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§一科学世纪的新发现（第2页）

到19世纪有机化学理论也逐步发展起来。先是维勒和李比希提出有机化合物是由“基”组成的。李比希认为，基是一系列化合物中不变的组成部分，有机物中的基可以被其他简单物取代，基与某简单物化合以后，简单物还可被相当量的其他简单物所取代。1834—1839年，杜马（Dumas，1800—1884）发现了醋酸中的氢被氯取代的详细过程。1842—1843年，法国化学家日拉尔（Gerhardt，1816—1856）通过研究把有机物分成多种类型，这就是著名的日拉尔“类型论”，类型论是有机化学同系物的早期概念，1848—1850年，德国化学家霍夫曼（A。W。Hofmamn，1818—1892）又发展了日拉尔提出的类型论，提出了有机化合物的多种类型，如水型、氢型、氯水氢型、氨型，等等。

1858年，德国著名化学家凯库勒（F。A。Kekule，1829—1896）提出了碳的四价学说，这一学说成了有机化学结构理论的基础。凯库勒还因发现了苯的分子结构而出名。他1829年生于德国的达姆斯塔德，中学时就懂四门外语，1849年从师于李比希，学习化学。据说1865年圣诞节后的一天，凯库勒因研究苯分子结构已疲惫不堪，按说他早已测定清楚苯分子是由六个碳原子和六个氢原子组成，而按照碳原子四价的学说，却很难把它的结构式说清楚。凯库勒百思不得其解，就坐在安乐椅上靠着壁炉睡着了，睡着以后他做了一个奇怪的梦，梦见他画的苯分子的六个碳连着六个氢的直链变成了一条怪蛇，这条怪蛇翻转舞动，最后回头一口咬住了自己的尾巴，形成一个环。凯库勒就此惊醒，从而发现了苯分子的环状结构。

原子四价学说和苯分子结构发现之后，对有机结构理论的研究发展就更快了。俄国化学家布特列洛夫在1861年德国“自然科学家和医生代表大会”上作了题为《论物质化学结构》的报告，系统地提出了有机结构理论，从而奠定了有机化学结构学说的基础。与此同时，英国化学家弗兰克兰（Fronkland，1825—1899）、库帕（Couper，1831—1892）等人在有机结构理论的建立方面也做出了巨大贡献。

立体有机化学理论在19世纪也得到了发展。1815年，法国人比奥（1774—1862）发现有些天然有机物在液态或它的溶液中有旋光性（当偏振光射入这类物质后，振动面会发生偏转，石英晶体、松节油、糖溶液都有这种性质）。1848年，巴斯德用人工方法把19种酒石酸盐的结晶分为左旋酒石酸和右旋酒石酸，它们之间的关系就像左手和右手一样不能叠合，亦如镜中影像和实体的镜像对称一样。接着，德国化学家威利森努斯（1838—1902）研究了乳酸的旋光性后得出结论：分子的旋光异构只能以原子在空间的不同排布来解释。在此基础上，1874年，荷兰人范霍夫（Jarit　Hoff，1852—1911）和法国人勒贝尔（1847—1930）分别提出了碳的四面体结构学说。这一学说标志着人类已在有机物的微观世界开始立体思维。有机物质的原子在空间有规则地排列着也是一种自然奥秘的美。范霍夫由于他后来的化学成果而在1901年成为第一个诺贝尔化学奖的获得者，而这个新的世纪已是人类开始探索生命基本组成单元DNA的空间结构的时代了。

能量守恒与转化定律

对能量守恒单纯从哲学上给以思辨性研究的历史很长，在古希腊的哲学家那里已经有所提及。到了笛卡儿，提出了运动守恒；而黑格尔（G。W。F。Hegel，1770—1831）则提出了现象之间互相联系和转化的思想。这些观点当时并未引起人们的注意，因为能量守恒和转化定律必须建立在一定的客观基础上，而这种客观基础还在建设的过程中，它主要包括三个方面：

第一，是力学和蒸汽技术的基础，这是能量守恒定律的第一个基本物质前提。力学方面，伽利略已直观地把这个定理表述为：“物体在下落过程中所达到的速度能够使它跳回到原来的高度，但不会更高。”1695年，莱布尼兹（G。W。Leibniz，1646—1716）把能量原理表述为：力和路程的乘积等于活力（mv2）的增加。他认为宇宙间的活力的总和是守恒的。瑞士数学家伯努里（Johann　Bernoulli，1667—1748）一再讲到“活力守恒”，即当活力消失时做功的本领没有失去，而只是变成另一种形式。在热学领域，最初广泛流传着热质说，就是在拉瓦锡用燃烧理论代替燃素说时，他还把热看做一种物质。把热看做物质就不可能存在热和机械能的转化问题。所以在热素说占统治地位时人们不可能理解由蒸汽机的发明所揭示的热和机械运动之间的关系。在蒸汽机的改进过程中，为了不断提高热机的效率，法国工程师卡诺（L。N。M。ot，1753—1823）分析了蒸汽机中决定热产生机械能的各种因素，发现热机做功的数值仅取决于两个热源间的温度差。经过慎重思考，他终于放弃了热素论，1830年他在笔记中明确地提出了能量守恒和转化定律，他说：“动力（能量）是自然界的一个不变量，准确地说，它既不产生，也不能消灭。实际上，它只改变它的形式，这就是说，它有时引起一种运动，有时引起另一种运动，但它决不消失。”

第二，生理学抛弃了神秘的活力观点，而把生命过程作为普通的自然过程，这是成就能量守恒定律的第二个实质性前提。19世纪初对植物的研究表明，拉瓦锡的物质守恒定律和普劳斯特的定组成定律对有机体是同样适用的，旧植物就像一个独特的化学实验室，它能把吸收的无机物、矿物质在体内转化为有机物。迈尔、赫尔姆霍兹（H。Helmhltz，1821—1894）等人进一步认为，能量在有机体内的一切表现都应该追溯到能量的某种已知的物理的或化学的来源，思维的劳动、动物的发热都是依靠包含在有机物质中的、从食物吸收来的潜在能量而产生的。

第三，物理学家证明自然界力的统一性和可转化性是能量守恒定律的第三个基本前提。在19世纪，电转化为热，热转化为电以及电磁互相转化的关系得到普遍承认。法拉弟（M。Faraday，1791—1867）在证明自然界的力的统一性和相互转化性方面做了许多工作，他坚持的普遍联系的观点给他的科学研究帮了很大的忙。他说过“有一个古老而不可改变的信念，即自然界的一切力都彼此有关，有共同的起源，或者是同一基本力的不同表现形式，这种信念常常使我想到在实验上证明重力和电之间联系的可能性”。

由于上述三个方面的发展，到19世纪30—40年代，经过五个国家、六七种不同职业的十几个科学家的共同努力，终于揭示了各种运动形式之间的统一性。1851年，由威廉·汤姆逊（W。Clausius，1822—1888）和德国克劳修斯（R。Clausius，1822—1888）提出的能量守恒定律作为自然界的普遍规律被确立下来，从此，特别是在物理学中，每一种新的理论能否被承认首先要检查它是否跟能量守恒原理相符合。

关于能量的定律，当时的物理学家都强调量“守恒”的一面，把这条定律称为“能量守恒定律”。恩格斯则突出强调了质的“转化”这一面。他早于1858年7月14日同马克思讨论这个定律时，就说明这是物理学中各种力（即能量）的相互转化的关系。到了19世纪70年代，恩格斯更是明确地把这定律改称为“能量守恒和转化定律”。恩格斯在1885年写的《反杜林论》第三版序言中说：“如果说，新发现的、伟大的运动基本定律，10年前还仅仅概括为能量守恒定律，仅仅概括为运动不生不灭这种表述，就是说，仅仅从量的方面概括它，那么，这种狭隘的、消极的表述日益被那种关于能的转化的积极的表述所代替，在这里过程的质的内容第一次获得了自己的权利，对世外造物主的最后记忆也消除了。当运动（所谓能）的量从动能（所谓机械力）转化为电、热、位能等等，以及发生相反转化时，它仍是不变的，这一点现在已无须再当做什么新的东西来宣扬了；这种认识，是今后对转化过程本身进行更为丰富多彩的研究的既得的基础，而转化过程是一个伟大的基本过程，对自然的全部认识都综合于对这个过程的认识中。”由此可见，恩格斯的表述才深刻地、全面地反映了这一定律的本质内容，因而是这一定律的最科学的表述形式。

细胞学说和遗传学的开端

1。细胞学说的提出

自从列文虎克和胡克用显微镜对生物进行微观研究以后，细胞学说就逐步发展起来了，经许多专家的努力，最终在19世纪30年代末，由德国植物学家施莱登（M。J。S，1804—1881）和动物学家施旺（T。S，1810—1882）共同提出。“细胞学说”与“能量守恒定律”和“进化论”被恩格斯称为19世纪自然科学的三大发现，对生物科学的发展起了巨大的促进作用。

施莱登1804午出生在德国，早年学习法律，在海德尔堡（Heideberg）学习结束之后，就在该城任律师工作。但因工作极不顺利，曾试图用枪自杀，幸而未死，在额头上留下了一个明显的伤疤。伤愈后，他决定放弃法律工作，改学自然科学。1831年以后，施莱登先后在哥廷根大学和柏林大学研究植物学和医学，不久获医学哲学博士学位，被聘为耶那大学植物学教授多年。后来他又辞去了大学教授职务在欧洲各地游学，1864年以后，他靠当家庭教师和江湖医生为生，曾在柏林认识了施旺。

施莱登批评了林耐的分类学，主张只有植物化学和植物生理学才有真正的意义。1838年施莱登出版了《论植物发生》，认为植物中普遍存在的结构是细胞，细胞是最基本的结构，他把细胞称为“Cytoblast”，同时还指出，无论形态多么复杂的植物，它们的基本生存单位都是细胞。施莱登在《论植物发生》之后，还发表了《植物学概论》一文，文中还对细胞的起源进行了探索。1837年10月，施莱登把他对细胞研究未发表的成果通知了他的好友施旺，经过施旺的研究，把细胞学说扩展到动物界，最后用细胞学说统一了动物和植物。

施旺是和施莱登性格不同的人，施莱登比较急躁，好走极端，施旺则性格温顺，内向而虔诚。他在1834年毕业于柏林。他和伟大的生理学家弥勒关系非常密切，据说他曾受教于弥勒，他对施莱登也很尊重，他对动植物的细胞进行过认真的显微研究。1839年，施旺发表了著名的论文《关于动植物结构和生长一致性的显微研究》，阐明了动物和植物两大有机界中最本质的联系。该文主要分为三部分：第一，描述了在蝌蚪体内脊索和各种不同来源的软骨的结构和生长；第二，指出了各种不同的动物构成基础都是细胞；第三，详细阐明了细胞理论。论文中提出了一个有重大意义的思想：凡有生命的东西都源自细胞。尽管施旺和施莱登一样，对细胞的了解比现代细胞概念要肤浅，也还有些不确切的地方，但他们的工作，用细胞学说把包括动植物在内的生命都统一起来了。

施莱登和施旺提出细胞学说以后，生物学家、生理学家、医学家们在此基础上，经过半个多世纪的努力，使这一学说日趋完善。细胞学说使人们开始认识和了解生命的本质，给当时仍在生物学中占统治地位的神学又一次沉重的打击。“神创论”和“活力论”对生命所做的种种解释显得荒谬和多余。

2。遗传学的建立

细胞学说一旦确立，马上在生命科学中显示出生命力。其最显著的成就是德国生物学家微耳和（R。C。Virchow，1821—1902）将细胞学说运用于病理学，创立了细胞病理学，为现代医学奠定了基础。同时，也为遗传学开辟了道路。瑞士的植物学家耐格里（ageli，1817—1891）提出了最初的有关遗传的细胞种质论，这一理论又引导孟德尔进行了遗传育种实验，并发现了孟德尔遗传定律，为遗传学的诞生准备了充分的条件。

孟德尔（1822—1884）出身于贫苦的农民家庭，他天资聪颖，却无钱接受良好的教育。他少年时曾为一家庄园主照看庄园的果树，长大后进了故乡的奥古斯丁修道院以解决生存问题。1851年，他被修道院送进维也纳大学学习自然科学课程。他先后学习了数学、物理学、化学、动物学、植物学、昆虫学等，据说曾为多普勒当过物理实验的演示助手。他还参加了维也纳大学的动植物学会，发表过一些生物学论文。1853年，孟德尔回修道院当了神父，并开始在附近的教会学校任教。

1854年夏天，孟德尔在修道院的花园里种植了34个株系的豌豆，开始从事植物杂交育种的遗传研究。豌豆是一种自花授粉的植物，孟德尔同时进行自花授粉（即同一品种自我生殖）和人工杂交授粉（即用不同品种杂交生育）。他将授粉后的植株仔细包扎起来，以免发生其他意外的授粉。下一代生长出来后，继续进行同样的授粉实验。用这种方法，孟德尔能够仔细研究子代与亲本之间的遗传关系。

这简直太神奇了。品德尔认识到，豌豆的高矮性状在遗传时表现不同，前者是显性的，后者是隐性的。这种显性和隐性的性状遗传是否具有普遍性呢？孟德尔接着考察了其他一些性状，结果发现类似的遗传规律也在起作用。如圆皮豌豆与皱皮豌豆杂交，圆皮是显性性状，皱皮是隐性性状；紫花豌豆与白花豌豆杂交，紫花是显性性状，白花是隐性性状。其性状的分配规律也恰是3∶1。

经过多年的育种实验，孟德尔掌握了大量的数据。1865年，他总结了自己多年的研究工作，写出了《植物杂交试验》的实验报告。他在论文中指出，植物种子内存在稳定的遗传因子，它控制着物种的性状。每一性状由来自父本和母本的一对遗传因子所控制。它们只有一方表现出来，另一方不表现出来。不表现的一方并不消失，会在下一代以14的比例重新表现出来。孟德尔的论文首先在布隆的博物学会宣读，并于次年发表在该会的会议录上。

孟德尔的工作一直默默无闻的。当时的大多数生物学家关注的是进化论的博物学研究，感兴趣的是一些对人有利的生物优良性状的遗传问题，加上孟德尔的遗传定律过于简单，许多性状的遗传由于受多种因素控制，并不遵循这一定律，所以，连孟德尔自己也怀疑自己的工作是否具有普通意义。他读过达尔文的《物种起源》，甚至为之作注，但未意识到他的遗传学研究正好为达尔文的自然选择进化论提供了强有力的支持。由于孟德尔像拉瓦锡将化学确立为科学一样将遗传学确立为科学，人们赞誉他是“植物学上的拉瓦锡”。

达尔文的生物进化论

科学世家出身的达尔文（Charles　Darwin，1809—1882）1809年2月12日出生在英格兰希罗普镇，幼年学习一般，他的老师和父亲都认为他是一个非常普通的孩子，智力在一般水平之下，他的父亲甚至误认为，达尔文除了打鸟、玩狗和抓老鼠以外，什么也不干，将来会辱没门楣。1825年10月，16岁的达尔文被父亲送去爱丁堡学医，这也是他父祖所从事的行业，一直到1827午4月，达尔文都在爱丁堡学习。但是，达尔文对医学并不感兴趣，认为麻醉和手术是带有“兽性的职业”。由于达尔文学医没有长进，他父亲不愿意儿子过那种“无所事事的游**生活”，所以，1827年10月又把他送进剑桥基督学院学习神学，希望他将来当个受人尊敬的牧师。达尔文在那里学了3年，后来他自己回忆说，这3年是浪费时间。

长达5年的考察使热爱自然的达尔文有幸看到未被破坏的自然界：原始热带雨林、各种地层、火山，各具风俗的民族，各种各样的昆虫、鸟类和哺乳动物，每种生物与它们所处的环境完美地契合。达尔文认为自己终于找到了热爱的事业。他克服种种困难，随着考察团深入丛林、登上高山，收集各种标本、挖掘古生物化石，记录地层情况。他坚持写日记和调查报告，为以后的研究工作积累了大量丰富的材料。这期间，达尔文还阅读了赖尔的《地质学原理》，地质渐变的思想使他产生了强烈的认同感。赖尔所倡导的地质学研究中的比较历史方法也给了他深刻的启发。在南美洲东海岸，达尔文目睹物种随地域分布而变化的明显规律性：有亲缘关系的物种总是分布在邻近地域，随着距离的增大，一个物种为另一个物种所代替；两地距离越远，物种差异越大。南美西海岸的加拉帕戈斯群岛上的大部分生物都与大陆上的类似，但各岛又有自己特有的物种；即便同一物种，各岛也呈现出微小的差异。物种的巨大丰富性和连续性使达尔文对流行的物种起源的上帝创造论产生了怀疑。他想到，上帝何必为创造这些仅有微小差异的生物花费如此巨大的心力呢？赖尔的方法论和他自己的实地考察，使达尔文产生了生物逐渐进化的思想。

回国后，他于1846年出版了他在探险航行中获得的地质学和动物学研究成果。这些著作很快使他跻身于科学家的最前列。1838年，他当选为地质学会秘书，次年与表姐埃玛结婚。结婚使达尔文有了经济保障，双方老人给了他们很多钱，使达尔文可以毫无后顾之忧地从事他的研究事业。

1838年，达尔文偶然接触到了马尔萨斯的《人口论》，马尔萨斯关于人类为争夺食物所导致的灾难性竞争的观点，给他留下了深刻印象。他联想到在生物界中，一定也有类似的生存竞争，而且由于他们繁衍地更迅速，这种斗争只会更加激烈。“贝格尔号”的环球考察使达尔文完全接受了赖尔式的生物渐变思想，马尔萨斯的著作更使他对生物进化机制有了某种顿悟。达尔文意识到，生物界存在着极为巨大的繁殖力和大量变种，但是只有那些在生存斗争中有适应能力的变种才能活下来，并得以有最多的后代；其余变种被淘汰，这就是自然选择的过程。为了证明这一过程，他首先研究人工选择问题，事实上，人类一直在进行培育优良品种的工作。达尔文自己进行家鸽的育种实验，对变异和选择问题有了更深地了解。1856年，在赖尔的敦促下，达尔文开始准备写作《物种起源》。

达尔文的进化论给唯心主义在物种起源方面的神创论和目的论以沉重打击，对物种不变的形而上学自然观也是一次致命的打击。进化论使唯心主义和形而上学在生物起源方面丧失了最后的地盘，同时，从科学方法论方面，对那种不顾事实的思辩科学也是一个否定。达尔文的进化论在一片攻击声中受到了广泛的关注，他为人类的起源和进化提供了证据。他的观点得到了广泛的引用，种族主义和种族平等者，重男轻女者和男女平等者，战争狂与和平主义者，资产阶级社会学家和共产主义者，都引用进化论来论证自己的观点。