К.M.貝爾肯定了C.F.沃爾夫、Χ.И.潘德爾的觀點,進一步提出動物胚胎髮育過程中出現4個胚層,以後形成各種器官。這個觀點經德國生物學家R.雷馬克認為只有3個胚層,即沿用至今的外胚層、中胚層和內胚層。К.M. 貝爾通過他的工作徹底否定了預成微小個體的先成論觀點。他還發現了哺乳動物的卵;發現脊椎動物在胚胎髮育過程中曾出現過脊索;提出高等動物的胚胎與低等動物並不相似,但高等動物的胚胎與低等動物的胚胎在發育的早期彼此卻很相似。由於貝爾的出色工作,使他被公認為近代胚胎學的奠基人。
  19世紀後期,描述與比較方法顯然已不足以解釋發育的原因,實驗胚胎學遂逐步興起。德國生物學家W.魯在1888年用熱針刺死蛙卵的兩個分裂球中的一個,剩下一個的發育成半個胚胎。他認為卵子的各部分已預定為某些器官,是不能改變的,因此支持先成論。但這個實驗為德國生物學家H.A.E.德里施所否定。1891年H.A.E.德里施發表了海膽卵的實驗,他將兩細胞時期的卵依分裂面分開,每個分裂球都能發育為完整的、體形較小的幼體。他認為卵子中形成器官的物質可經調整而改變,並假定卵內存在控制卵調整和發育的活力。以後,隨著胚胎學的研究進展及卵母細胞發育過程中軸和極性的發現,在某種意義上使先成論與后成論在新的高度實現了綜合。
  植物生理學研究  1691年, 德國植物學家 R.J.卡梅拉里烏斯發現雌性桑樹及移植的一年生山靛(Mercu-rialis annua)在附近沒有雄樹情況下不能產生種子。1694年他根據詳細觀察和移去雄花實驗,證明花藥是植物的雄性器官,子房與花柱是雌性器官。德國植物學家J.G.克爾羅伊特於1761~1766年認識到昆蟲對傳粉的重要作用,他用實驗證明當用同種花粉與異種花粉同時向一種植物的柱頭傳粉時,一般只有前者能起受精作用。1793年德國的C.K.施普倫格爾指出由於許多花是雌雄異株的,雌雄同株的花也很可能是雌雄異熟的,因而植物界存在同種不同花之間或同種不同個體之間的雜交。
  1830年義大利天文學家、顯微鏡製造者G.B.阿米奇觀察到花粉管進入子房並進入胚珠的珠孔。1879年德國植物細胞學家E.A.施特拉斯布格確定花粉粒中通常有二核結構,並且他的學生還看到了 3個核。E.A.施特拉斯布格描述了胚囊發育與精卵結合,但不了解另一精子的去向。直到1898年俄國植物學家С.Г.納瓦申發現被子植物雙受精現象,才揭示了受精的全過程。
  18世紀前葉一些學者在隱花植物中尋找與被子植物相似的兩性器官。他們發現蘚類的精子器和頸卵器相當於被子植物的雄蕊和子房。以後瑞士植物學家 C.W.von內格利於1844年發現蕨類原葉體上的相應結構。德國植物學家W.霍夫邁斯特於1849年確定了遊動精子與頸卵器內卵細胞的受精,指出蘚類和蕨類的生長發育為有性生殖所中斷,成為一種世代交替。這在具有維管束的隱花植物內發生於萌發后不久,而在蘚類內則晚得多。1855年德國植物學家N.普林斯海姆首先在一種最普通的藻類中觀察到受精的具體過程。
  植物營養研究可以說是從 J.B.van黑爾蒙特所做著名的柳樹桶栽實驗開始的。17世紀早期比利時人黑爾蒙特把一棵柳樹種在一桶土內,只澆雨水,5年後長到約170磅,而桶內土壤損失極少,18世紀英國的S.黑爾斯測定了從根吸收的水和從葉面散失的水,以確定蒸騰作用,並與土壤濕度相較,查明了二者的關係。並計算植物莖內水的上升速率,證明與葉子蒸騰速率有關。他於1727年提出植物通過葉子吸收空氣中的某些成分,使它轉變為植物體內的固體成分。1771年英國牧師和化學家J.普里斯特利根據容器內不更換空氣則燃燒不能持久,動物不能繼續存活的實際觀察,推測自然界有復原空氣的途徑,並通過在玻璃罩內放入綠色薄荷的實驗證明植物可以恢復因蠟燭燃燒而「損壞了」的空氣。繼而荷蘭人奧地利宮廷醫生J.英恩豪斯於1779年在3個月內做了500多次植物對空氣影響的試驗,指出植物只能在陽光下通過其綠色部分改善空氣,在陰暗處或夜間,植物也會「損壞」空氣。1782年,瑞士牧師J.塞內比埃證明植物利用溶於水的「燃燒過的空氣」(即二氧化碳)可恢復空氣的活性。隨後,日內瓦的化學家N.-T.de索緒爾於1804年指出植物產生的有機物總量及釋放的氧遠超過所消耗的二氧化碳,由此斷定光合作用還必須以水為反應物,從而查明了光合作用是綠色植物以陽光為能源,以二氧化碳和水為原料而形成有機物和氧的過程。1845年德國醫生J.R.邁爾引入能量概念,指出植物可以把太陽能轉變為化學能貯存起來,成為能量的供給者。隨後,德國植物生理學家 J.von薩克斯把物質消耗與物質運輸和同化作用聯繫起來進行研究,並總結出葉綠素(包含在某些特殊的小體內)中的澱粉是同化作用的最初產物,是到處被消耗並貯藏於某些器官內的物質。他指出澱粉不是一次化學變化就產生的,而是在葉綠素內發生一系列化學變化的結果。
  動物生理學研究  法國生理學家M.-F.-X.比夏認為「物理定律」與「生命力」間有明顯區別,前者是不變的,後者則不斷變化。他從解剖學、生理學的角度考慮不同結構對有機體功能的重要性,提出有機體由21種組織構成,但他輕視顯微鏡的觀察結果。法國生理學家F.馬讓迪繼比沙之後也承認「生命力」。在其科學生涯中,他既利用物理學來類比生物活動,又告誡人們不要過分尋求用支配無機界的定律去解釋一切生命活動。他肯定英國C.貝爾提出的兩種神經根具有不同功能的觀點,證明脊髓神經的前根向外傳導運動衝動,而後根則從周緣傳遞感覺至中樞神經系統(貝爾-馬讓迪定律,1822)。他還通過對毒藥和催吐劑的研究開闢了實驗藥理學的新領域。
  法國生理學家C.貝爾納是馬讓迪的學生。他在消化生理、糖代謝、交感神經作用、病理生理學等方面充分利用物理學和化學的技術,開展許多工作。例如,他發現胰液的消化作用,肝臟的糖原合成功能,控制血管舒張和收縮的神經,箭毒、一氧化碳以及其他毒性物質的作用性質等。他否定身體由各具獨立功能的器官所組成的概念,認為各種功能彼此相關,從屬於機體的生理需要,提出生理綜合概念。根據這種認識,他還進一步提出高等動物生命的特點是保持內環境的穩定而不受外環境的干擾。他寫的《實驗醫學研究導論》(1865)奠定了現代實驗生理學的方法論基礎。他雖然不是活力論者,但他反對當時德國人的還原論傾向,否認一切有機過程可以還原為物理-化學定律。
  瑞士生理學家 A.von哈勒通過實驗並應用動力學原理,以解剖學和生理學相結合,研究各種器官及器官系統的形態和功能。特別是肌肉的「應激性」和神經的「感受性」。他的百科全書式的《生理學綱要》(8卷,1757~1766)體現了這門學科的近代精神。德國生理學家J.P.彌勒克服了當時盛行的自然哲學的影響,開創了德國生理學實驗研究的新時代。他發現了「特殊性神經能力律」,即刺激神經的反應,取決於受刺激的有機物質的特性,而不在於刺激的性質。他還設計一些實驗,用直流電在蛙腿的離體神經肌肉上測定引起肌肉收縮的條件,成為電生理研究的最初進展之一。他用簡單實驗肯定了貝爾-馬讓迪定律,並通過切斷蛙神經后根與前根的實驗,發現導致失去知覺或肢體麻痹的不同結果。他還研究並確定了不同類型的神經。此外,對顏色感覺的解釋,對內耳的闡述、對發聲器官結構與功能的闡述也都是近代生理學的重要起點。J.P.彌勒的《人體生理學手冊》(1833、1840)是W.哈維以來的生理學巨著,不僅包括他的許多研究成果,而且首先在生理學上綜合了比較解剖學、化學、物理學的成就。他還培養了一批象T.A.H.施萬、F.G.J.亨勒、R.C.菲爾肖、E.海克爾、H.von亥姆霍茲和 E.H.杜布瓦-雷蒙等著名科學家。但他本人始終是一位活力論者,對生理學的許多解釋中仍有「活力」的概念。
  J.P.彌勒以後德國生理學的研究,出現了以物理、化學定律來闡明生命現象的趨勢和哲學上還原論的傾向。T.A.H.施萬於1835年進行的肌肉實驗,主要是對生理現象進行了物理測量,這是對活力概念的直接挑戰。1839年他在細胞的學說論述中也強調細胞形成過程與無機界晶體形成過程的某種相似性。1847年,4位德國生理學家C.F.W.路德維希、H.von亥姆霍茲、E.W.von布呂克、E.H.杜布瓦-雷蒙相聚,一致表示應在化學-物理學基礎上建立生理學。當時,應用化學、物理學與物理學-數學名詞來解釋生命現象雖盛極一時,但實際上以物理學為方向的實驗遠較活體解剖或組織學研究困難得多。因此到70年代,除杜布瓦-雷蒙繼續電生理學研究外,亥姆雷茲已放棄生物物理學與生理學的研究,轉而研究物理學,其他兩人則主要從事一般生理學的研究。他們的學生卻繼續致力於經典生理學有重要意義的兩個生物物理學領域的研究:用力學和熱力學方法研究肌肉收縮和用電學方法研究神經衝動。然而,他們的反活力論立場,以及在生理學研究中提倡用物理、化學技術的實驗方法確為推動實驗生理學的發展作出了貢獻。
  另一方面,通過J.李比希、C.貝爾納、L.巴斯德等人工作的推動,以及F.沃勒、E.弗蘭克蘭等在有機化學方面的工作,又發展了生理化學,這主要是用化學分析方法了解生命過程中各種物質的化學本質和作用。對蛋白質的研究較早,在19世紀30年代末已為其定名。60年代前後蛋白質已被認為是在生命過程中起重要作用的物質。其組成單位氨基酸,到19世紀末已有12種被分離並測定。德國生理化學家 E.F.霍佩-賽勒及其後的許多學者研究了有機體內起作用的幾乎一切物質,豐富了這方面的認識。 70年代霍佩-賽勒主張「生理化學」從「醫學生理學」中獨立出來,並於1877年創辦了第一個「生理化學」期刊。1869年他的學生、瑞士生理學家J.F.米舍爾用胃蛋白酶水解膿細胞,得到一種不同於蛋白質的含磷物質,他稱之為「核素」;以後因核素呈酸性故又稱為「核酸」。1878年W.F.屈內把組織器官分泌出的酵素同組織內存在的酵素相區分,稱前者為「酶」。1894年E.H.菲舍爾證實酶的專一性,並用「鎖鑰原理」解釋酶與底物之間的關係。以上許多工作都為生物化學的發展奠定了基礎。
  「自然發生說」的否定  從古希臘到19世紀中葉,在生命起源問題上流傳時間最長、影響最大的是自然發生說。這種學說認為有機體可從無生命物質自發地產生。17世紀W.哈維提出一切有機體都來自卵。1668年義大利宮廷醫生佛羅倫薩實驗科學院成員F.雷迪用實驗證明腐肉生蛆是蠅類產卵的結果,首先對自然發生說提出異議。但由於他未能正確解釋蟲癭與腸道蠕蟲的來源,人們認為低等動物仍可自然發生。雖然,A.van列文虎克在1674年發現了微生物,但對微生物的進一步的研究受到許多條件的限制,微生物可以自然發生的信念反而活躍起來,並於18、19世紀達到了頂峰。1745年英國天主教神甫、顯微鏡學家J.T.尼達姆用各種浸泡液經消毒后,仍有微生物發生,而堅持自然發生說;他由於受到法國博物學家G.-L.de布豐的支持,曾在科學界轟動一時。1775年義大利生理學家L.斯帕蘭扎尼通過一系列實驗,證明J.T.尼達姆實驗結果是由於加熱不夠和封蓋不嚴所造成,因而確信微生物是從空氣帶入的。他的觀點在當時已接近勝利。但他的批評者宣稱,由於他使浸出液在密閉管內煮沸了45分鐘,殺死了管內空氣中的「活力」,因而影響了自然發生。同時,法國化學家J.-L.蓋-呂薩克證明發酵和腐爛都必需氧,也使反對意見得到支持,使斯帕蘭扎尼的觀點未能取勝。1837年T.A.H.施萬改進了斯帕蘭扎尼的實驗,通入事前經過加熱或「焙燒」的空氣,並以青蛙仍能在其中生活,證明並未影響「活力」的存在。但T.A.H.施萬的實驗由於存在某些技術問題,結果並不穩定。其後一些學者採取措施消除空氣中的微生物,但也未能保證實驗取得成功。因而仍有利於自然發生的觀點。
  1859年法國博物學家、巴黎科學院通訊院士F.A.普歇發表「異源發生論或自然發生論」的論文與法國微生物學家L.巴斯德間又展開類似的爭論。F.A.普歇認為在具備有機物、水、空氣和適當溫度的條件下自然發生能被促進,並設計實驗企圖證明他的觀點。巴斯德根據他從事發酵工作的經驗,認為「酵素」實際是生命有機體,並確信空氣中的微生物也來自酵素。1860~1861年L.巴斯德用火棉及S形長頸瓶進行實驗,證明空氣中的塵埃攜帶著各種微生物;而且隨著場所和高度的不同,空氣中微生物的含量也不一樣。他在高山上做實驗,由於高山上空氣新鮮,微生物及孢子少,所以酵母浸液受污染的機會也少。1863年普歇在西班牙做了類似的試驗,得到與巴斯德相反的結果。於是引起了論戰。1864年法國科學院安排論戰雙方做實驗,巴斯德做完上述實驗后,普歇就宣布退出爭論,未做實驗。1876年英國H.C.巴斯特蘭作為自然發生說的支持者,就微生物能否在中性或鹼性尿液內自然發生與巴斯德展開爭論。巴斯德重複了他的實驗,認為它只證明某些低等芽孢在中性或微鹼性培養基內能抗 100℃高溫。1877年巴斯德又提出巴斯特蘭的容器可能已受污染。以後通過R.科赫、J.廷德爾等的工作,表明確實存在著一種高度抗熱的細菌內生孢子,某些微生物也能在 100℃酸性培養基內存活。而且儘管對實驗容器預先消毒,在某些溶液內仍有微生物出現。巴斯德這才充分認識到在普歇及巴斯特蘭等自然發生說的支持者所用的溶液內,有時可能一開始就有這樣的微生物存在,而非由於實驗技術操作不慎所致。以後巴斯德提出外科醫生在更多注意消滅器具或手上的微生物,而不是空氣中的。1879年C.E.錢伯蘭證明,消滅液體內的抗熱微生物至少要115℃,而消滅乾燥表面的則要180℃。1897年E.畢希納證實無細胞酵母提取液可使糖發酵產生酒精,駁斥了巴斯德關於酵素是生命有機體的觀點。但這並不影響巴斯德在否定自然發生說中的重要地位。
  微生物學研究  自A.van列文虎克發現微生物到18世紀,微生物研究沒有多大進展。19世紀30年代,法國生理學家C.C.de拉圖爾於1836年和T.A.H.施萬於1837年分別報道了酒精發酵與酵母有關。1857年L.巴斯德在關於乳酸發酵的報告中指出,除了啤酒酵母之外,在糖變成乳酸的過程中,還有乳酸酵母(即乳鏈球菌)在起作用。他對發酵所必需的化學物質和發酵產物的化學成分也作了較詳細的分析。1865~1870年,巴斯德為挽救法國的蠶絲業,曾去南方研究蠶病。他發現蠶病有兩種,即蠶微粒子 (Nosema bombysis)病和軟化病,並通過選用健康蠶蛾的卵以及防止病原感染等措施保證了蠶絲生產。1877~1881年,巴斯德從事炭疽病研究。德國細菌學家R.科赫於1876年已揭示炭疽病桿狀弧菌(后稱炭疽桿菌)的生活史,確定它有一內生孢子期,指出了傳病途徑,並首先證明這是由細菌感染引起的疾病。巴斯德發現埋有病屍的田地,通過蚯蚓活動,把孢子帶到地面,當牛羊取食帶刺植物時,孢子隨之傳入體內,並據此提出了預防的措施。但到1877年仍有人斷言這些桿菌不是炭疽病的致病因子。同年,巴斯德通過 100多次轉移稀釋實驗,證明只有在轉移過程中增殖的有機體才是毒性因子。如果把桿菌過濾或沉澱,剩下的清液是無害的。從而證明微生物是引起傳染病的致病因子。1878年,巴斯德檢驗因炭疽病致死動物不同時間的血液,發現隨著時間的延長,血液內的桿菌(后稱炭疽桿菌)逐漸為敗血弧菌所代替,從而說明了死後二、三天的病畜血液內沒有桿菌的原因。由此澄清了關於炭疽病爭論中的一些問題。1878~1879年,巴斯德發現經連續培養可減低雞霍亂病菌毒性,使雞得病而不死亡,由此試製雞霍亂疫苗獲得成功。1880年,他轉向研究炭疽病疫苗,以後又研究豬丹毒疫苗,均獲成功。1881~1884年,巴斯德研究狂犬病疫苗,並於1885年7月救活一名9歲的男孩。
  英國外科醫生J.利斯特受到巴斯德工作的啟發,聯繫到外科手術中的感染問題。於1867年發現用石炭酸作消毒劑可大量減少手術后的敗血症,使病人死亡率明顯降低。1882年 3月R.科赫在柏林生理學會作題為《論結核病》的報告,指出結核桿菌是當時發生普遍、危害嚴重的肺結核病的根源。1883年,R.科赫受命去埃及研究霍亂,后又去印度繼續研究,分離並鑒定了霍亂病菌。1884年,他成功地找到霍亂交叉感染的途徑及隱患,以乃有效控制霍亂的方法。同年他明確提出鑒定某一特定病疾是否由某種特定的微生物引起時所要遵循的幾個步驟(世稱「科赫法則」):①首先確定某種微生物與某種病理狀況的恆定關係;②分離致病有機體並在實驗室進行純菌培養;③將培養的致病有機體接種於健康動物並能表現出這種疾病特有的癥狀和特性。R.科赫還不斷改進對細菌的染色法和培養法,這對以後發現各種病原菌起了很大作用。
  19世紀後期,在巴斯德、科赫等工作的基礎上,對免疫機制的研究形成了兩個學派。俄國動物學家、免疫學家И.И.梅契尼科夫在研究炎症時發現微生物在血細胞內被消耗的現象,認為血細胞具有保護有機體防止感染性物質侵襲的作用,提出細胞吞噬理論。R.科赫則主張體液論,認為免疫依賴於血液和體液中誘導出來的某些因子,為以後免疫學說的發展提出了重要的依據。
  1892年,俄國微生物學家Д.И.伊萬諾夫斯基發現煙葉可被能通過濾器過濾的花葉病汁所感染。1897年,德國細菌學家F.A.J.勒夫勒證明引起牲畜口蹄疫的也是一種可通過濾器過濾的病毒。這是揭開非細胞微生物──病毒奧秘的開端。
  細胞學說的建立  18世紀末、19世紀初,德國詩人、自然科學家 J.W.von歌德認為有機界的多樣性是從物質的神聖統一性與第一原理衍生出來的,即由共同的原型所組成。德國自然哲學家、生物學家L.奧肯根據自然哲學思想與不確切的觀察,提出由球狀小泡發展成的纖毛蟲是構成生命的共同單位。學者們尋找動植物原型的思想對細胞學說的提出有一定影響。
  19世紀20、30年代,有些學者提出「小球」可能是植物或動植物的基本結構。其中法國生理學家H.J.迪特羅謝曾明確指出所有動植物的組織和器官都由小球構成。但是他所指的小球比較含糊,有時是細胞,有時是細胞核,也有時甚至是早期顯微鏡缺陷所造成的衍射圈。與此同時,有些學者開始採用消色差顯微鏡。1831年,英國植物學家R.布朗在蘭科植物葉片表皮細胞中發現了細胞核。1835~1837年,捷克生物學家J.E.浦肯野及其學生G.G.瓦倫廷對構成動物某些組織的「小球」進行描述,並提到與植物細胞有相似性。
  1838年德國植物學家M.J.施萊登發表《植物發生論》,提出只有最低等的植物,如某些藻類和真菌是由一個單細胞組成的。高等植物則是各具特色的、獨立的單體即細胞的集合體;因而認為細胞是組成植物的基本生命單位。他還認為細胞的生命現象有兩重性:一方面細胞是獨立的,只與自身生長有關;另一方面又是附屬的,是構成植物整體的一個組成部分。他研究植物的個體發育、發展了R.布朗關於細胞核的看法,認為核與細胞的產生有密切關係,並把它稱為細胞形成核(cytoblast)。他描述了先由粘液顆粒長成細胞形成核,再在其表面出現小囊,逐步形成細胞的過程。他認為所有顯花植物都具有共同的細胞形成規律。
  德國動物學家 T.A.H.施萬於 1837年10月,獲悉M.J.施萊登的研究成果而受到啟發,認識到從細胞核入手對論證植物細胞與動物細胞的一致性有重要意義。他於1839年出版《動植物的結構和生長一致性的顯微研究》,提出了細胞學說。他通過對蝌蚪脊索細胞和不同動物軟骨細胞的研究,闡述了動物細胞與植物細胞的相似性。他把動物的永久性組織分為5類,分別研究了血細胞,指甲、腱、骨、齒、肌肉、神經等,證明它們都是有核的細胞或是細胞分化的產物。他接受M.J.施萊登的觀點,並發展為細胞可由細胞內或細胞間的一種無結構物質即細胞形成質(cytoblastema)產生。他根據研究結果提出一切動物和植物都是由細胞組成的,有機體的各種基本組成都有一個共同的發育原則,即細胞形成的原則,並認為細胞是生命的基本單位。一切有機體都從單個細胞開始生命活動,並隨著其他細胞的形成,不斷發育成長。他還明確指出細胞有兩類現象,一類是塑造現象,與細胞由分子組成有關;另一類是代謝現象,與細胞本身組成成分或周圍的細胞形成質中發生的化學變化有關。
  細胞學說建立后的主要進展是原生質理論的建立和動植物細胞有絲分裂、減數分裂一致性的證實。繼1835年法國原生動物學家F.迪雅爾丹將根足蟲的內含物稱為肉漿,1839年浦肯野把動物胚胎細胞內的物質,稱為原生質。1844年 C.W.von內格利發現植物細胞壁內有一顆粒狀的無色粘液層,同年H.von莫爾稱它為原囊,1846年又稱它為原生質。1850年F.J.科恩證明肉漿和植物原生質為同一物質。以後M.舒爾策於1861年證實植物和動物的原生質和最低等生物的肉漿是同一物質。
  1844~1846年 C.W.von內格利和 H.von莫爾提出植物細胞通過分裂形成,但並不排除細胞遊離形成。1852年,德國動物學家R.雷馬克與德國病理學家R.C.菲爾肖分別明確指出動物細胞分裂的普遍性,並由R.C.菲爾肖於1855年總結提出「一切細胞來自細胞」的名言。但他們並未正確認識細胞分裂過程,而且也未完全排除細胞遊離形成。直到19世紀70年代和80年代中期,通過德國植物細胞學家E.A.施特拉斯布格、德國細胞學家W.弗勒明等許多學者的努力,才正確闡明了動、植物細胞有絲分裂的過程,並證明它遵循著共同的規律。比利時胚胎學家E.van貝內登於 1883年發現馬蛔蟲性細胞染色體數目的減少是對於細胞減數分裂的認識的開始。後來德國動物學家H.亨金於1891年指出減數過程是染色體配對及染色體對之間的分離,並指出了脊椎動物、植物和昆蟲細胞減數分裂的一致性。但是H.亨金的研究成果在當時並未得到承認。1905年英國植物學家J.B.法默和生物學家J.E.S.穆爾在總結前人工作的基礎上,進一步證實了動、植物細胞減數分裂的共同性,以及兩者之間的某些差異。
  進化理論的確立  18世紀,法國博物學家G.-L.de布豐早期贊成物種不變的觀點,但他不同意C.von林奈那種注重微小差異的人為分類方法。他把自然界作為一個整體來考慮,並著重尋找生物間的相似性。後來他根據對地球的歷史和化石資料的研究,認為生活條件的改變一定會反映到生物的結構上,明確提出物種並非永久不變的,近似的物種可能有共同的祖先等觀點。晚年他對上述兩種觀點採取了妥協的態度,提出一些不合情理的猜測,如說豬是其他動物的複合體,驢是退化了的馬,猿是退化了的人等。他一生討論了大量生物進化的問題,使進化成為科學研究的對象,推動了進化思想的發展。
  英國醫生、哲學家E.達爾文是C.R.達爾文的祖父。曾受 G.-L.de布豐進化思想的影響。他認為人工飼養、氣候、雜交等原因可使動物發生變異,而且這種變異是可以遺傳的,許多動物的結構相似表明它們有共同的祖先。法國生物學家 J.-B.de拉馬克認為對各個動、植物的研究雖是必要的,但為了探討作為一個整體的生命世界的共同法則,一定要對動物和植物進行統一的研究。他早期研究植物時,相信 C.von林奈的物種不變說。90年代後期,通過軟體動物化石及與近代種類的比較研究,發現彼此間的相似性,才使他相信存在著許多種系系列(Phyleticseries),在整個歷史時期內,經歷著緩慢的漸變。他於1800年開始持有這種進化觀點,並在1809年出版的《動物哲學》一書中對有關進化的問題進行了全面系統的討論。他認為物種變異的機制主要是用進廢退和獲得性遺傳。他的進化學說由於思辨性較強,不少解釋缺乏事實根據,因此很少為生物學家所接受。當時法國科學界、教育界的權威,比較解剖學家和古生物學家G.居維葉根據對地層化石的研究提出「災變論」,反對拉馬克的進化論,不僅在法國而且在英國也很有影響。
  19世紀前期,自然神學在英國學術界有很大影響,許多生物學家認為生命世界的奇妙適應與和諧都出自上帝的設計。英國比較解剖學家R.歐文就持這類觀點。他是居維葉的學生,也是拉馬克進化論的反對者,在英國學術界很有影響。 英國地質學家 C.萊爾反對災變論,是「均變說」的積極擁護者。但他在《地質學原理》第二卷(1831)討論到動物變異等問題時,對拉馬克學說進行了尖銳批評,他的著作對C.R.達爾文及其進化論的傳播雖有重要影響,但他本人在較長時間內也是反對進化論觀點的。1844年英國博物學家R.錢伯斯以化名出版了《自然創造史的痕迹》,書中大膽表明進化觀點,曾轟動一時,成為暢銷書。但由於該書內容粗糙,缺乏根據,特別是用一種神秘的「法則」來代替上帝,所以對學術界實際影響很小。總之,在C.R.達爾文的《物種起源》出版之前,在英國接受進化思想的人極少。
  C.R.達爾文於1831年,參加「貝格爾」號艦的環球航行,在5年航海生活中他觀察到大量的現象,收集到豐富的材料。南美洲從北到南相似的動物化石類型逐漸更替,加拉帕戈斯群島的地雀既具有南美大陸鳥類的特性,又在島嶼之間略有差異。這些現象使他產生了物種漸變的想法。1837年 3月,當他從鳥類學家J.古爾德處獲悉,在加拉帕戈斯群島的3個島嶼上採集到的地雀,確有種的差異時,使他終於認識到地理因素引起物種形成的過程,從而徹底否定了物種不變的觀念。1837年7月他開始就物種變異問題進行寫作;根據他的親自觀察和閱讀過的大量書刊,使他相信自然界的一切變化都是逐漸的而不是突然發生的。1838年10月當他閱讀T.R.馬爾薩斯的《人口論》時,使他體會到在動、植物界到處進行著生存鬥爭,在這樣的環境條件下有利的變異將被保存,不利的變異將被消滅。其結果就是新種的形成。因而得出了自然選擇的理論。1842年 6月達爾文用鉛筆寫出了這種觀點的摘要,共35頁;1844年夏季,又把它擴充到300頁。但這僅是一個手稿,且只有很少人知道。此後,他一直持慎重態度,繼續收集有關資料。1846年當他完成地質學的有關研究后,又用了8年時間從事藤壺的分類研究。
  1855 年英國博物學家 A.R.華萊士發表了一篇題為「制約新種出現的規律」的短文,它並未引起重視。直到1858年A.R.華萊士寄去請求發表的論文──「論變種無限地離開其原始模式的傾向」,才使達爾文感到震驚,促使他加快了《物種起源》的寫作。
  A.R.華萊士曾先後去過亞馬孫河及馬來群島考察,並受C.萊爾和C.R.達爾文著作的啟發,研究物種起源並獨立地得出了生物通過自然選擇而形成新種的概念。與達爾文不同的是他更多依據動物地理分佈的材料,指出一個物種種群的大小,毫不取決於生殖力,而取決於對潛在的種群增長的自然控制。每年有大量動物死去以保持數量穩定,這樣必然是最弱的死去,最健壯的存活。因而通過生存鬥爭而實現自然選擇。華菜士強調個體的變異,即種群內的各個個體並不具有完全相同的特性。一個物種如產生出一優良的變種,它在數量上也必佔優勢。在C.萊爾和J.D.胡克的建議下,達爾文和華萊士的聯合論文於1858年7月1日在倫敦林奈學會上宣讀,並於8月20日發表於林奈學會會刊上。
  從1858年起到1859年 3月,達爾文完成了《物種起源》一書的寫作。鑒於英國當時接受進化思想的人很少,他預見到該書的出版一定會引起激烈的爭論,因此,他把樣書分送給C.萊爾、J.D.胡克、T.H.赫胥黎及A.格雷以爭取他們的支持。1859年11月24日《物種起源》出版,當天即被搶購一空。同時,《物種起源》也遭到了學術界、宗教界等方面的強烈反對,甚至惡毒誹謗。這主要因為達爾文以自然界的規律代替了「造物主的智慧」,並直接涉及人類自身的由來及歷史,使宗教的基本信念發生了動搖,導致科學與宗教間的更深刻衝突。但是《物種起源》也受到英國和其他國家一些學者的積極支持,象英國的T.H.赫胥黎、德國的E.海克爾等,都為達爾文進化論的傳播作出了重要貢獻。
  19世紀後期德國生物學家A.魏斯曼通過他的「種質學說」堅決否認獲得性遺傳。他把生物的遺傳物質設想為種質,種質由微小的遺子(id)組成,遺子又由更小的定子(determinant)組成,定子是確定身體細胞分化和器官組織特徵的單位。在他看來,生命世界的一切,都是長期自然選擇的結果。他於1895~1896年間還進一步提出了「種質選擇學說」,認為種質細胞中各個定子吸收營養的同化力和所處位置是不同的,同化力強和位置有利的定子在競爭過程中被選擇,由它決定的器官也較健壯而進化,反之就較萎弱而趨於退化。魏斯曼的這種把選擇原理推廣到一切生命單位的見解,使他後來被公認為新達爾文主義的創始人。
  遺傳規律的發現  歐洲從18世紀以來就大量開展了植物雜交的實驗。德國植物學家J.G.克爾羅伊特在18世紀60年代首先從事各種煙草的雜交試驗,發展了人工雜交技術。他發現無論是正交還是反交,雜種的外表都難以區分,由此他指出在決定雜種性質時,兩個親本起著同等的作用。他通過與親種反覆回交的方法,把親種的性質逐步轉移給了雜種。但由於當時受物種不變信念的影響,他的試驗結果未得到重視。19世紀40年代德國植物學家C.F.格特納在實驗方法和對雜種及其親種的比較描述方面,較之前人又有了很大的進展。他細緻分析了9000多個實驗的結果,發現純種之間雜交總是產生相同形態的雜種;認為雜種形成不象一種化學過程,而類似於動物的生殖過程。他早在20年代就統計出玉米雜交第二代的性狀分離比率為3.18:1,但無法給予解釋。C.R.達爾文曾高度評價C.F.格特納的工作,認為他的研究價值超過了所有其他學者的總和。以後,法國植物學家C.諾丹在60年代發現雜種第一代表現一致,而第二代則出現雜亂的變異,各種類型的數目,完全由機遇決定。認為「配子的純度」和各種雜交類型的產生都服從於概率定律。
  此外,還有一批植物育種工作者長期從事品種間雜交。他們經常研究植物的個別性狀,並在許多世代中追蹤其結果。其中法國農學家A.薩熱雷於1826年就兩個甜瓜品種 5組相對性狀做了雜交試驗,根據雜交結果,他指出性狀的自由組合,並引進了「顯性」的概念。另外,這期間歐洲有些育種學家已發現豌豆作為雜交育種實驗材料的優越性。以上的大量工作,均為以後發現遺傳規律奠定了基礎。
  奧地利布隆 (Brunn)〔今捷克和斯洛伐克布爾諾(Brno)〕修道院修道士G.J.孟德爾對植物雜交和遺傳現象很感興趣,仔細閱讀過前人的工作,包括C.F.格特納的著作。他於1856年開始從事豌豆雜交試驗,由於受F.翁格爾關於研究變種是解決物種起源的關鍵這一思想的影響,他採用了種群分析法,而不是研究單個個體。他選擇了豌豆品種這一理想材料作為研究對象,又把工作限於彼此間差異十分明顯的單個性狀的遺傳過程,而使實驗結果大大便於統計分析。經過 8年研究,孟德爾於1865年2月8日和3月8日兩次在布隆自然科學協會上報告了他的實驗研究結果。反映實驗結果的論文《植物雜交的試驗》發表在 1866年《布隆自然科學協會會刊》第4卷上。他的主要結果可概括為:①分離規律。雜交第一代通過自花授粉所產生的雜種第二代中,表現顯性性狀與表現隱性性狀個體的比例約為 3:1;②自由組合規律。形成有兩對以上相對性狀的雜種時,各相對性狀之間發生自由組合。孟德爾為解釋這些結果,提出一些假設。如遺傳性狀由遺傳因子所決定;每一植株含有許多成對的遺傳因子;每對遺傳因子中,一個來自父本雄性生殖細胞,一個來自母體雌性生殖細胞;當形成生殖細胞時,每對遺傳因子互相分開,分別進入一個生殖細胞等等。他的實驗結果及其假設表明遺傳決不是融合式的,而是「顆粒式的」,亦即決定某一相對性狀的成對遺傳因子在個體內各自獨立存在,互不沾染,不相融合。刊載孟德爾這一突破性的重大研究成果的布隆自然科學協會會刊曾被分送到 120個單位,在歐洲很多圖書館內都可找到這篇論文。他本人還把論文寄給當時植物學界的權威人士內格利。但他的成就對他同時代的生物學家和有關遺傳的研究沒有產生影響,被埋沒了35年之後,直到1900年才被重新發現。
  與孟德爾同時代的C.R.達爾文在1868年出版的《動物和植物在家養下的變異》一書中,提出「泛生論」的暫定假說,說明他並未看到孟德爾的論文。達爾文設想體內的各類細胞中,均具有代表其自身的胚芽。雜種內的鑲嵌特徵是親本胚芽混合所致。他認為在生活周期的任何階段細胞都可放出胚芽,胚芽隨血流循環,通過分裂而增殖併發育成同樣的細胞。胚芽也可積累在生殖細胞內,並傳遞給後代。當環境條件發生變化時,胚芽也會發生改變,並將此新的獲得特性傳給後代,但是達爾文的這一假說很快就被其表弟F.高爾頓的輸血實驗所推翻。
  1884年內格利根據受精卵內卵子原生質多於精子原生質但並不體現出更多遺傳性狀的事實,推測有兩種原生質。一種稱種質 (idioplasm)。它在卵細胞和精子細胞內是等量的,控制個體發育和系統發育,是遺傳性狀的攜帶者和變異的決定者;另一種為營養質(trophoplasm)大量貯存在卵內,主要起營養作用。內格利的上述觀點,對 E.A.施特拉斯布格、O.赫特維希、R.A.von克利克、A.魏斯曼等後來提出核物質是遺傳性狀的載體,很有影響。
        

20世紀的生物學


  20世紀特別是50年代以後,生物學同化學、物理學和數學相互交叉滲透,取得了一系列劃時代的科學成就,使它躋身精確科學,成為當代成果最多和最吸引人的基礎學科之一。關於生命的研究,已經不只是生物學家的任務,也是物理學、化學家以及數學家興趣較大的領域。現在的生物學常被稱為「生命科學」,不僅因為它更深入到生命本質問題,還因為它是多學科的共同產物。在微觀方面生物學已經從細胞水平進入到分子水平去探索生命的本質。在宏觀方面生態學的發展已經成為綜合探討全球問題的環境科學的主要組成部分。
  生物學的各個分支學科,包括分類學、生理學、進化論等,都取得了重要進展,然而促使生物學的面貌發生根本變化的主要分支學科則是遺傳學、生物化學和微生物學。遺傳學的研究從1900年孟德爾定律的再發現以後與細胞學相結合,隨之建立了基因論。到30年代,基因論已被公認是在生物個體水平和群體水平上研究性狀遺傳的指導理論。遺傳學也因而在生物學中甚至在整個科學中佔有重要地位。生物化學自1877年提取出離體的「釀酶(zymase)」以後,對生物體內新陳代謝的研究進展迅速,到40年代生物體內分解代謝途徑已基本闡明。同時,酶的本質和生物能的研究也有長足進展。對蛋白質、核酸、糖、脂肪等生命基本物質則不僅闡明其基本組分,並且開始了三維結構的探索。微生物學除了對黴菌、細菌繼續研究外,在20世紀30~40年代還闡明了病毒與噬菌體的本質。這 3個分支學科各自的發展和相互交叉,為分子生物學的出現奠定了基礎。
  第二次世界大戰以後,生物學發生了質的飛躍。1953年DNA雙螺旋結構的發現標誌著分子生物學的誕生,也標誌著生物學的探索開始進入了揭開生命之謎的大門。此後,遺傳密碼的破譯,重組DNA技術的建立,不僅創建起分子遺傳學,而且使腫瘤學和免疫學都在分子水平上取得突出成就。神經生物學,特別是在大腦的研究方面也都出現重大突破。可見,20世紀的生物學不僅直接影響著本身各分支學科的發展,而且對農學和醫學,甚至對方興未艾的產業革命已經和將要產生巨大的影響。科學史家普遍認為在20世紀50年代以後生物科學發生了一場革命。這場革命從其開闢新領域,從其對其他科學所產生的作用、從其對社會和人們思想的衝擊等方面來考察,其影響之大絕不遜色於20世紀前30年中發生的物理學革命。
  20世紀生物學的迅速發展,受到社會經濟高速發展的有力支持,使生物學的研究能夠迅速大量的應用現代物理學、化學的原理、方法和精密儀器。這樣,生物學的定量研究逐漸得到發展。由於一些物理學家和數學家被吸引來探索生命之謎的未知領域,理論生物學這一新學科開始出現。理論生物學是主要用數、理、化方法研究各種生命現象的一個分支學科。早期的代表著作有奧地利L.von貝塔蘭菲的《理論生物學》(第一卷1932、第二卷1942);M.貝格納的《生物學的思想方法》(1959)等。
  19世紀生物學主要在歐洲各國發展,特別是在英國、德國和法國。例如,英國的劍橋和牛津等幾所有悠久歷史和科學基礎的大學和皇家學會的學術活動;德國的格丁根、海德堡、柏林等多所大學和凱撒-威廉研究所所屬的生物實驗室;法國的巴黎大學和1888年在巴黎建立起來的巴斯德研究所以及俄國的聖彼得堡大學等。20世紀這種情況發生了很大的變化。這是因為:歐洲曾是兩次世界大戰的主要戰場;1933年希特勒法西斯專制統治德國,推行殘酷的排猶種族主義政策。迫使大批猶太血統的和反法西斯統治的德國科學家移居國外,其中大部分輾轉到了美國。美國的科學在第二次世界大戰後發展迅速,後來居上,成為世界科學的發展中心。生物學的情況也基本如此。美國本土的生物學家從19世紀末就已逐漸成長,經過20世紀30~40年代與歐洲各國,特別是德國大量移民生物學家的匯合,到20世紀後期無論從質量上或數量上來看美國的生物學都已居於領先地位。當然,上述歐洲國家經過戰後40年的恢復和發展,科學技術仍居世界前列。亞洲、南美一些國家也在積極開展這方面的研究。
  下面,只介紹了在20世紀中發展較快和影響較大的幾個分支學科的簡要歷史輪廓。
  在細胞水平上遺傳規律研究的發展  孟德爾規律的 再發現  1900年荷蘭的H.德·弗里斯、德國的C.E.科倫斯和奧地利的E.von切爾馬克3人先後分別再發現了孟德爾的遺傳規律,並查閱到了被淹沒在圖書館文獻中達35年之久的《植物雜交的實驗》原文,把它重新公諸於世。從此,G.J.孟德爾的發現得到了高度評價,他所發現的遺傳規律被稱為孟德爾定律,他本人被譽為現代遺傳學的奠基人。孟德爾定律再發現的1900年則標誌著現代遺傳學的開始。H.德·弗里斯和C.E.科倫斯都是當時著名的植物學家,對植物雜交和遺傳頗有研究,E.von切爾馬克則是較年輕的植物育種學家。科學史界一般對前兩人的評價較高,尤其是對科倫斯;但無論如何,他們都以自己的工作為基礎,充分認識到孟德爾發現的意義。科倫斯曾說過,「再發現遠比不上孟德爾原來的發現,其份量要輕得多」。英國遺傳學家W.貝特森立即找到孟德爾的報告,於1901年譯成英文,從而促使它在英語國家中,更廣泛地傳播。
  細胞遺傳學的建立  孟德爾定律再發現以後的年代中生物學家用許多其他動植物為材料進行了多方面的實驗驗證,結果表明孟德爾定律是動、植物界普遍遵循的遺傳規律。許多重要的遺傳學概念都是在1900~1910年間建立起來的。美國細胞學家W.S.薩頓於1902~1904年和德國的細胞學家T.H.博韋里都發現,在雌雄配子形成和受精過程中,染色體的行為同孟德爾假設的因子行為是平行的,從而提出孟德爾式的遺傳是以染色體為物質基礎的理論。英國的W.貝特森於1906年提出了遺傳學這一名詞,而且早在1902年他就提出了「雜合子」、「純合子」、「等位基因」等重要概念。H.德·弗里斯則提出「突變」的概念。丹麥生物學家W.L.約翰森建立了純系理論,並於1909年提出了「基因」、「基因型」、「表型」等名詞及概念。從1901~1905年美國細胞學家C.E.麥克朗、E.B.威爾遜和W.L.史蒂文斯等證明了動物細胞核有兩種粒子:一種含有副染色體(accessory chromosome)(或稱X染色體);另一種則不含。認為性別就是由這種額外染色體決定的。E.B.威爾遜著的《在發育和遺傳中的細胞》於1896年初版,1900年再版,到1925年第3版時幾乎完全重寫,它對細胞遺傳學的發展起了積極的促進作用。
  從1910年到30年代,主要由於美國遺傳學家T.H.摩爾根其學派的科學貢獻,建立起細胞遺傳學,豐富並發展了孟德爾定律。T.H.摩爾根與E.B.威爾遜是同事和密友。他得到威爾遜從學術到行政各方面的支持。摩爾根最初並不信服孟德爾定律,這一方面是出於胚胎學家的偏見,另一方面也因為他所觀察到的遺傳現象遠較孟德爾定律複雜。但他在細胞學和胚胎學基礎上,用果蠅為材料進行的大量雜交實驗,終於建立起細胞遺傳學或染色體遺傳學。1910年他發現了果蠅的白眼突變型總是同雄性相聯繫的伴性遺傳現象,第一次用實驗證明遺傳白眼的「基因」是坐落在性染色體上的物質。以後他和他的合作者以及其他單位和國家的遺傳學家用果蠅作了大量的系統研究,表明不同的「基因」在遺傳過程中有「連鎖」現象,同源染色體之間有「交換」現象。他們的大量的雜交實驗證明基因在染色體上有固定的位置。通過在顯微鏡下對染色體的觀察和大量實驗數據的計算,找到各種基因在染色體上的相對位置(見連鎖和交換、基因定位)。1915年,摩爾根同他實驗室里的年輕學者A.H.斯特蒂文特、H.J.馬勒和C.B.布里奇斯合著的《孟德爾遺傳原理》一書的出版在學術界產生了相當大的影響。1927年H.J.馬勒用X射線人工誘發果蠅突變,這是第一個被公認的用人工方法改變基因的最有說服力的事例,開闢了遺傳研究和實際應用的廣闊前景。1933年,其他科學家發現了唾液腺細胞的巨大染色體。其後,布里奇斯在1938年繪製出近4000個基因的果蠅染色體圖。這些工作對基因論的確立提供了重要依據。
  T.H.摩爾根於 1928年修訂了 1926年出版的《基因論》一書,把基因在遺傳學上的地位同原子、電子在物理學和化學上的地位相比,把基因論同物理學和化學的理論相比,說:「只有當這些理論能幫助我們作出特種數字的和定量的預測時,它們才有存在的價值,這便是基因論同以前許多生物學理論的主要區別。」這段話基本概括了30多年來遺傳學的成就。在結尾的一段話中,他提出了「基因是屬於有機分子一級」的問題,認為「基因之所以穩定是因為它代表著一個有機的化學實體。這是現在人們能夠作出的最簡單的假設,並且這項見解既然符合有關基因穩定性的已知實體,那麼,至少它不失為一個良好的試用假說」。這一預見在以後的科學發展中得到了證實。
  細胞遺傳學在蘇聯等國一度被否定  正當遺傳學向前發展之際,在蘇聯,以農學家Т.Д.李森科為代表的一方,同以植物學家兼遺傳學家Н.И.瓦維洛夫為另一方,在1935年米丘林逝世之後展開了爭論。由於李森科得到政治上的支持,特別在1948年 8月全蘇列寧農業科學院會議后,G.J.孟德爾、A.魏斯曼、T.H.摩爾根的遺傳學說遭到全盤否定,並被戴上「反動的」、「唯心主義的」、「形而上學的」等政治帽子,同時下令停止了有關的教學和研究工作,有關遺傳學家的各種職務也都被撤掉。這種情況直到1964年才恢復正常。近30年的批判和否定,使蘇聯的遺傳學和有關學科從先進變為落後,並且同樣地影響了包括中國在內的許多社會主義國家。
  20世紀前期生物大分子和代謝途徑研究的進展  對 生物大分子的認識  生物化學起源於19世紀的生理化學,發展於20世紀。起先,由於一些有機化學家對動植物化學的研究,開始認識了組成生命的重要物質──蛋白質、核酸、糖和脂肪的化學成分和部分結構。科學家們用了100多年的時間,到1940年才全部闡明了組成蛋白質的20種氨基酸。19世紀末、20世紀初,德國化學家E.菲舍爾和F.霍夫邁斯特先後分別提出蛋白質的結構是由肽鍵把各種氨基酸連接為長鏈的理論,並指出了天然氨基酸都是L系(左旋)的。但直到1929年,瑞典化學家T.斯韋德貝里用他自己發明的超速離心機進行了測定后才證明了蛋白質的大分子本質。1869年,J.F.米舍爾發現核酸以後,德國生化學家A.科塞爾和美籍俄裔的生化學家P.A.T.列文等從世紀交替時起到20世紀30年代,對核酸的結構作了系統的研究,發現核酸是由4種不同的含氮的雜環化合物(嘌呤和嘧啶的衍生物,通稱鹼基)同核糖、磷酸結合成核苷酸,然後再聚合為大分子。1929年P.A.T.列文發現,由於核糖含氧量不同,而有脫氧核糖核酸(DNA)與核糖核酸(RNA)之分。由於當時條件的局限,他根據不夠精確的測定,誤以為核酸中4種鹼基的含量相等,於1921年提出關於核酸結構的錯誤的「四核苷酸」假說,把複雜的核酸結構簡單化了。30年代這一假說被普遍接受,影響了人們揭示核酸作為生命物質的重要功能。直到40年代中期核酸在遺傳上的功能被肯定,才有人再次用剛建立不久的精確方法進行分析,發現四種鹼基含量並不完全相等。這才推翻了「四核苷酸」假說,有助於以後DNA雙螺旋結構模型的建立。
  代謝基本途徑、酶和生物能本質的闡明生物體內代謝途徑複雜多端,在20世紀前葉基本上闡明了糖、脂肪和蛋白質三種主要物質的分解代謝途徑。
  1897年, 德國生化學家 E.畢希納發現離開活體的釀酶具有活性以後,極大地促進了生物體內糖代謝的研究。釀酶發現后的幾年之內,就揭示了糖酵解是動植物和微生物體內普遍存在的過程。英國的F.G.霍普金斯等於1907年發現肌肉收縮同乳酸生成有直接關係。英國生理學家A.V.希爾,德國的生物化學家O.邁爾霍夫、O.瓦爾堡等許多科學家經歷了約20年,從每一個具體的化學變化及其所需用的酶、輔酶以及化學能的傳遞等各方面進行探討,於1935年終於闡明了從葡萄糖(6碳)轉變其中乳酸(3碳)或酒精(2碳)經歷的12個中間步驟,並且闡明在這過程中有幾種酶、輔酶和ATP等參加反應。
  脂肪酸的代謝一直遵循著從1904年德國生化學家F.克諾普建立的β-氧化理論,即從羧基端依序以兩個碳為單位解離。
  蛋白質的代謝則主要是氨基的去向問題。1930~1938年,經蘇聯生化學家A.E.布勞恩施泰因、M.Г.克里茨曼和M.李約瑟夫人等許多科學家的努力,基本上闡明了氨基的轉化過程。1932年德國生化學家H.A.克雷布斯發現了氮的代謝廢物尿素是由轉化的氨基通過鳥氨酸循環不斷產生的。這一發現不但闡明了尿素生成的途徑,而且給代謝途徑建立了「循環形式」的新概念。
  三羧酸循環這一代謝基本途徑的闡明是H.A.克雷布斯於30年代末在英國作出的。他總結分析了前人在與呼吸作用有關的化學物質的化學結構及其變化和自己的實驗結果,指出,檸檬酸經過一系列的已知的變化可以變為草醯乙酸,而草醯乙酸也可以變為比它多兩個碳的檸檬酸,從而提出檸檬酸循環的設想。在這個過程中產生了二氧化碳和水。但是對於同草醯乙酸結合的兩個碳原子化合物的來源問題,H.A.克雷布斯只是提出設想:是糖酵解或脂肪酸β-氧化的產物。證實這一重要設想的是德國出生的生物化學家,O.邁爾霍夫的學生和助手、1939年到美國工作的F.A.李普曼。1945年他從研究生物化學能的重要傳遞物──ATP入手,發現了活性很強的含兩個碳原子的化合物──輔酶A。正是輔酶A促進了兩個碳原子化合物同草醯乙酸的縮合。後來直到50年代初,才弄清了丙酮酸氧化脫羧后同草醯乙酸縮合的整套多酶體系。
  在代謝途徑的研究過程中,能量的產生和轉化始終是一個引人注意的問題。英國生理學家A.V.希爾和O.邁爾霍夫分別於1912和1922年發現肌肉收縮過程中伴隨著能量變化。1929年,德國生化學家C.H.菲斯克和K.洛曼等分別從肌肉中分離出腺苷三磷酸(ATP)。1935年,K.洛曼測定出ATP的分子式。與此同時,發現不論在糖酵解或三羧酸循環等代謝過程中,都有伴隨著ATP磷酸根的放出或 ADP得到磷酸根的變化──化學能量高效率的傳遞方式。1941年F.A.李普曼引入「高能磷酸鍵 (~P)」的概念。1949年美國生化學家E.P.肯尼迪和A.L.萊寧格報道了線粒體含有三羧酸循環所需要的全部酶系統,並且與磷酸化偶聯,產生大量ATP,而酵解作用則在細胞質中進行。以後線粒體就成為能量代謝研究的主要材料。
  關於在代謝物氧化過程中,氫如何變為水的問題,曾有過不少爭論。O.瓦爾堡在第一次世界大戰前後,經過多年的研究,到20年代初明確提出氧分子能使2價鐵變為3價鐵,3價鐵使代謝物氧化的同時又還原為 2價鐵。他稱這種鐵的化合物為呼吸酶,但他所用的鐵是血紅素燒成的灰。O.瓦爾堡從事這項研究的副產品就是後來為世界各國生化實驗室內所廣泛採用的瓦伯呼吸儀。但他的結論卻引起不少爭論。德國化學家H.O.維蘭德在1912~1913年間用一系列的實驗表明,細胞內代謝物的氧化主要是由於酶的作用先脫氫,脫下的氫再同氧結合為水。不久就分離出脫氫酶。於是,在O.瓦爾堡和H.O.維蘭德之間,對究竟是先激活氧還是先激活氫的問題上,發生了一場歷時十餘年的爭論。英國寄生蟲學家和生物化學家D.基林於1924年用實驗表明在細胞中廣泛存在的、含鐵的細胞色素在代謝物氧化過程中起氧化作用。為此,O.瓦爾堡同D.基林間也發生了爭論。到20年代末,經過D.基林和匈牙利生物化學家(第二次世界大戰定居美國)A.聖捷爾吉等的努力,明確了代謝物的氧化過程中既有脫氫作用,也有氧被激活的作用,還有細胞色素在中間的作用。50年代許多人的工作結果表明代謝物在細胞內從脫氫到同氧結合為水,是一個多步驟的電子傳遞過程。這裡同位素示蹤技術對代謝途徑的最後確定起著決定性的作用。從 1932年美國化學家 H.C.尤里發現氫同位素「氘」,1933年匈牙利化學家G.C.de海韋希製得放射性P32,特別是40年代初原子反應堆建立以後,在生化研究上很快得到了應用。如德國出生的生物化學家R.舍恩海默在美國於1933年用氘研究脂肪酸代謝,1937年用N15研究蛋白質代謝,發現代謝物質間存在著動態平衡。此後,同位素應用日益廣泛,成為生物化學研究的一種重要手段。
  酶究竟是大分子還是小分子,在20年代前半期還在爭論不休。1926年,美國生物化學家J.B.薩姆納成功地從刀豆中提取出能分解尿素的尿素酶結晶,並證明這個結晶是蛋白質。4年後美國生物化學家 J.H.諾思羅普又得到胃蛋白酶和胰蛋白酶的結晶,並證明它們也是蛋白質。從此,酶是蛋白質的概念才被肯定。30年代,發現酶除了大分子蛋白質的部分以外,還有許多種輔酶配合著起作用。經過包括O.瓦爾堡等許多生物化學家的研究證明了許多維生素,如B1、B2、B3、…等都得各種輔酶必不可少的成分。至於酶反應的原理和動力學,又為人們開闢了一個廣闊的研究新領域。酶的專一性的研究在20世紀初已見端倪。E.H.菲舍爾就曾提出「鎖鑰理論」。即在酶同反應底物的結構之間有一定的互相嵌合的關係。以後又有不少修改和補充。60年代初D.小科什蘭提出了根據比較充分的「誘導配合理論」。1965年法國分子生物學家J.莫諾出了調控酶活性的「變構」理論。
  激素研究的進展  激素缺乏的臨床癥狀早就為人所知,如1891年英國生物學家G.R.默里第一個用羊甲狀腺提取液喂粘液性水腫病人,取得驚人療效。但對激素的科學認識則開始較晚。1902年英國生理學家W.M.貝利斯和E.H.斯塔林從小腸粘膜提取液中發現了促使胰臟分泌的「腸促胰液肽」。他們根據這種物質的生物活性,命名為激素。 其拉丁文「Hormone」,意為「我激發起活性」。1905年,他們又提出激素在血液中起化學信使作用的概念。在其後的40年內人們取得了很多內分泌器官的提取液,其中包括腎上腺素、胰島素和性激素等。很多有機化學家也捲入了純化粗提液和化學分析的工作。1915年在美國生物化學家E.C.肯德爾報道了提取出具有活性的甲狀腺提取物。1926年,英國生物化學家C.R.哈林頓改進了提取方法,提高了產量,並闡明了它的組成是酪氨酸的衍生物,稱之為甲狀腺素。
  1921年加拿大內分泌學家F.G.班廷和C.H.貝斯特從胰腺中提取出能使血糖降低的提取液,命名為胰島素。1925年,經過許多人特別是美國生物化學家J.J.埃布爾的努力得到了胰島素的結晶,並證明它是一種蛋白質。50年代胰島素成為第一個分析出全部氨基酸順序的蛋白質。60年代,胰島素又成為第一個被中國化學家和生物化學家人工合成的蛋白質。從而使胰島素在分子生物學的研究中也佔有特別的地位。
  性激素功能早已為人熟知,但對性激素的提取及分析則是20世紀前葉的工作。1923年美國解剖學家E.艾倫和生化學家E.A.多伊西發現雌性激素存在於卵泡液、羊水中。1931年美國生化學家A.布特南特等從睾丸中提取出的脂類成分,具有高效雄性激素作用。以後發現性激素都是類固醇結構。
  1930~1940年間,E.C.肯德爾等提取並分離出多種腎上腺皮質激素,分析出其化學結構,並發現其具有對體內新陳代謝調節的重要功能。
  30年代前後,發現了腦下垂體分泌的激素具有調節控制體內其他激素的功能。由於垂體小,所含激素量極少,因此提取工作困難很大。1943年,華裔美國生物化學家李卓浩和美國生物化學家H.M.埃文斯等從數以萬計的垂體中提取出促腎上腺皮質激素(ACTH)大大促進了垂體激素的分離以及垂體激素同體內其他激素之間相互控制和反饋調節的研究。
  20世紀後半葉在激素方面最激動人心的成果是提純並分析了下丘腦分泌的神經激素。這主要是由兩位生物化學家法裔美國人R.吉耶曼和出生於波蘭后定居於加拿大的A.V.沙利在美國國家衛生研究院支持下,從1955年起進行了十多年工作的結果。1966年,他們提取出 1毫克的促甲狀腺素釋放因子,並分析出其化學結構為三肽。以後又繼續分離出其他 9種多肽激素。他們的研究表明,下丘腦是比垂體更高一級的調節控制激素分泌的場所。而且在這裡神經和內分泌兩大系統,通過神經遞質乙醯膽鹼、多巴胺等的作用而連接起來,形成一個統一體。對血液中微量激素的測定手段也越來越精確。1959年美國物理學家R.S.耶洛和醫生S.伯森長期合作,建立了放射免疫分析方法,測定血液中的微量多肽類激素和類固醇激素等,為激素研究和臨床診斷提供了靈敏的工具。
  細胞生物學和分子生物學的發展促進了對激素作用原理的探索。1970年前後,生物膜的研究表明激素的作用是通過與細胞膜上激素的受體結合,刺激細胞內cAMP量升高,從而引起一系列變化。在這些方面美國生物化學家E.W.薩瑟蘭作出了開創性貢獻。他早在1958年就報道了發現cAMP,又經過多年研究,於1965年提出cAMP是激活「激素──第一信使」的「第二信使」。這一成就進一步促進了cGMP等一系列研究的開展。
  植物的光合作用  20世紀對光合作用的探討,向著物理學和化學兩個方面不斷深入。1905年英國植物學家F.F.布萊克曼提出光合作用包括需要光照的「光反應」和不需光照的「暗反應」兩個過程,二者相互依賴,光反應時吸收的能量,供給暗反應時合成含高能量的多糖等的需要。20年代,O.瓦爾堡進一步提出在光反應中不是溫度而是光的強度起作用。1929~1931年荷蘭微生物學家C.B.范尼爾通過比較生化研究,發現光合硫細菌與綠色植物一樣,也進行光合作用。只是綠色植物的供氫體是水,而光合硫細菌的供氫體是硫化氫或其他還原性有機物。C.B.范尼爾的工作改變了長期以來認為光合作用一定要放氧的看法,擴大了光合作用的概念,對以後有深遠影響。對於光合作用的重要參與物質葉綠素,早就引起人們的注意。德國化學家R.M.維爾施泰特經過了8年的努力,於1913年闡明了葉綠素的化學組成。另一位德國化學家H.菲舍爾於1940年確定了它的結構,這些都為50年代「光合作用中心」的提出,以及色素吸收光子、能量傳入作用中心等的發現奠定了基礎。雖然光合作用的部位早就被認為是葉綠體,但真正用實驗加以證實則在20世紀30年代末40年代初。英國植物生理學家R.希爾用離體葉綠體作實驗,測到放氧反應,這是綠色植物進行光合作用的標誌。但是否代表光合作用未能肯定。希爾稱它為葉綠體的放氧作用,亦被稱為「希氏反應」。這一工作直到1951年才被證實是光合作用的一部分。1954~1955年,美國生物化學家D.I.阿爾農美國微生物學家M.B.艾倫又證明離體葉綠體不僅能放氧,而且也能同化二氧化碳。這也就證實了葉綠體確是光合作用的部位。
  美國伯克利加州大學的M.卡爾文、A.A.本森、J.A.巴沙姆等,利用勞倫斯實驗室製備的同位素的和其他新的生化技術,花了10年的時間於50年代中期闡明了「光合碳循環」,或稱「卡爾文循環」的過程。他們證明,在葉綠體內一種 5碳糖起了二氧化碳接收器的作用經過一系列的酶促反應,不斷地循環同化二氧化碳,形成一個一個的6碳糖,再聚合成蔗糖或澱粉。
  光合磷酸化是光合作用中的重要的能量傳遞過程。1954年D.I.阿爾農在用菠菜葉綠體研究二氧化碳同化的同時,發現葉綠素受光的激發產生電子,在傳遞過程中與磷酸化偶聯,產生ATP,電子仍回到葉綠素分子上,繼續上述過程,這一過程被稱為循環光合磷酸化。幾乎同時別人也證明,細菌中也存在著類似的過程。1957年D.I.阿爾農等又發現另一類型的光合磷酸化。在這個過程中,光使葉綠素從水中得到電子,電子傳遞過程中與希爾反應偶聯,還原輔酶Ⅱ,放氧,同時產生ATP,這一過程稱為非循環光合磷酸化。
  光合作用中兩個光反應系統的發現推動了光合磷酸化研究的不斷深入。這項工作主要是美國植物生理學家R.埃默森及其合作者從40年代初到他逝世這十幾年內進行的。1943年他們發現紅光波段中,短波(~650納米)區比長波區 (~700納米)的光合效率高。1957年他們又發現兩者同時照射比單一照射所產生的光合效率高。根據他們的工作以及其他人的工作,英國的R.希爾等提出可能存在著兩個光反應系統:系統Ⅰ由遠紅光(~700納米)激發,系統Ⅱ則依賴於較高能的紅光(~650納米)。非循環光合磷酸化對此就是一個有力的支持事例。根據這一設想及大量實驗結果,設計出一個「Z圖解」,表達兩個光反應系統的協同作用,得到了廣泛的支持。由此掀起了研究兩個光反應系統結構與功能的熱潮,推動了光合作用的核心問題──原初反應和水的光解問題的研究。
  進入80年代,光合反應中心的結構研究取得了重要突破,1982年西德生化學家H.米舍爾成功地分離提取出生物膜上的色素複合體,即光合反應中心。以後德國的蛋白質晶體結構分析專家R.休伯和J.戴維森,經過4年的努力,用X射線衍射分析的方法,測定出這個複合體的複雜的蛋白質結構。這一成果在光合作用研究上是一個飛躍,有力地促進了太陽光能轉變為植物能的瞬間變化原理的研究。
  病毒和噬菌體本質的闡明  在19世紀L.巴斯德、R.科赫奠定的基礎上,20世紀不斷發現新的病原微生物而且研製了許多卓有成效的治療藥物。工業微生物學也從制酒、做麵包發展到利用細菌來產生維生素、氨基酸、甚至還可以利用細菌冶金;但20世紀對生物學產生巨大影響的主要是病毒和噬菌體的研究。
  病毒學的建立  病毒學是20世紀中葉才獨立的一個微生物學的分支學科。1892年伊萬諾夫斯基發現過濾性煙草花葉病的致病因素后,過濾性病毒名稱遂被廣泛採用。1898年荷蘭微生物學家M.W.拜耶林克根據多年對煙草花葉病毒的研究指出:既然煙草花葉病的致病因素極易過濾,而且能在被感染的植物組織中增殖,因此可以肯定這種物質不可能是毒素,很可能是一種具有複製能力的,較低分子量的分子。因為病毒只能在活組織中生長繁殖,所以尋找適用的活組織培養方法成為20世紀病毒研究的一項重要任務。1931年,美國病毒學家E.W.古德帕斯丘和A.M.伍德羅夫提出用雞胚作活組織來培養病毒,大大促進了病毒的研究。50年代以後,陸續建立起研究病毒的定量技術。
  1935年美國生物化學家W.M.斯坦利第一個取得病毒的結晶──煙草花葉病毒的結晶。純病毒的取得促進了對病毒結構的研究。40年代,藉助電子顯微鏡的觀察和化學分析,才認識到病毒是由核酸和構成外殼的蛋白質組成。50年代,隨著分子生物學的進展,一些病毒的分子結構才得到了闡明。20世紀對如脊髓灰質炎(俗稱小兒麻痹症)、肝炎病毒,特別是乙型肝炎病毒等進行了大量的研究,分別於50和80年代取得了防疫疫苗。對腫瘤病毒的研究也取得明顯效果。隨著這些工作的進展,對病毒的認識得以大為深化。
  噬菌體的發現和研究  噬菌體是一種以細菌為宿主的、比正常病毒還要小的病毒。從1915年第一篇關於噬菌體的文章出現至今的70多年歷史中噬菌體已在分子生物學的舞台上起了重要的作用。1915年,英國微生物學家F.W.特沃特發表了一篇不引人注目的文章,題為「超顯微病毒本質的研究」;文章描述了一個新奇的現象:通過具有細小孔徑的陶瓷過濾板的稀濾液,只要有一滴落到試管內的瓊脂上,就可以使瓊脂上的球菌菌落變為透明。F.W.特沃特後來在討論這一現象時認為有 3種可能:①球菌生活史中,有一個階段不能在正常培養條件下生長;②球菌分泌一種酶,導致它自身的毀滅;③有一種超顯微病毒,能使球菌發生急性「傳染病」。由於第一次世界大戰的影響,研究未能繼續進行。1917年,法國醫官F.H.de埃雷爾提出有一種看不見的微生物能與痢疾桿菌發生拮抗作用。他認為這是一種捕食桿菌的微生物,並命名為噬菌體。
  這種細菌溶菌現象的本質,從20年代到30年代始終是一個爭論的問題。包括著名的比利時免疫學家J.博爾代在內的許多微生物學家認為這是由於細菌突變引起的一種酶的過量生產,使細菌發生傳染性自溶現象。他們未認清噬菌體的兩個不同生活階段,即在細菌外的完整形態結構階段和在細菌內的增殖階段。他們也不承認噬菌體是一種有遺傳性的物質實體。這實際上是對於是否存在著介於生命體和無生命體之間的物質這一老問題的新爭論。恰恰是噬菌體這樣一種生物的地位和性質,成為分子遺傳學研究的極好材料,著名的果蠅遺傳學家H.J.馬勒曾在1921年底預言:「F.H.德埃雷爾的實體如果是基因,則將給我們一個新的角度去解決遺傳問題,它們可以過濾,能在一定程度上分離,能在試管中操作,由它們對細菌的作用而表現出的性質可以研究。但如果把它看作是基因可能是太急了……。」1922年,荷蘭的M.W.拜耶林克根據當時計算出的噬菌體數量級,認為「噬菌體和蛋白質分子的大小相當」。法國巴斯德研究所的E.沃爾曼夫婦起初同意J.博爾代的看法,後來看到T.H.摩爾根和H.J.馬勒對遺傳學的新貢獻,也接受了新思想。1925年,他們提出噬菌體最活躍的要素是含有一種有穩定遺傳性的物質,1935年更明確地定了基因論完全適用於病毒。到40年代中期,科學家已測出噬菌體的大小和含有以蛋白質為外殼和以 DNA為核心的化學本質。這一切都成為噬菌體進入分子生物學的研究領域的基礎。
  分子生物學的建立和發展  1938年,在美國洛氏基金會工作的數學家W.韋弗在一份支持生物學研究的文件中首次使用了「分子生物學」這一名詞。英國生物大分子晶體分析學家W.T.阿斯特伯里於1950年,以「分子生物學」為題在美國作公開講演。以後隨著工作的開展,分子生物學得到普遍承認。分子生物學是生物化學和生物物理學研究發展的必然結果。生物大分子結構和功能的研究正是50年代以來生物化學和生物物理學面臨的中心問題。但在研究功能時必然與遺傳學、免疫學等學科相結合,從而發展為分子遺傳學、分子免疫學等。在實驗材料上選中了微生物,從而應用了微生物學的原理和方法。從1953年以後,分子生物學取得了一系列巨大的突破,開創了一個新的廣闊的研究領域。
  分子生物學的孕育時期  20世紀40年代被認為是分子生物學的孕育時期。1941年,曾在摩爾根實驗室工作過的美國遺傳學家G.W.比德爾同美國生物化學家E.L.塔特姆合作,把生物化學引進了遺傳學。他們用粗糙脈孢菌(Neurospora)為材料,用X射線誘發多種營養缺陷型突變體,並進一步研究這些突變特性在遺傳上的傳遞規律,從而推導出「一個基因一種酶」的新概念(後來有所修改),40年代中期被普遍承認,從而建立了生物化學遺傳學。研究成果促進了分子生物學的發展。一項是,由德國移居美國的物理學家M.德爾布呂克和其同事們在1946年發現不同種的噬菌體在一定條件下能進行基因交換重組。M.德爾布呂克從研究基因的自我複製出發,選中了噬菌體這種極簡單又具有自我複製能力的微生物作為研究對象。他是美國「噬菌體小組」的主將,在40年代後期舉辦了多次噬菌體暑期講習班,宣傳他的學術思想和普及噬菌體的實驗技術。另一項是,1946~1947年,美國微生物學家J.萊德伯格同E.L.塔特姆合作,以大腸桿菌為材料,也發現了基因分離和重組現象。這兩項突破以及他們對噬菌體和大腸桿菌的一些基本研究,對分子生物學的發展起了十分重要的作用。
  1944年,美國細菌學家O.T.埃弗里發現DNA是不同種的肺炎雙球菌之間的轉化因子。第一次證明 DNA攜帶著遺傳信息。這一十分重要的成果卻引起很大爭論,一方面受傳統思想的影響,很多人懷疑他所分離出的DNA不純,可能還是混雜的蛋白質在起作用;但是這一成就無疑地也刺激了人們對DNA化學組成和晶體結構的研究。
  同年,奧地利物理學家、量子力學的奠基人之一E.薛定諤在英國出版了名為《生命是什麼?》的小冊子,其副標題是「活細胞的物理觀」。該書用量子力學的觀點論證基因的穩定性和突變發生的可能性。書中提出必定有一種由同分異構的連續體構成非周期性的晶體,其中含有巨大數量的排列組合,編排成遺傳密碼。該書還用統計物理學中的「有序」、「無序」和「熵」等概念來分析生命現象。E.薛定諤在這本書中還明確指出,生命物質的運動必然服從於已知的物理學定律。但他寫這本書的唯一目的卻是想從複雜的生命物質運動中發現未知的物理學定律。雖然他的物理學家的目的至今未能實現,但卻啟發了人們用物理學的思想和方法去探討生命物質的運動。其中對生命問題提出的一些發人深思的見解,吸引了不少生物學家和對生物學感興趣的物理學家。一些知名的分子生物學家都在自己的回憶中提到這本書對他們的影響,於是有人把這本書譽為「從思想上喚起生物學革命的小冊子」。
  分子生物學的誕生和發展  1953年4月25日在英國的《自然》雜誌上刊登了美國的J.D.沃森和英國的F.H.C.克里克在英國劍橋大學合作的結果──DNA 雙螺旋結構的分子模型。這一成就後來被譽為20世紀以來生物學方面最偉大的發現,也被認為是分子生物學誕生的標誌。40年代後期,由於 DNA的遺傳功能逐漸明確,關於核酸的化學結構和晶體結構的研究也隨之取得進展,1948~1952年美國哥倫比亞大學的出生於奧地利的生物化學家E.查加夫對核酸的 4種鹼基含量進行了重新測定。他利用精確的微量分析方法,取得了與P.A.T.列文不同的結果:在 DNA分子中嘌呤和嘧啶的總分子數量相等。這一重要發現為 DNA雙螺旋結構的鹼基配對原則奠定了基礎。關於DNA的晶體結構分析的工作,一部分由英國倫敦國王學院的M.H.F.威爾金斯和R.E.富蘭克林分別從1950年開始系統地進行;另一部分由美國加州理工學院的化學家L.C.波林從40年代末開始進行,並不斷取得階段性成果。畢業於芝加哥大學動物系的J.D.沃森,由於對遺傳學發生興趣,轉入美國「噬菌體小組」主要成員S.盧里亞的實驗室工作,並獲得博士學位。1951年他經S.盧里亞的介紹到英國劍橋大學,在蛋白質晶體結構分析家J.C.肯德魯領導下工作。英國的F.H.C.克里克原畢業於物理系,在第二次世界大戰中,除參加有關使魚雷克服德軍艦艇的強磁力的研究外,也研究過如何用極小的微點傳送大量情報信息的工作。戰後他對生物學發生了興趣而轉到劍橋大學蛋白質晶體結構分析學家M.F.佩魯茲門下從事研究工作。1951年秋,J.D.沃森和F.H.C.克里克在劍橋相遇,共同認識到探索DNA分子結構是認識遺傳之謎的關鍵,並開始合作。他們前後用了18個月的時間(中間有間斷),到1953年4月終於建立起DNA雙螺旋結構的分子模型。這一偉大成果的取得,主要依據於以下幾個重要的研究結果:M.H.F.威爾金斯和R.E.富蘭克林關於DNA的X射線晶體衍射的結果;E.查加夫對DNA內鹼基含量重新進行測定的結果;一位年輕數學家的計算結果──在由氫鍵相連的鹼基中,嘌呤有吸引嘧啶的趨勢;L.C.波林關於 DNA晶體結構分析的進展;以及美國噬菌體小組一位重要成員A.D.赫爾希及其合作者以噬菌體為材料,用同位素測定方法更肯定地證明 DNA是遺傳信息的載體等。根據這些材料和信息,J.D.沃森與F.H.C.克里克進行了分析與綜合,決定從建立分子模型著手。他們的創造性的思維加上日以繼夜的緊張工作,終於獲得了成功。這一成就被英美的一些科學家認為是英國的結構學派與美國的信息學派相結合的產物。
  不久,J.D.沃森、F.H.C.克里克又提出了關於DNA雙螺旋結構在遺傳學上的含義。他們認為:DNA的兩股鏈包含著遺傳密碼。在細胞分裂時兩條 DNA鏈因氫鍵破裂而分離,各以自己為模板,按照鹼基配對的原則,藉助於氫鍵的產生,在活細胞中形成新的互補鏈。結果原來的DNA分子就變成兩個完全相同的DNA分子,這就是基因的自我複製。這一設想在 1956年被同位素試驗所證實。DNA雙螺旋的建立立刻轟動了科學界,開拓了分子遺傳學這一新的研究領域,並帶來了一個接一個的重大成就。
  50年代在蛋白質的結構分析方面也取得了重要成果。英國生物化學家F.桑格第一次分析出含有51個氨基酸的胰島素的氨基酸順序。這一成果對準確地研究蛋白質本身結構和功能之間的關係,以及蛋白質的人工合成和蛋白質的生物合成都是必要的基礎。L.C.波林在1949年發現非洲人患的鐮形紅細胞貧血症是由於其血紅蛋白異常的結果。從而推測這是由於氨基酸的組成異常而引起的。1957年V.M.英格拉姆用F.桑格方法分析兩種血紅蛋白的氨基酸順序,發現在含有約 600個氨基酸的血紅蛋白中,只是由β鏈末端第 6位上的谷氨酸被纈氨酸所取代(即由於一個遺傳密碼的錯誤)所產生的異常。到1973年已有 300多種蛋白質的氨基酸被分析清楚。1977年F.桑格又建立了DNA鹼基順序的分析方法並完成了分析Φχ174噬菌體DNA的全部約5400個鹼基的順序,促進了基因調節控制的研究。同時,美國分子生物學家W.吉爾伯特也獨立地建立起大片段DNA快速序列的分析方法。
  至於蛋白質晶體結構分析,則建立在英國的布喇格父子及他們的學生創立並發展的 X射線晶體衍射技術的基礎上。該實驗室的M.F.佩魯茨自30年代末開始,就系統地研究了血紅蛋白的結構。至40年代中期J.C.肯德魯參加這個實驗室,又系統地研究了肌紅蛋白的結構(其分子結構相當於血紅蛋白的 4個亞基的一個)。他們改進了分析技術,分別於1958年完成了肌紅蛋白的結構分析,1960年完成了血紅蛋白的結構分析。為此,他們與他們的學生J.D.沃森和F.H.C.克里克於1962年分別獲得諾貝爾化學獎和生理學或醫學獎。與他們在同一單位的F.桑格則於1958和1980年兩次獲得諾貝爾化學獎。這些基礎研究,為進一步探索生物大分子結構與功能的關係打下了堅實的基礎。此外,美國化學家L.鮑林於1950年提出的蛋白質分子構型的α螺旋,也有重要影響。
  遺傳密碼的破譯和基因調節控制 DNA雙螺旋結構建立后,研究興趣首先集中在遺傳密碼上。1953年夏,在美國冷泉港學術討論會上圍繞著DNA的4種鹼基如何排列才能同組成蛋白質的20種氨基酸之間建立對應關係展開了熱烈的討論。美籍俄國血統的宇宙物理學家G.伽莫夫1955年通過排列組合計算,提出三聯密碼和共有64種不同密碼的設想。1961年,F.H.C.克里克和英國分子生物學家S.布倫納以噬菌體為材料研究密碼的比例和翻譯機制,表明密碼以三聯體核苷酸的形式表達著20種不同的氨基酸;而且由一個固定點開始,朝著一個方向「讀」下去。實驗證明了G.伽莫夫的大部分設想。第一個用實驗給遺傳密碼以確切解答的是德國出生的美國生物化學家M.W.尼倫伯格和德國人H.馬太,他們證明苯丙氨酸的密碼是RNA上的uuu(尿嘧啶)。此後,經過美國西班牙血統的生物化學家S.奧喬亞和美籍印度血統生化學家H.G.科拉納等從各方面通力合作,測定出20種氨基酸的密碼,1969年完成了全部64種密碼的破譯。至此,基因控制蛋白質合成之謎得到了初步解答。遺傳密碼的破譯,被認為是分子遺傳學發展史上最輝煌的成果之一。
  如何調節控制基因的表達,是另一個需要探索的重大問題。1958年,F.H.C.克里克提出假說,認為DNA把密碼轉錄給RNA,RNA通過中間的「應接器」,使氨基酸合成為蛋白質,整個過程是不可逆的。這就是著名的中心法則。不久,F.H.C.克里克所提出的「應接器」被發現,它是一種較小的易溶解的轉移核糖核酸(tRNA)。每一個氨基酸都由一個專一的tRNA所攜帶,肽鏈上連接。這個tRNA含有同該氨基酸密碼互補的反密碼子。1961年法國生物學家J.莫諾(1910~1976)提出轉錄 DNA上密碼的是信使核糖核酸(mRNA)。60年代中期科學家還發現細胞內大量存在的核糖體是蛋白質生物合成的場所。1961年法國細胞遺傳學家F.雅各布和J.莫諾共同合作,提出了乳糖操縱子理論,以後被證實為在原核細胞中基因控制的普遍方式。
  美國分子生物學家H.M.特明和D.巴爾的摩長期從事腫瘤病毒研究的基礎上,於1970年分別獨立地發現雞肉瘤病毒(Rousfowl sarcoma)和白血病病毒(Rauschernouse leukemia)都是 RNA病毒。在此基礎上他們發現了依賴於RNA的DNA聚合酶(RNA-dependent DNA pulyme-rose),即反轉錄酶。反轉錄酶能使RNA鏈上的遺傳密碼反轉錄給DNA。這樣,腫瘤病毒就喧賓奪主,改變了宿主細胞DNA的密碼,使腫瘤細胞得以增殖。這一發現不僅對某些腫瘤的病因作了分子生物學的闡明,而且動搖了中心法則的不可逆性,成為中心法則的重要補充。
  真核細胞內的調控機制要複雜得多,也是當前生物學家重點探索的問題之一。
  重組DNA技術的出現  為了研究真核細胞中基因的調控,首先必須獲得足夠量的特定DNA片段。如果能把需要的 DNA片段導入細菌,則可以達到大量增殖的目的。但是,這並非是簡單的技術。60年代末,限制性核酸內切酶的發現,簡化了過去許多複雜的步驟。1972年美國斯坦福大學的生物化學家 P.伯格取得了第一批重組DNA。1973年美國斯坦福大學S.N.科恩和H.W.博耶等用大腸桿菌的質粒(能進行自我複製的重組質粒環狀 DNA)作為運載體。用一種專一性的內切酶取得所需要的外源 DNA片段,把它插入同樣被切開的質粒中,再移回大腸桿菌中。當大腸桿菌大量繁殖時,這種外源DNA也隨之大量擴增。這種技術的建立既促進了真核細胞基因調控的研究;也為實際生產開闢了廣闊前景。1977年在博耶實驗室里完成了利用重組DNA技術生產出人丘腦分泌的生長激素釋放抑制因子(somatostatin)。1978年在美國哈佛大學又成功地用此法生產了胰島素,不久就在舊金山附近一個工廠投產。P.伯格也在這一年成功地把兔子的血紅蛋白基因移植到猴體內。1980年初,在瑞士和美國都報道了利用重組體 DNA技術使細菌生產干擾素。有些科學家認為,重組DNA技術的建立使分子生物學開始了一個新時代。重組DNA技術或稱「基因工程」成為當代新產業革命的一個重要組成部分。
  在重組DNA技術建立之初,從1973年開始美國一些分子生物學家如P.伯格、D.巴爾的摩等。出於科學家的社會責任感,曾開展過一場關於這一技術的實驗室安全性和潛在危害的討論。1975年在美國國家衛生院的支持下,在加州阿西洛馬召開了國際學術會議,研討這一問題。當時,科學家的主導意見是:最好研究制定出一套辦法,既不阻礙科學本身的發展,又能限制它對人類的危害。會後,美國國家衛生院起草了有關實驗室的防護準則。1976年,準則公布。此後,這場爭論擴大到社會上,引起公眾的注意。但由於與這一問題有關的科學研究進展迅速,研究結果表明,實驗室內的危害並非如原來估計的那麼嚴重,準則規定逐漸放寬。但對重組DNA技術可能危害人類社會的問題,很多科學家認為並未解決。
  與此同時,利用細胞融合技術開創應用單克隆抗體的免疫學方法也蓬勃發展。1975年長期在英國工作的阿根廷免疫學家C.米爾斯坦同聯邦德國免疫學家G.克勒在英國用小鼠髓瘤與小鼠淋巴細胞融合的技術,成功地獲得了世界上第一株能穩定分泌抗綿羊紅細胞的單一抗體的雜交瘤細胞株。這一開創性的應用單克隆抗體,被譽為免疫學上的一次技術革命。單克隆抗體技術對腫瘤治療、自動免疫系統病、器官移植以及其他疾病的診斷、治療方面開闢了新的前景。
  細胞生物學的興起  從1893年O.赫特維希出版專著《細胞與組織》起到20世紀50年代,細胞學逐步從形態的描述和實驗轉向結構和功能的探討。1931年E.魯斯卡和M.克諾爾創建了第一台透射式電子顯微鏡,到1945年解析度已達到 20Å。50、60年代隨著電子顯微鏡的改進與相應技術的建立,以及受分子生物學的影響,對細胞的觀察研究進入了新的層次,人們力求從亞細胞結構水平甚至分子水平結構上闡明細胞的整體功能。這就使細胞學發展到一個新的階段,成為一門新興的獨立分支學科──細胞生物學。
  細胞概念的發展  1925年美國細胞學家E.B.威爾遜出版的《發育和遺傳中的細胞》(第 3版)是19世紀中後期以來,有關細胞學研究的總結。他所提出的光學顯微鏡下的細胞模式圖,包括細胞膜、細胞核、細胞質以及主要的細胞器和內含物等,一直沿用到1950年。50年代起,隨著電鏡的廣泛應用,發現膜是細胞的基本結構。60年代還發現細胞質內的微管和微絲,以及由微管按一定規律集聚成的鞭毛、纖毛、基體和中心體等。因此,到70年代開始提出細胞主要是由膜系統結構組成的複雜的動態體系,它既有膜相結構(如細胞膜、內質網、高爾基器、核膜、線粒體、溶酶體、過氧化酶體等),又有非膜相結構(如核糖體、中心體、微管、微絲、細胞質基質、核仁、染色質、核基質等)。對於細胞的生物學特性則概括為:細胞是遺傳信息和代謝信息的儲存和傳遞的系統;細胞是從小分子合成複雜大分子,特別是核酸和蛋白質的系統;細胞又是一個內部有能量流動,並保持整體動態平衡的開放系統。
  細胞膜的結構和功能  1917年美國化學家、物理學家I.朗繆爾發表單分子薄膜的開創性實驗結果,為現代的細胞膜結構概念奠定了基礎。1935年英國生物學家J.F.丹尼利和 H.戴維森提出「丹尼利-戴維森模型」。他們認為細胞表面膜有一個類脂構成的核心,脂分子的極性端朝外,每邊覆蓋一層單分子的蛋白。50年代以來通過瑞典生物學家F.S.舍斯特蘭德、美國物理學家J.D.羅伯遜等各自用電子顯微鏡所作的研究,於1959年指出多數膜是由暗-明-暗,即蛋白-磷脂-蛋白三層組成的「三合板」式結構。這種膜的模型有相當普遍性,故稱單位膜。單位膜膜型未能反映膜的動態結構和膜功能的多樣性與專一性。到70年代,又有人先後提出「流體鑲嵌膜"模型,「晶格鑲嵌膜」模型,反映了膜的流動性,但仍無定論。後來知道,把細胞與外界環境分隔開來的細胞外周膜的功能十分複雜。60年代以來的大量研究工作表明外周膜具有物質轉運、能量轉換、信息傳遞、細胞和分子識別等重要功能。
  染色體的結構  1924年確認植物細胞核同動物細胞核相同,也含有DNA。到30~40年代已分析出染色質內含有DNA、RNA,酸性蛋白和鹼性組蛋白。50年代對各主要成分進行了定量測定,並明確了DNA和組蛋白結合成的核蛋白是染色體的主要成分。60年代又根據所含賴氨酸、精氨酸的多少,將組蛋白劃分為H1、H2a、H2b、H3、H4五種。1953年DNA雙螺旋結構的闡明,推動了染色體結構的研究。1957年美國的泰勒提出的邊鏈模型,屬於「蛋白質骨架」模型。同年英國的威爾金斯則提出以DNA為核心的模型。這兩類模型在60~70年代均各有發展。1974年由A.L.奧林斯、D.E.奧林斯、科恩伯格和奧特脫等提出並經過多方證明的核小體模型,又完全替代了以DNA為核心的超盤繞模型。反映了對染色體結構的新認識。
  線粒體的結構和功能  1934年美國解剖學家R.R.本斯利和 N.L.霍爾成功地分離了豚鼠肝臟的線粒體, 開創了用生化方法直接研究細胞器的廣闊前景。1948年已確定線粒體是細胞呼吸的場所,又是細胞能量轉換的中心。50年代,羅馬尼亞裔的美國細胞生物學家G.E.帕拉德(1952)和F.S.舍斯特蘭德(1954)分別發表線粒體結構的報告,雖略有差異,但主要方面比較一致。1956年G.E.帕拉德提出線粒體由外膜、內膜、脊、外室、內室和基質等組成,不久就得到了普遍的承認。1962年用負染色法發現線粒體的內膜粒子。以後通過拆離重組實驗,證明內膜粒子即ATP酶複合體。1973年查明ATP酶複合體頭部、柄部和基部的各亞單位和分子量,其分子量總和與整體測定的分子量接近。
  線粒體最重要的功能是進行與ATP合成有關的氧化磷酸化作用。關於氧化磷酸化的機理研究,1953年德國生化學家E.C.斯萊特提出化學偶聯假說;1961年英國生化學家P.米切爾提出化學滲透偶聯假說;1964年先由P.D.博耶后又由 D.E.格林提出構型偶聯假說。3種假說都認為偶聯涉及一種最初的受能狀態,如高能的中間產物,H+離子梯度及構型的變化等,並由它們推動 ATP的合成。三者都各有依據,但也有未能證實的方面。
  神經生物學的新進展  神經解剖的研究早在16世紀就開始了,但是真正用科學方法來研究神經生理學則始於18世紀末。19世紀中後葉,關於神經的基本組織單位、先天的反射活動和後天建立起來的反射行為等已經成為生理學家感興趣的問題。到20世紀,神經生理學發展很快,從結構、組織、生理、生化、胚胎、藥理、病理等行為許多方面開展了大量研究。神經生理學這一名稱遂擴大而被稱為神經生物學。有時也稱為神經科學。
  神經系統結構的研究  西班牙的神經組織學家S.拉蒙·伊·卡哈爾在19世紀80年代建立起神經元理論,指出神經系統,包括中樞和外周神經均由具有特殊結構的神經細胞、通稱神經元組成,各個神經元之間有連接點。神經元理論的建立取代了過去不是建立在細胞基礎上的網路理論,為研究神經傳導奠定了科學基礎。19、20世紀交替之際英國生理學家C.S.謝靈頓在S.拉蒙·伊·卡哈爾的基礎上繼續進行這方面的研究。1897年,C.S.謝靈頓把神經細胞之間的連接點定名為「突觸」,它成為以後研究神經傳遞的一個重要概念。1910年C.S.謝靈頓進一步提出由於有突觸存在,神經脈衝不是隨機地在神經細胞間傳入傳出,而是通過突觸的單向傳導。經過許多人的工作,到20世紀初已經明確突觸是有結構的。從20年代直到20世紀50年代通過高倍電子顯微鏡的觀察表明,突觸前和後有兩個分開的膜,分屬突觸前後兩個神經元,中間的200埃間隙,稱為突觸間隙。這樣的結構普遍存在於神經系統中。電鏡的觀察還表明,突觸前靠近膜處有突觸小泡等其他結構。突觸小泡後來證明是神經遞質貯存的場所。
  神經興奮的電傳導  早在1791年,義大利解剖學家L.伽伐尼就發現了生物電現象。19世紀有更多的生理學家從事電生理的研究。取得了測定神經電傳導的速度、發現「全或無」定律等許多成果。20世紀有了示波器和電子放大器,特別是30年代英國生理學家J.揚於1933年以烏賊大神經纖維作為研究材料后,對神經電傳導的電阻、電位及其在刺激前後的變化等都進行了定量的測量。40年代,英國生理學家A.L.霍奇金、A.F.赫胥黎和B.卡茨進而研究鈉,鉀離子同神經傳導的關係。他們發現:在靜止狀態時神經纖維膜為「鉀膜」,鉀離子可以通透,趨向於鉀的平衡電位;在活動時則為「鈉膜」,對鈉離子有極大的通透性,趨向於鈉的平衡。因此動作電位的產生,本質上是「鉀膜」轉變為「鈉膜」,而且這種轉變是可逆的(見生物膜離子通道)。
  神經化學遞質的研究  1905年英國生理學家T.埃利奧特發現用電刺激交感神經的結果同腎上腺素引起的反應類似,並認為這很可能是當電脈衝到達肌肉連結點時釋放了腎上腺素。這項工作當時並末引起重視。1921年奧地利的O.勒維用蛙心作實驗,直接證明在心肌上的交感神經末梢和副交感神經末梢釋放出兩種不同的化學物質,一種使心跳減速,另一種使心跳加速。英國生理學家H.H.戴爾早在1914年就從麥角中分離出乙醯膽鹼。後來O.勒維認為副交感神經對心肌的作用同乙醯膽鹼類似。1926年,在H.H.戴爾建議下,O.勒維用毒扁豆鹼抑制乙醯膽鹼酶的活性,使乙醯膽鹼能保持一定量。同時也觀察到副交感神經作用加強和延長的效果。1932年前後,H.H.戴爾又作了一系列的實驗,取得了乙醯膽鹼存在於內臟器官神經末梢的直接證據。此後,乙醯膽鹼作為神經遞質則擴大到橫紋肌神經末梢、交感副交感神經節和中樞神經系統中的某些神經細胞的末梢等方面。這項開創性的研究為此後神經遞質的研究打下了良好的基礎。至於交感神經末梢遞質是去甲腎上腺素首先是美國生理學家W.B.坎農和其合作者在1934~1935年提取出「交感素」(sympathin),1946年瑞典生理學家U.S.von奧伊勒才闡明其為去甲腎上腺素。第二次世界大戰後,特別是自1960年以來,對腦內遞質開展了不少研究。除了上述已知的兩種遞質外,還發現了約30種不同的遞質,各在一定的部位,各有不同的作用。它們有些是氨基酸,如甘氨酸、丙氨基丁酸等;有些是胺類,如兒茶酚胺類的多巴胺,去甲腎上腺素和腎上腺素等;還有些是多肽類。70年代腦啡肽的發現為神經系統內抗痛機理的研究開闢了新的前景。
  腦功能的研究  英國生理學家C.S.謝靈頓的工作是同「反射」活動聯繫在一起的。他本來想研究大腦的反射活動。由於太複雜難以著手,才於1893年從研究膝跳開始,研究感覺神經元、運動神經元以及由一個或多個中間神經元連接起來共同協作所形成的反射弧。為闡明這一神經系統的整個過程,他花了約10年的時間。第一次世界大戰之後,他提出抑制的概念,並認為抑制過程同興奮過程同等重要。他還研究了不同類型的協調反射,以及大腦或小腦對脊髓反射中樞的影響。俄國生理學家И.П.巴甫洛夫在20世紀初建立起「條件反射」的概念。這是他長期以精巧瘺管技術對消化生理進行研究的結果。他證明條件反射是大腦活動的結果,可以由後天訓練得來。他利用條件反射對大腦的興奮與抑制過程作了大量研究,不僅對生理而且對心理、精神病以及教育等都有一定影響。
  關於腦功能區的定位問題,到19世紀才有人提出:大腦主司感覺與思考,延髓為活命中樞,小腦主協調軀體運動。19世紀80年代,部分切除狗腦皮層手術成功;同時也通過用電刺激腦的不同部分引起不同反應來研究大腦皮層的功能定位問題。對人的大腦皮層功能區的研究,開始於19世紀對屍體解剖的觀察,如失語症同額葉中央前回底部之前的損傷有關等。在人腦上用電刺激研究功能定位,開始於20世紀30年代。德國神經外科醫生O.弗爾斯特和加拿大神經生理學家W.G.彭菲爾德在外科手術時,在清醒的病人身上,用電刺激大腦的不同部位引起不同反應。根據這種結果繪製出人的大腦皮層功能區域圖表明,感覺區集中在中央后回,運動區集中在中央前回,這些區域的每一處都同身體的一定部位相聯繫,但皮層部分的大小與實際體表部分不成比例,而同控制的精確度成比例。例如大拇指和食指的代表區的面積比胸部12根脊神經傳入代表區的總面積大好幾倍。美國腦生理學家R.W.斯佩里從40年代就開始用貓和猴子做實驗,切斷大腦兩半球間的連接,進行觀察。60年代,他同醫生合作,對癲癇病人作兩半球割裂治療時觀察到:兩半球分工不同,各自具有相當的獨立性。兩個半球分別具有高級智慧機能,但語言主要在左側;當外界視像進入左半球時,可以用語言表達出來;當外界視像進入右半球時,則不能用語言而只能以手勢來表達。這一工作改變了原來對大腦功能區看法,引起了人們的重視。
  19世紀70年代英國生理學家R.卡頓用兔、貓、猴等40頭動物作測量,發現它們的大腦普遍存在著電的變化。由於功能不同,不同區域腦電的強弱也不同,腦電隨著動物的死亡而消失。即使在顱骨上面也可測出向各方傳播的電波。15年後,這一現象又由波蘭生理學家A.貝克獨立發現。此後,腦電才引起科學界的注意;進入20世紀后開始作腦電記錄。1925年德國精神病學家H.伯傑用靈敏度高的電極插在他兒子的頭上作腦電測定,發現有心理活動時(如注意等)腦電波發生變化。他還記錄了腦損傷時的腦電圖,為後者用於臨床診斷奠定了基礎。從1929年到1938年,他每年出一本《關於人的腦電圖》,為從事這方面的工作的人們提供了豐富的資料。但是腦電圖是腦內數以百億計的神經元的綜合電活動,可以對癲癇或腦內重大病變提供信息,卻不能揭示感知的過程。從50年代開始,腦電的研究向著探索與特定知覺有關的信號方向發展,開展了誘發電位的研究工作。英國由G.道森於50年代初建立起世界上第一個記錄瞬態誘發電位的裝置。隨後,由美國M.克萊因斯和M.科恩將該機械裝置全部加以電子化並同專用計算機相連。60年代,又引入傅立葉分析儀,使研究工作取得新進展。到70年代對人的視覺、聽覺、甚至嬰兒的感覺,都有了靈敏的檢查指標,不僅在臨床上得到廣泛應用,也為進一步探索腦功能提供了條件。
  20世紀在感覺生理學上最受重視和發展最快的是中樞神經系統對外界感覺的加工,在如何識別信號、如何形成感知方面已取得了一些階段性成果:①神經網路上側抑制的發現。出生在匈牙利的美國生理學家 (原來是物理學博士)G.von貝凱西發現在視覺系統中有互相抑制的作用,有助於加強視覺中的反差效應。他還發現,在聽覺系統中也存在側抑制。這一作用原理已被應用於通信系統和工程技術系統的信號檢測。②神經纖維的感受域。這是英國生理學家E.D.阿德里安在1930年前後提出的概念。他的實驗發現許多感受器都會引起同一根神經纖維的反應,因此他把這一纖維所聯繫的許多感受器的區域稱為感受域。此後,不少英國和美國的生理學家發現在整個視覺系統的各級水平上的神經元都存在感受域,每一級都有不同程度的信息加工功能。在聽覺系統中也有同樣情況。因此,感受域的概念具有普遍意義。③大腦皮層存在著「粒」狀細胞群的「功能結構」。60~70年代的研究初步表明,大腦有109~1011細胞,它們是有序的,在感知外界事物的信息加工過程中是遵循一定的法則的,而且各種感覺都有共同規律。
  從歷史的發展看,神經生理學、特別是大腦功能的研究,已成為繼分子遺傳學以後吸引科學家進行探索的一個重要領域。
  進化論在20世紀的發展  1859年C.R.達爾文的《物種起源》出版后,他所建立的以自然選擇為核心的進化論經過一段爭論之後較快地被同時代的許多生物學家所接受,並在科學上不斷得到補充。但是,由於遺傳學在1900年以前尚未建立,自然選擇的機制尚缺乏實驗基礎,人們在承認生物進化事實的同時,對進化的機制卻產生了種種看法。進入20世紀后,遺傳學進展十分迅速,在不同的發展階段都對達爾文的進化學說產生了影響。
  在孟德爾定律重新發現后的一段時間內,達爾文的進化論曾處於不利的地位。首先是對達爾文提出的作為自然選擇基礎的連續變異發生了尖銳的爭論。英國生物統計學派的代表人物 F.戈爾頓和 W.F.R.韋爾登等堅持達爾文的連續變異和漸進進化的觀點,斷言孟德爾定律在進化過程中不起作用;而以W.貝特森為代表的遺傳學家則堅持不連續變異即突變在進化過程中有重要作用。1904年在英國科學促進會組織的一次會上,這場爭論以W.貝特森的勝利而告終。此後,許多學者對達爾文關於自然選擇作用於連續變異能產生進化性變化的學說表示懷疑,反而接受了H.德·弗里斯於20世紀初提出的通過「突變」而產生新種的驟變論觀點。遺傳學家同生物統計學家之間對進化主導因素的不同認識,主要是由於當時的遺傳學家大都在實驗室或試驗園地中工作,較多地注意個體遺傳過程的研究,而忽視了對群體遺傳變異規律的探討所致。達爾文的自然選擇學說在進化論中恢復了它的主導地位,主要是從20~30年代群體遺傳學建立后開始的。早在1908年英國數學家G.H.哈迪和德國醫學家W.魏因伯格就分別提出平衡定律指出,在一隨機交配的大群體中,若無突變、遷移和選擇等因素的影響,則顯性基因與隱性基因的比例可以代代保持恆定。但這一工作當時沒有引起注意。到20年代由於C.C.切特韋里科夫、R.A.費希爾、J.B.S.霍爾丹和S.賴特等人作了大量的研究工作,群體遺傳學才完全建立起來。
  蘇聯進化論者C.C.切特韋里科夫於1926年發表了一篇題為《從現代遺傳學觀點看進化過程的某些特徵》的論文,總結了他對果蠅自然群體的研究。認為群體內含有大量「隱藏著的」遺傳變異,這些變異大多數是隱性的,在純合情況下會致死,但若以雜合的形式存在,則其基因頻率就可代代相傳,符合於哈迪-魏因伯格定律;自然選擇對它們發生作用,便會導致生物的進化。他還推斷,群體越大顯出「隱藏」變異的可能較小;群體越小,顯出「隱藏」變異的可能較大,由此可以預料小群體比大群體進化更快。C.C.切特韋里科夫的工作促進了遺傳學與自然選擇的結合,可惜俄文的著作不能立即為世界遺傳學界和進化論界所了解。英國生物統計學家R.A.費希爾於1930年出版了《自然選擇的遺傳學理論》一書,概括了他從1918年開始的工作。他用數學模型研究了適應同群體增長速度和群體基因頻率變化之間的關係。他表達了以下概念,即突變大都是不正常的,遲早要在進化過程中被淘汰,只有自然選擇作用於連續變異才能實現生物的適應和進化。這是在英語國家中首次試圖把達爾文的自然選擇學說同孟德爾遺傳定律協調起來的工作。他的工作很快就被學者們接受。W.貝特森的學生R.C.龐尼特在評論該書時說:「全書給人一個印象,即費希爾把進化過程看作是一個漸進的、幾乎是感覺不到的過程,而這些又是在不連續的基礎上進行的。這是因為他把一個已知的群體看成是一個有自己特性的整體,而在遺傳學家看來,群體不過是個體的集合而已。」英國生物學家J.B.S.霍爾丹在他1932年出版的《進化的原因》一書中總結了他自1924年以來的研究,進一步把群體遺傳同進化機理結合起來,他用數學方法定量地研究了由於自然選擇而發生的群體中基因頻率改變的過程,在許多方面都作出了重要貢獻。美國遺傳學家S.賴特1931年發表了題為《孟德爾群體的進化》的論文,強調了隨機漂變在小群體中的重要性及非加性基因相互作用系統的普遍性,也為群體遺傳學的建立打下了基礎。可是,上述三位學者的著作都是用艱深的數學語言寫成的,這就限制了它們在生物學界的影響。
  現代綜合進化論的誕生一般以T.多布然斯基1937年出版的《遺傳學與物種起源》一書為標誌。他在書中把群體遺傳學的成就同摩爾根等建立起來的果蠅染色體理論以及自然群體變異的觀察結果進行了綜合,發展了達爾文的進化學說,因此又稱為「現代達爾文主義」。多布然斯基原本是蘇聯人,比較了解以C.C.切特韋里科夫為首的蘇聯學派的工作,該書又以通俗的英語寫成,故很快就得到廣泛的傳播。以後,英國進化論家J.赫胥黎主編的《新系統學》(1940)及他的著作《進化論的現代綜合》(1942)、美國進化論家E.邁爾的《分類學與物種起源》(1942)、美國古生物學家G.G.辛普森的《進化的節律和方式》(1944)以及美國遺傳學家G.L.斯特賓斯的《植物的變異和進化》等著作相繼出版,表示了綜合進化論的日趨成熟。他們把進化看作是突變、基因重組、選擇與隔離等因素相互作用的結果,認為突變本身不能導致進化,只是為進化提供了選擇的新材料。
  50年代分子遺傳學的興起又相當大地影響了進化論的發展,主要是使進化論擺脫了任何獲得性遺傳的影響,也排除了任何性狀朝著一個方向連續突變的可能性,同時提供了有價值的同功酶凝膠電泳的研究工具,使學者們通過比較氨基酸和核苷酸的種類和順序就能在分子水平上研究各類生物的親緣關係等。1978年E.邁爾明確指出了現代綜合進化論的特點:徹底否定獲得性遺傳,強調進化的漸進性,認為進化是群體現象,並重新肯定了自然選擇的壓倒一切的重要性。
  在綜合進化論盛行了30~40年之後,又遇到了兩個嚴峻的挑戰。一個是1968年由日本遺傳學家木村資生提出、並於1969年得到美國生物學家J.L.金和T.H.朱克斯積極支持的「分子進化的中性學說」。他們根據分子生物學所發現的新事實,指出在分子水平上引起進化性變化的主要因素不是C.R.達爾文的正選擇,而是選擇中性的或近乎中性的突變隨機漂變的結果。木村認為在表型水平上達爾文的自然選擇起主導作用,而在分子水平上起主導作用的則是隨機的遺傳漂變。中性學說提出后曾引起過不少的爭論,但確實打開了一個尚需探索的新領域。
  對綜合進化論的另一個挑戰是美國古生物學家 N.埃爾德雷奇和S.J.古爾德於1972年提出的間斷平衡論。他們認為,生物進化是漸變和驟變交替出現的過程。達爾文進化論和綜合進化論都強調演化是一個漸變過程。間斷平衡論則認為大多數的新種是在地質上可以忽略不計的短時間內出現的,這種迅變過程叫做成種作用;物種形成后在選擇作用下發生十分緩慢的變異,這個緩慢變異的過程叫做種系漸變。他們認為整個演化過程是漸變與驟變的交替即新種在短期內迅速形成,又在長時期內保持相對穩定。間斷平衡論的主要依據是某些被認為是由於基因突變和環境激變而導致迅速成種的古生物學事實。因為在許多情況下並不存在中間類型的事實,該理論可以解釋化石中缺少中間環節的現象。間斷平衡論在1980年於芝加哥召開的國際進化生物學專題討論會上得到不少人的支持,所以也引起了科學界的重視和研究。
  生態學和生態系統  生物學向宏觀方向發展的結果是生態學的成長和發展。「生態學」一詞是E.海克爾於1866年最先引入科學之中的。他於1869年給生態學所下的定義是:「研究動物對有機和無機環境的全部關係的科學。」所以,生態學作為一門學科只有100多年。在19世紀以前一些科學家雖已間或從生態學的角度思考問題。但只是到了19世紀初生物地理學出現后才促進了生態學思想的發展。德國自然科學家 A.von洪堡是研究動植物群落與地理環境關係的先驅。他特別注意植物與生長地條件的關係,認為在相似的地帶和垂直帶地理條件中,不同類型植物表現出相似的「外貌」。A.von洪堡在 1807年出版的《植物地理論文集》一書中結合氣候與地理因子描述了物種的分佈規律。在 A.von洪堡思想的影響下,德國生物學家K.貝格曼於1847年指出,寒冷地區的鳥類及哺乳類與溫暖地區的同種個體相比,體型往往較大,被稱為貝格曼氏規律。瑞士植物學家A.德康多在他的《植物地理學》(1855)一書中詳細描述了各種環境因素(溫度、濕度、光、土壤類型的朝向)對植物的影響,並注意到,植物的生態可塑性比動物的高。
  19世紀後期生態學的研究內容基本上是動植物的生活方式以及它們對溫度、光、水分等氣候條件的適應。丹麥植物學家J.E.B.瓦爾明發揚了洪堡的生態學思想,他所著的《生態植物地理學》(1895)一書奠定了生態植物地理學的基礎。法國植物學家A.F.W.席姆佩爾則通過他的《生理學基礎上的植物地理學》(1898),論述了植物分佈與環境因素的關係。這兩本書都對生態學的發展產生了很大影響。1877年,D.L.艾倫發現隨著氣候的地理改變,北美哺乳動物和鳥類的身體及其突出部分的比例,以及顏色的變化等都遵循一定的規律。
  19世紀70年代末,生態學中產生了群落研究的新方向。它源於德國水生生物學家K.A.默比烏斯。1877年他基於對北海牡蠣淺灘的研究,總結出生物群落的概念。他認為生物群落或自然群落是物種相互之間的關係以及它們對相似生態環境的長期適應的結果。稍後,俄國Ю.К.帕卻斯基建議把植物群落的研究作為一門特殊的學科劃分出來,並於1896年稱這門學科為「植物社會學」。十月革命以後,蘇聯的植物群落研究在「地植物學」或「植物群落學」的名稱下發展。在群落研究上,北美植物生態學家把注意力放在植物群落的發展和動態方面。生態學家J.M.庫爾特的學生H.C.考爾斯,於1897年完成的博士論文「印第安納州北部沙丘植物區系的生態學關係」標誌著植物演替問題研究的開始。演替是現代生態學的中心概念之一。美國生態學家中,對演替的研究貢獻最多、影響最大的是F.E.克萊門茨。他的《植物演替:植被發展的分析》(1916)是植物生態學的里程碑性的著作,一直到今天仍然是植物生態學的重要參考文獻。與此同時,歐洲植物生態學家卻關心植物群落的組成與結構的分析和以區係為基礎的植被分類。法國的 J.布朗-布朗凱就是這一方向的代表。早期的植物生態學家主要關心陸地植物群落,至於水生群落的研究則是在兩個歐洲水生生態學家A.蒂內曼和F.福雷爾的推動下發展起來的。A.蒂內曼將「生產者」和消費者的概念引入到營養級位或採食級位之中。F.福雷爾則在他的關於里曼湖的專著中提出了「湖沼學」這一名詞,專指對淡水生物的研究。
  歐洲早期的動物生態學研究以英國的C.S.埃爾頓的工作最著名,他是30年代出現的種群生態學的奠基人。他在《動物生態學》(1927)一書中把自己的注意力從單個生物轉向整個種群,並認為對種群應獨立地進行研究。種群生態學的中心問題是種群結構和數量動態。種群研究不僅有助於對生物進化問題的了解,它也是解決許多實踐問題(如病蟲害防治、野生動物保護等)的理論基礎。
  美國 A.J.洛特卡(1925)和義大利的 V.沃爾泰拉(1926)的工作促進了種群研究向實驗方面發展。1935年,G.F.高斯研究了捕食者和被食者的相互聯繫種間的競爭關係。種群研究還導致了H.A.格利森於1917年提出生態位的概念。1920年,H.E.霍華德發現鳥類生活的領域作用,導致M.M.奈斯在30和40年代的進一步研究,從而產生了行為生態學。此外,種群生態學由於定量研究的需要而導致理論數學生態學的產生。
  從40年代開始,在生態學中產生了嶄新的研究觀點和方法。1935年,英國生態學者A.G.坦斯利提出了生態系統的概念。5年之後,蘇聯的В.Н.蘇卡喬夫又獨立地提出了「生地群落」的概念;在這兩個概念中都包含著生物與非生物環境的整體統一性,以及作為生物群落與周圍非生物環境聯繫的基礎的物質循環和能量轉化的思想。生態系統概念和生物地理群落概念非常相近,現在大多數生態學家同意把二者作為同義語使用。
  特別應該提到的是對系統生態理論的建立起了重大作用的R.L.林德曼。他和他的妻子於30年代末期在明尼蘇達對一個衰老湖泊開展了詳細的生物學研究。他們闡明了養分從一個營養級位到另一個營養級位的移動規律,因而創造了營養動態觀點。1942年,他發表了題為「生態學中的營養動態方面」一文。這是一篇關於生態系統中能量流的經典著作,具有劃時代的意義,成為後來關於動、植物群落中能量流動的許多研究的理論基礎。R.L.林德曼以數學方式定量地表達了群落中營養級的相互作用,建立了養分循環的理論模型,標誌著生態學開始從定性走向定量。
  近30年來,美國生態學家E.P.奧德姆、H.T.奧德姆、G.E.哈欽森的著作都對系統生態學的發展起了推動作用。E.P.奧德姆的《生態學基礎》(第三版,1971)一書對生態學知識的傳播和青年生態學家的培養均起了很大作用;H.T.奧德姆的《系統生態學》(1983),則是系統生態學的權威性著作。蘇聯學者В.И.韋爾納茨基在建立生物圈學說上做出重大貢獻。生物圈實際是全球生態系統。它的穩定性和平衡,是以保證物質和能量平衡的生態學規律為基礎的。自20世紀50年代以來,對生態學發展產生深遠影響的是一項國際性的研究計劃──國際生物學計劃 (International Biological Program),簡稱IBP。該計劃的研究重點是全球不同生物群系(biomes)的生產力,以及為滿足地球上不斷增長的人口的需要,研究可能提取的產量的最大定額。換言之,IBP計劃的最終目的是為了最合理地利用生物有機物質而查明它們的質和量的分佈,以及再生產的基本規律。計劃於1964年開始(少數國家開始稍晚),70年代初期結束,由於IBP計劃的執行,使人們對不同生態系統的功能所涉及的過程,特別是光合作用的生產力,水和礦物質的循環,以及碎屑物的作用等,均有了較深入的了解。
  IBP計劃結束后,由聯合國教科文組織的另一項國際性研究計劃即《人與生物圈》計劃 (Man and Biosphere)(簡稱MAB計劃)作為接替。MAB計劃的目的是更深入地研究自然界和社會相互作用的基本規律。
  動物行為的研究  早在19世紀上半葉,G.居維葉和E.G.聖提萊爾便就動物學研究方法發生過爭論:前者強調實驗室研究,後者主張在自然條件下進行觀察。在他們的影響下,有關動物行為的研究,形成了兩個傳統。代表前一傳統的多是生理學家和生理心理學家。如 И.П.巴甫洛夫、美國E.L.桑代克和B.F.斯金納等。他們在實驗室里對狗、貓、大鼠等的學習行為進行了大量研究。經典條件反射和操作式條件反射便是他們的著名貢獻。另一個傳統的代表主要是具有博物學傾向的動物學家,如奧籍德國人 K.von弗里施、奧地利人K.Z.洛倫茨和荷籍英國人N.廷伯根等。他們在自然環境中通過觀察和實驗,分析行為的動因,探討行為的適應功能,并力求推導行為的進化途徑。
  行為研究中的一個最古老的課題是:動物行為中有多少是先天本能又有多少是後天習得的。哺乳動物比較善於學習,而昆蟲和鳥類則有著豐富的本能行為,因而有關本能行為的研究常常是以蟲、鳥為研究對象。美國學者W.克雷格曾對鴿類進行長期研究,他於1918年指出:本能行為並非僅僅是一連串定型的反射動作;在開始時動物在慾望驅動下表現出煩躁不安、四向搜索,這時的動作很多是習得的,只有當找到適宜刺激(例如食物)時本能行為才進入完成階段而出現定型的反射動作;之後可能有一段時期動物厭惡原刺激,最後進入安適無欲狀態。與此同時,德國學者O.海因羅特借在動物園工作之便,對鴨和鵝進行了系統研究。他強調尋找同源行為,就象在比較解剖學中研究同源結構一樣,這樣可以闡明行為的進化途徑。另一位德國學者 J.von於克斯屈爾則指出:在動物所感受的周圍環境中,只有一部分關鍵刺激是真正起作用的。正是這些刺激觸發了動物的體內機制使本能反應「釋放」出來。這些見解給早期行為研究工作者以很大影響。
  奧地利學者K.Z.洛倫茨是早期行為生物學的集大成者。他在大學時攻讀比較解剖學。深受進化學說的影響。他多年與O.海因羅特交往,他的研究對象也以鳥類為主。1935年,他發現鵝、鴨的幼雛孵化后不久便會跟隨它們可看到的第一個移動著的物體,並對它產生強烈而固執的依附,假如這個物體能發出聲音,這種依附更強烈。他認為這是天賦和學習相互作用的有趣例子。K.Z.洛倫茨吸收了W.克雷格和J.von於克斯屈爾的解釋,總結了自己對本能行為的研究而提出一種被稱為「能量積蓄」的理論模型;他將體內控制行為的機制比作一種可以注入氣體(以後在1950年的論文中又改用液體來比擬)的容器。隨著氣體的注入,壓力不斷升高,動物逐漸出現焦躁、搜索等行為。及至遇到關鍵刺激,引起氣體的迅速釋放,出現定型的本能反應。最後,壓力降低使機體進入安適狀態。
  荷蘭學者N.廷伯根與K.Z.洛倫茨同被視為現代行為生物學的奠基人。他早期的研究集中於尋找誘發本能行為的關鍵刺激,所涉及的行為包括:細腰蜂的捕獵及反巢行為,幼雛向母鳥的乞食行為,以及三棘魚的生殖行為等。三棘魚生殖行為包括占域、求偶、交配、產卵及育卵等一系列相接的動作。他據此把K.Z.洛倫茨的學說進一步推廣:一個本能動作的完成促進了下一個本能動作的發生,於是形成一個行為鏈。1949年他轉到英國去工作。50年代起他開始對海鷗作系統的比較研究,試圖推導出海鷗信號行為進化路線。
  奧地利學者 K.von弗里施的研究興趣始終環繞著動物如何獲取信息和交換信息這一方向。他早年便在魚身上建立起食物與顏色及聲音的條件反射,從而證實了魚具有色覺及聲覺。之後,他同樣證實了蜜蜂有色覺。20世紀中葉,他發現了外出尋食的蜜蜂,藉助舞蹈動作通知在巢蜂群關於蜜源的方向和距離。
  自50年代起,行為生物學和比較心理學逐漸接近,雙方互相取長補短。以50年代在英國出現的以N.廷伯根為首的學派為代表,目前很多學者對實驗室的工作和野外工作是並重的。宏觀上,由非洲荒漠、南美叢林,直到兩極地帶都有人在工作。對野生動物在原地進行隱蔽觀察、拍攝電影、「標記追捕」、在空中水下、以及用無線電追蹤等方法均被行為學家所使用。微觀上E.R.肯德爾等人在80年代對海兔學習行為的一系列研究已深入到細胞和分子水平。所以,1973年K.von弗里施、K.Z.洛倫茨和N.廷伯根共獲諾貝爾生理學獎一事不僅是表彰他們本人的傑出貢獻,也是標誌著行為生物學在生物學研究領域中已進入了一個發展的新時期。

 

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