| 词条 | 生物学史 |
| 释义 | shengwuxueshi 生物学史(卷名：生物学) history of biology ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 古代和中世纪的生物学 文艺复兴和近代生物学的产生和发展 文艺复兴时期有关生物学的贡献及近代 生物学发展概况 显微镜及动、植物微细结构 分类原理 胚胎学研究 植物生理学研究 动物生理学研究 “自然发生说”的否定 微生物学研究 细胞学说的建立 进化理论的确立 遗传规律的发现 20世纪的生物学 在细胞水平上遗传规律研究的发展 孟德尔规律的再发现 细胞遗传学的建立 细胞遗传学在苏联等国一度被否定 20世纪前期生物大分子和代谢途径研究 的进展 对生物大分子的认识 代谢基本途径、酶和生物能本质的阐明 激素研究的进展 植物的光合作用 病毒和噬菌体本质的阐明 病毒学的建立 噬菌体的发现和研究 分子生物学的建立和发展 分子生物学的孕育时期 分子生物学的诞生和发展 重组DNA技术的出现 细胞生物学的兴起 细胞概念的发展 细胞膜的结构和功能 染色体的结构 线粒体的结构和功能 神经生物学的新进展 神经系统结构的研究 神经兴奋的电传导 神经化学递质的研究 脑功能的研究 进化论在20世纪的发展 生态学和生态系统 动物行为的研究━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 随着人类为了自身生存的需要和对有机界奥秘探索兴趣的增长，有关动植物的知识逐渐积累。早在文艺复兴前，包括解剖学和生理学知识的医学已在大学中占有重要地位。文艺复兴后的17世纪，生理学继解剖学而成为医学的重要部分。实验方法也继观察、描述、比较和推测之后，开始在生物学中应用。显微镜的发明，标志着揭示微观生物界的开始。18世纪动物学、植物学已经进入大学的讲堂，集前人大成的动植物分类学也为以后的系统的分类学奠定了基础。19世纪作为生物学基础的细胞学说和达尔文进化理论先后建立，微生物学和胚胎学等学科均取得重大进展，生物学呈现空前的繁荣。20世纪的生物学由于越来越多地受到化学、物理学、数学从原理到方法的巨大影响。在微观方面向着生物大分子的水平发展，在宏观方面生态学向着生态系统的水平发展。20世纪50年代分子生物学的兴起，改变着生物学的面貌而被誉为“生物学的革命”，随着这些发展，生物学跨入了精确科学的行列。同时，生物学对医疗卫生和农业生产，以至于工业生产都显示出强大的推进作用。 古代和中世纪的生物学古代人在采集野果、从事渔猎和农业生产的过程中，逐步积累了动植物的知识；在抵御恶劣的环境条件，防治瘟疫疾病的过程中也积累了医药知识。约公元前5000年古巴比伦人及亚述人就知道枣椰树 (Phoenix dacty-lifera) 有雌雄之分， 约公元前 2000年汉穆拉比王朝（Ham-murabi dynasty）时，第一次报道了人工授粉。古代埃及人制作了木乃伊(mummy)，表明已了解草药的防腐性能。在埃及找到的公元前2500年的医生作手术的古雕塑，表明那时已经有一些解剖学的知识。 公元前1500年印度的医学已较发达。在释迦（公元前560～前480）时就有医学学校，在梵文本的医学内记述了割治白内障、疝气等的手术知识以及 960余种药草。 中国在公元前4000年前就开始养蚕。在商代（约公元前1600～前1100）中期的甲骨文中有 500余条关于疾病的记载。到西周（约公元前 1100～前771）时期医学又分为“食医”、“疾医”、“病医”和“兽医”。出现于战国（公元前476～前222）晚期的《黄帝内经》论述了人体解剖、生理、病理、病因、诊断以及针灸、经络、卫生保健等多方面的知识。由汉初学者缀辑周秦诸书、递相增益而成的《尔雅》，把植物分为草、木两大类。动物分为虫、鱼、鸟、兽四大类。从战国至汉初陆续写成的《山海经》中的《五藏山经》记载动物 270种，植物160种。秦汉时的《神农本草经》记载药物365种，其中植物药252种，动物药67种，矿物药46种〔见生物学史（中国）〕。 近代自然科学的萌芽起于希腊。当时的生物学是自然哲学的一个主要组成部分。公元前 600年前后，希腊哲学家相信万事必有原因，而且特定的原因产生特定的效果。这些哲学家还设想存在一种统治宇宙的“自然法则”，认为这种自然法则通过人们的观察与推论是可以理解的。这种因果关系和理性思想的概念对以后的科学研究有深刻的影响。希腊哲学家阿那克西曼德认为世界万物产生于一种没有固定形态和性质的物质，称为“无定限”(aperion)，由此产生热与冷、形成水，再形成土、空气和火。他提出生命是在泥土内自然发生的，最初产生动物和植物，以后产生人；最初的人象鱼，生活在水中，以后脱去鱼的外皮，到陆地上生活。恩培多克勒认为物质的“根源”或“元素”是土、水、气和火。这 4种元素受吸引力与排斥力的影响，按不同比例结合，形成各种类型的物质。他第一个描述了内耳迷路，他把眼睛比作灯，认为血液是智慧的所在地。希波克拉底等人代表一个讲究实际的理性医疗学派，他们把病因与神鬼分开。详细地观察记录病症，并采用适当的治疗方法，开辟了走向近代临床医学的道路。希波克拉底的女婿波利布斯在《人类的本性》一书中提出所有生物都由 4种体液即血液、黑胆汁、粘液与黄胆汁构成，它们分别起源于心脏、脾脏、脑与肝脏，如果某种液体失调就会生病。 亚里士多德是哲学家柏拉图的学生。他创立了吕克昂学园，又称逍遥学派。他是古代知识的集大成者，又是第一个系统掌握生物学知识的人。他在动物分类、解剖、胚胎发育等方面做了大量工作，著有《动物志》、《动物的结构》（包括“动物的运动”与“动物的行进”二短篇）、《动物的繁殖》和《论灵魂》等。在动物分类方面，他所用的“属”(Genus)和“种”(Species)是一种逻辑概念。在实际分类时，他一方面使用逻辑上的两分法，如有血或无血，有毛或无毛，另一方面也注意根据动物的外部形态、内部器官、栖居地、生活习性、生活方式等许多特征。他把动物分成有血动物与无血动物：有血动物分为①有毛胎生四足类（哺乳类），②鸟类，③鲸类，④鱼类，⑤蛇类，⑥卵生四足类（大多数的爬行类与两栖类）；无血动物分为①软体类；②甲壳类，③有壳类，④昆虫类。他正确描述了哺乳类的特点，并能区分哺乳类的真胎生和哺乳类以外的卵胎生。他描述了500多种动物，并对其中50多种做了解剖。他根据物质的热、冷、湿、燥 4种特性，他把热、湿列于冷、燥之上，依此形成的生物阶梯图把温暖、潮湿的人和哺乳类排在生物的顶端，把低等植物排在底层。在对动物发育的观察研究基础上，他把动物的繁殖分为有性、无性与自然发生3类。他提出灵魂是生命与非生命物质的区别，而灵魂又有植物性、动物性与理性 3个等级。亚里士多德的开创性研究使他被公认为生物学的创始人。亚里士多德在植物学方面的著作没有留存下来。他的学生泰奥弗拉斯托斯对植物分类、植物解剖和植物生理做了许多研究，著有《植物志》和《论植物的本源》等。他的著作中涉及500多种植物，把许多种类归为现在的属，把植物分为果实植物与无果实植物，显花植物与隐花植物，常绿植物与落叶植物，他还记录了显花植物中双子叶植物与单子叶植物的差异，这是一项重大进展。他详细描述了枣椰的人工授粉，还记录了种子的萌发与发育过程。 公元前4世纪末或3世纪初学术中心从雅典转移到亚历山大里亚。亚历山大学派的希腊医生、解剖学家希罗菲卢斯把人体结构与大型哺乳类结构进行了比较。他认识到脑是神经系统的中枢，智慧的所在，并把神经区分为感觉神经和运动神经，把血管区分为动脉与静脉，认为动脉内是空气中的灵气与血液的混合物，而静脉内只流过血液。稍后希腊生理学家、医生克奥斯的埃拉西斯特拉图斯精确地描述了心脏，把心脏看作一个水泵，把瓣膜看成是单向泵中的可动阀门。他研究了动脉与静脉在人体内的分布，猜测有毛细血管存在，并提出生命活动过程依靠血液和灵气的新理论。 公元前 1世纪罗马人的版图不断扩大。由于他们比较重视实用，因此与农、医有关的生物学有一定的发展。如P.迪奥斯科里德斯随罗马远征军到过许多国家，广泛考察了植物。他的《医药资料》一书是西方最早的本草学著作。同时代的老普林尼著有《博物志》37卷，详细记述了多种动、植物的习性及其同人类生活的益害关系，对后世有较大影响。 生于小亚细亚帕加马、在罗马行医的加伦，在古代生物学中有光辉成就。他把希腊解剖知识和医学知识系统化，并把一些医学学派统一起来，是古代解剖学、医学知识的集大成者。他用实验方法证明流动于动脉内的是血液而不是空气。他的生理学贯穿着“元气”的思想。他认为“元气”在不同场所分别为自然元气、活力元气、动物元气3种。他同意埃拉西斯特拉塔的血液产生于肝脏的观点，认为血液是由食物的有用部分变成的“乳糜”从肠道经门脉进入肝脏，受元气作用变成暗色静脉血，元气也被改造成自然灵气。血液带着自然元气在静脉内通过涨落分布到全身组织，其中一部分经静脉主干进入内脏的右边。同时一部分血液内的不纯物质通过动脉样静脉（即肺动脉）运送到肺部蒸发到体外，另一部分通过心脏隔膜上的小孔，进入心脏的左边，静脉血遇到田气管和静脉样动脉（即肺静脉）带来的元气，两者混和产生颜色鲜艳的动脉血和活力元气。两者通过动脉系统分布到身体各部分使器官发挥功能。一部分动脉血流到大脑基部的称“迷网”的血管网中，在这里活力元气变成动物灵气。动物元气不与血液混合，却沿着神经流动，分布到全身，成为运动与感觉等动物性功能的原动力。加伦在从事外科治疗时，虽有机会接触到人体，但由于当时不准解剖尸体，他就对猴体做了很完整的解剖研究。著有《解剖纲要》16卷及《人体各部分的功能》等，但他以猴体代替人体，有不少结论是错误的。加伦还做过切断中枢神经的实验，发现切断第1、第2节脊椎骨之间的脊髓，引起动物死亡；切断第3、第4节间的，则动物停止呼吸；切断第6节以下，发生胸腔肌肉麻痹，但并不防碍膈肌运动，动物仍可继续呼吸。加伦的著作阐述清楚而有条理，但他用有神论的观点解释他的实验和观察，带有浓厚的宗教色彩。由于加伦在学术上的辉煌成就和教会的支持，使他的学说统治医学界长达1000多年之久，其错误的观点对医学和生物学的发展也起着阻碍作用。 中世纪(从476年西罗马帝国灭亡到1453年君士坦丁堡陷落、东罗马帝国灭亡)虽然长约1000年，但生物学基本上没有什么重大发展，特别是其中的“黑暗时代”[从476年起到教皇西尔威特二世（999～1003在位）]，从3世纪至11世纪初，生物学却成了阿拉伯科学的一个组成部分。但在这期间阿拉伯人并不重视对实物的观察研究，而把主要精力用于发现、翻译、注释和阐述亚里士多德、加伦等的著作，并把它们奉为“圣书”，这样不可能使生物学得到较大发展。 11世纪初，阿拉伯医学家和哲学家伊本·西拿所著的《医典》是古代和穆斯林全部医学知识的汇合，是阿拉伯文化的最高成就之一，它作为欧洲大学医学教科书一直沿用到17世纪。 12世纪植物学和动物学开始从医药、兽医方面独立出来。13世纪科学活动的重点移到了欧洲。在1200～1225年间，亚里士多德全集被译成了拉丁文。德国学者大阿尔伯特的动物学、植物学著作虽仍以亚里士多德的学说为基础，但已补充了许多新的观察事实。 随后，意大利成为中世纪最活跃的科学中心。14世纪初，意大利解剖学家蒙迪诺·戴·柳奇亲自解剖尸体，纠正了前人的一些错误，于1316年出版了《解剖学》一书，在阐述人体结构时也记述了器官的功能，使中世纪的解剖生理学达到了高峰。 文艺复兴和近代生物学的产生和发展文艺复兴时期有关生物学的贡献及近代生物学发展 概况 文艺复兴最早发生于14～15世纪的意大利。开始是对古典文献和古典思想的再发现，继而冲破宗教与神学的思想束缚，使许多学者抛弃了对权威的盲从，树立起独立思考和批判的精神。同时，地理上的新发现和海外贸易与工商业的发展也促进了学术研究。 意大利文艺复兴时期的巨人著名画家达·芬奇摆脱了神学偏见，从事观察和实验，开展了多方面的研究。起初，他出于艺术需要，研究了光学定律、眼睛构造、人体解剖的细节以及鸟雀的飞翔。他不顾当时的传统，亲自解剖尸体，绘制了精确的解剖图，提出人体运动是骨骼和肌肉的作用。他以牛心为材料，指出心脏分左右心房和左右心室，并正确记述了房室间有尖瓣，心室与动脉间有半月瓣。他抛弃了加伦关于血管起始于肝脏的见解，认为一切血管均起始于心脏。他比较了动物与人体的结构，指出同源现象，对进化思想也有一定贡献。 比利时解剖学家A.维萨里通过解剖大量人的尸体，发现加伦基于猴体解剖的人体解剖描述有不少的错误。1543年，他的解剖学巨著《人体构造》出版，震惊了整个科学界和宗教界。1555年，他在该书的再版本中更明确指出心脏的膈膜和心脏其他部分一样，都是厚实致密的，血液不可能从右心室通过膈膜流入左心室。与此同时，西班牙的宗教改革者和医生M.塞尔韦图斯于1553年出版了《基督教的复兴》一书，在讨论神圣精神的同时也谈及人体构造与功能。他摒弃了加伦有关血液运行的观点，提出了肺循环的推测。以后，A.维萨里的助手与继承者R.哥伦布用观察和实验方法证明了肺循环的存在。文艺复兴时期生物学上最重要的成就是英国医生、生理学家W.哈维建立的血液循环学说。W.哈维根据他对几十种动物所做的实验与观察，首次认识到血液并非在静脉内涨落，而是从心脏通过动脉流向各种组织，再经静脉流回心脏的一种闭路循环。1628年，他出版《动物心血运动的研究》一书，阐明血液在体内不断循环的新概念，指出心脏是主动收缩、被动舒张的；血液从心脏经动脉流向全身，是由于心脏收缩的机械力而不是缓慢的渗透过程。W.哈维首先把物理学的概念和数学方法引入生物学中，并坚持用观察和实验代替主观的推测，使他被公认为近代实验生物学的创始人。 文艺复兴后，地理探险和海外贸易迅速发展，到17、18世纪随着动、植物标本的大量采集和积累，分类学得到了很大的发展。首先从草药、草本植物为主转向研究所有植物，从种类记述到建立分类系统，从分别对动、植物进行分类发展到建立动、植物统一的分类范畴和命名方法。同时，在分类方法上，则从亚里士多德以逻辑区分的向下分类法，发展为以经验为主的向上分类法。对物种的认识也从长期占主导地位的物种不变观点，逐步过渡到生物进化的思想。17世纪显微镜的发明，揭示了动植物的微细结构与微生物世界，促进了组织学、细胞学、微生物学的发展。19世纪是生物学取得重要进展和巨大成就的时代，动、植物间相似性与亲缘关系的揭示，形态学、比较解剖学、胚胎学、古生物学得到较大的发展。在自然哲学原型思想的影响下，随着显微镜的改进，30年代末，M.J.施莱登与T.A.H.施万建立了细胞学说，提出细胞是构成动、植物的基本结构与功能单位并具有共同的形成规律，大大促进了细胞学和胚胎学的发展。1859年，达尔文进化论的建立，对生物学及其他有关学科的发展产生了重大影响。19世纪中后叶，物理、化学和一些数学的知识和研究方法，逐渐渗入生物学的研究领域，使生物学、特别是生理学向着较深的层次发展。总之，19世纪生物学的巨大成就，是20世纪生物学的深入发展的先导。 显微镜及动、植物微细结构 G.伽利略在1609年，根据望远镜倒视有放大物体的效应，制成一台复合显微镜，并对昆虫进行了观察。英国物理学家R.胡克于1665年用自制的复合显微镜观察软木薄片，发现有许多蜂窝状小空室并称之为细胞(cell)。这个名词一直沿用至今。这张软木显微结构图，登载于1665年英国出版的《显微图谱》上。他还对鱼鳞、蜜蜂螫针、家蚕卵、家蝇的头和足以及跳蚤等进行了精细的描绘。意大利解剖学家M.马尔皮基开创了动物与植物的显微解剖工作。1660年他通过向蛙肺动脉注水的方法，发现有连接动脉与静脉的毛细血管，证实了W.哈维未能观察到的由毛细血管连接动、静脉的血液循环。他描述了肝脏的微细结构，舌的乳头突，大脑皮层，以及用他名字命名的肾小体和皮肤微细结构等。他对家蚕进行了显微解剖，发现同样具有复杂的微细结构。他关于家蚕的著作是无脊椎动物方面的第一本专著。他对不同的植物进行了比较研究，系统地描述了植物各部分的结构，指出单子叶植物与双子叶植物间的区别，以及虫瘿是由昆虫引起等。并且提出植物的各部分是由“小囊”（即细胞）组成的。他在植物解剖方面的许多精确绘图未能为当时的植物学家所理解，直到19世纪才被重新认识。 英国植物学家N.格鲁在显微镜下发现植物叶面有气孔，它们可使植物体内的水分蒸发并吸入空气。他发现植物的组织是由多孔的小胞（即细胞）所组成，但他经常描述的只是小胞的壁。他认识到花是植物的生殖器官，可区分为萼、花冠、雄蕊与雌蕊，并指出雌蕊、雄蕊和花粉分别相当于雌性器官和雄性器官，而且植物一般是雌雄同体的。他的著作《植物解剖》由M.马尔皮基译成拉丁文，流传了100多年后才有人做了一些重要补充。 荷兰显微镜学家 A.van列文虎克自制了许多性能优良的显微镜，最高的放大倍数达270倍。他通过大量细微的观察，解释并完善了M.马尔皮基提出的关于毛细血管系统的知识，证明动脉与静脉分别和毛细血管直接相连。他发现人和哺乳类的红细胞是无核的，而鸟类、两栖类、鱼类的红细胞是有核的；发现了人的精子，并研究了各种动物特别是鱼和蛙的受精作用；还发现了许多小的水生生物，如轮虫、水螅、纤毛虫等。还在19世纪显微镜改进之前，他首先看到并记述了细菌，实属难得。 荷兰显微镜学家J.斯瓦默丹对不同类型的昆虫发育做了许多研究。他的著作《昆虫志》、《蜉蝣的生活》中有许多出色的显微解剖图，如昆虫的神经节，气管系统等。他去世几十年后出版的《自然的圣经》是当时显微镜观察的最好著作，其中对蜜蜂内部器官、蚊子、蜻蜓发育的描述，都非常精确。 但由于复合显微镜的色差问题，使这方面的工作在其后的100多年内没有多大进展。 分类原理 16世纪德国神学家和植物学家O.布龙费尔斯、德国植物学家H.T.博克及L.福克斯等对植物分类都作出了贡献。他们对植物进行了观察和生动逼真的描述并试图编写地方植物志，由此在中欧发现了许多植物的新种。O.布龙费尔斯描述了 260种植物。H.T.博克和L.福克斯描述了 500多种植物。但他们缺少比较一致的分类系统，而且不甚关注属以上的较高分类阶元。O.布龙费尔斯关于属的顺序是随意的，L.福克斯主要按字母排列，只有H.T.博克按植物营养部分的特征及其相互关系，提出了比较符合自然的系统。 意大利植物学家A.切萨皮诺首先在其巨著《植物十六卷》(1583)一书内应用了一致的植物分类法。他为提出一个易于鉴定的系统，借用了亚里士多德通过逻辑区分的向下分类法。这种方法的特点是两分法，适合于构想鉴定的关键特征，但易于导致人为分类。A.切萨皮诺认识到应用逻辑区分最重要的是选择区分特征，并首先重视了果实的分类价值。由于他在实际分类时先把植物分成自然类群，然后再寻找适用的关键特征，所以他划分的32类植物从整体上看是符合自然分类的。尽管他的分类系统有明显缺点，但对以后200年的植物学，包括对瑞典的 C.von林奈都很有影响。以后荷兰植物学家M.德尔奥贝尔进一步探寻植物的自然相似性，并以叶的形态为分类特征。瑞士植物学家G.博安追随M.德尔奥贝尔的思路按自然相似性对植物进行从简到繁的排列，同时考虑了大量不同的特征。有意识地划分了种、属之间的区别，还指出了同种异名现象，但并未描述属的特征。他描述的植物约有6000种，对每种植物都在属名后面接以“种加词”。例如在区别两种相似的牧草时就分别给予共同的属名和不同的“种加词”，成为最早的双名法。G.博安的主要目的是想提供一份使用方便的植物名录，故未提出更高的分类阶元名称。法国植物学家J.P.de图内福尔把重点放在“属”上，把相似的植物放在一起，并用单个名词来代替属名。他划分并描述的 698个属大多数为以后 C.von林奈所采用。他首先提出属以上的正式分类阶元。但他划分的22个纲和122个组，大多是人为的。 当植物分类不断取得进展时，动物分类却一直停滞不前。16世纪有几位博物学家描述了鸟、鱼的种类，瑞士博物学家C.格斯纳编撰了《动物志》，按字母顺序编排了文献上所有的动物。英国博物学家J.雷首先根据分类原理进行植物与动物的分类。他比前人更透彻地讨论了种的概念，这种概念在其后150年内仍被广泛采用。他对动物分类既采用了亚里士多德的传统分类原理，也采用新的以解剖学和生理学知识为基础的分类标准。他对两栖类、爬行类、昆虫的分类，做了许多工作，较前人更重视以结构（如齿、趾的排列）为依据，而较少采用颜色、大小、习性等。因此他提出的动植物界的某些大类，是较为符合自然分类的。 瑞典植物学家 C.von林奈以雄蕊和雄蕊作为系统分类的基础，根据它们的数目与排列，把植物分成24个纲。1735年，他出版了《自然系统》一书，把自然物分为植物、动物、矿物3大界；把动、植物各分成纲、目、属、种4个阶元，首先实现了植物和动物分类范畴的统一，增强了生物科学的整体性。 C.von林奈对动植物命名时采用由属名和“种加词”组成的双名名称，完善和推广了“双名法”。他起初用单个词代表属名，用几个词简述种的特征。以后改用两个词命名每种植物，并将此种方法扩展到动物方面。他统一采用拉丁文命名。属名采用大写的名词，种名采用小写的形容词。林奈认为种和属都是从一开始就被创造出来的，但他更重视属的作用。他以属作为分类基础，把向下分类法严格限制在属的水平。他强调的是“发现”属而不是“设置”属。林奈在确定属时，首先根据植物的外形，随后再详述其本质。因此，他划分的许多属符合自然分类。但他出于应用方便而划分的“纲”和“目”，则多是人为的。林奈是自A.切萨皮诺以来的动、植物分类知识的集大成者。他对双名法的发展与完善，对分类系统及其方法的建立，使他被公认为近代植物和动物分类学的奠基人。 林奈及其先驱大都认为自然界的多样性反映了某种深刻的顺序或和谐，但却归之为造物主的设计，这种人为的分类方法使分类系统因人而异，造成许多混乱。从17世纪末到19世纪，由于向下分类法在实际工作中遇到了困难，逐渐兴起一种完全不同的方法，即向上分类法或综合分类法。这种方法把各个种归纳为相似的类群，再把相似的类群结合成更高的分类阶元。这在原则上是严格的经验方法，标志着一种全面的方法学上的革命。这种方法不仅方向相反，而且从依靠单一特征转向利用并同时考虑多种特征。 法国是欧洲受“本质论”哲学思想影响最少的国家，因而首先发展了这种新的分类方法。法国植物学家P.马尼奥尔在分类时不仅采用果实的特征，而且利用植物各部分的特征，并强调“整体途径”即通过观察归类的重要性。法国博物学家 G.-L.de布丰也强调把相似种归类，把相异种分开，并考虑全部特征的分类方法。法国博物学家M.阿当松首先对逻辑区分的有效性提出了疑问，建议代之以经验的归纳法。法国生物学家 J.-B.de拉马克也主张用归类而不是逻辑区分进行分类。法国动物学家、古生物学家G.居维叶关于各种器官的形态结构与功能之间的相关理论，更促进了分类阶元多特征概念的发展。这样，对特征的评价是根据其是否有助于形成“自然”类群而定的，而且特征的分类价值也随分类阶元的不同而改变。随着新种的不断增加，属的变动也较大，因此，分类的重点也从 C.von林奈的属转到较高的等级──科(family)，成为最稳定的分类阶元。但是经验分类学家根据“相似性”进行归类，并无因果性的关系。直到C.R.达尔文运用进化论明确指出同一分类阶元内各成员间的相似性来自它们共同的祖先，才为进化分类学奠定了基础。 胚胎学研究 亚里士多德认为胚胎发育或是预先形成、或是从无结构状态分化而成，但他更倾向于卵是未分化的物质，受精后才开始形成器官。这是关于胚胎发育的先成论与后成论的最早起源。 W.哈维对鸡胚、鹿胚发育做了许多研究，于1651年出版《动物的生殖》一书。他的工作纠正了许多前人的错误，并使他接受亚里士多德的后成论思想。17世纪后叶，M.马尔皮基对鸡胚早期发育做了详细描述，但他认为心脏是一开始就有的，40小时后才开始跳动。他还观察过一枚产下两天未经孵化的鸡蛋，发现已能看到鸡胚的外形。他的这些看法为先成论提供了依据。J.斯瓦默丹在研究蛙卵发育和昆虫变态时，发现蛹内有蝶类成虫，蛹又来自幼虫和卵，因此认为在卵内就有隐蔽着的微小成体，由此主张先成论。法国哲学家N.de马勒布朗什进一步发展这种观点，认为预成胚胎中存在着更微小的成体，就象一个套一个的盒子，以致在夏娃的卵内已经套装着所有的人体，称为套装学说。1677年荷兰的A.van列文虎克用显微镜发现精子。N.哈尔措克描绘了自称用显微镜看到的含有小人的精子。他们主张一切生命起源于精子。因此，先成论又以卵原论及精原论两种形式出现，直到18世纪仍占统治地位。如瑞士著名解剖生理学家A.von哈勒等都坚持先成论看法，这与当时显微镜学家反对亚里士多德提出的自然发生说有关，而且他们的机械论观点也受到当时哲学上的机械学派的支持。 18世纪后叶，德国胚胎学家C.F.沃尔夫证明植物的叶、茎、根等，是由植物的生长点分化发育成的，鸡血管与肠道的形成也有一个过程，不是一开始就存在的。他主张后成论反对 A.von哈勒的先成论观点，但是由于先成论占很大优势，他的工作直到19世纪才被承认。 19世纪早期。俄国胚胎学家、Χ.И.潘德尔研究鸡胚发育，证明各种器官都是由原始胚层形成的。随后，俄国胚胎学家К.M.贝尔肯定了C.F.沃尔夫、Χ.И.潘德尔的观点，进一步提出动物胚胎发育过程中出现4个胚层，以后形成各种器官。这个观点经德国生物学家R.雷马克认为只有3个胚层，即沿用至今的外胚层、中胚层和内胚层。К.M. 贝尔通过他的工作彻底否定了预成微小个体的先成论观点。他还发现了哺乳动物的卵;发现脊椎动物在胚胎发育过程中曾出现过脊索；提出高等动物的胚胎与低等动物并不相似，但高等动物的胚胎与低等动物的胚胎在发育的早期彼此却很相似。由于贝尔的出色工作，使他被公认为近代胚胎学的奠基人。 19世纪后期，描述与比较方法显然已不足以解释发育的原因，实验胚胎学遂逐步兴起。德国生物学家W.鲁在1888年用热针刺死蛙卵的两个分裂球中的一个，剩下一个的发育成半个胚胎。他认为卵子的各部分已预定为某些器官，是不能改变的，因此支持先成论。但这个实验为德国生物学家H.A.E.德里施所否定。1891年H.A.E.德里施发表了海胆卵的实验，他将两细胞时期的卵依分裂面分开，每个分裂球都能发育为完整的、体形较小的幼体。他认为卵子中形成器官的物质可经调整而改变，并假定卵内存在控制卵调整和发育的活力。以后，随着胚胎学的研究进展及卵母细胞发育过程中轴和极性的发现，在某种意义上使先成论与后成论在新的高度实现了综合。 植物生理学研究 1691年， 德国植物学家 R.J.卡梅拉里乌斯发现雌性桑树及移植的一年生山靛（Mercu-rialis annua）在附近没有雄树情况下不能产生种子。1694年他根据详细观察和移去雄花实验，证明花药是植物的雄性器官，子房与花柱是雌性器官。德国植物学家J.G.克尔罗伊特于1761～1766年认识到昆虫对传粉的重要作用，他用实验证明当用同种花粉与异种花粉同时向一种植物的柱头传粉时，一般只有前者能起受精作用。1793年德国的C.K.施普伦格尔指出由于许多花是雌雄异株的，雌雄同株的花也很可能是雌雄异熟的，因而植物界存在同种不同花之间或同种不同个体之间的杂交。 1830年意大利天文学家、显微镜制造者G.B.阿米奇观察到花粉管进入子房并进入胚珠的珠孔。1879年德国植物细胞学家E.A.施特拉斯布格确定花粉粒中通常有二核结构，并且他的学生还看到了 3个核。E.A.施特拉斯布格描述了胚囊发育与精卵结合，但不了解另一精子的去向。直到1898年俄国植物学家С.Г.纳瓦申发现被子植物双受精现象，才揭示了受精的全过程。 18世纪前叶一些学者在隐花植物中寻找与被子植物相似的两性器官。他们发现藓类的精子器和颈卵器相当于被子植物的雄蕊和子房。以后瑞士植物学家 C.W.von内格利于1844年发现蕨类原叶体上的相应结构。德国植物学家W.霍夫迈斯特于1849年确定了游动精子与颈卵器内卵细胞的受精，指出藓类和蕨类的生长发育为有性生殖所中断，成为一种世代交替。这在具有维管束的隐花植物内发生于萌发后不久，而在藓类内则晚得多。1855年德国植物学家N.普林斯海姆首先在一种最普通的藻类中观察到受精的具体过程。 植物营养研究可以说是从 J.B.van黑尔蒙特所做著名的柳树桶栽实验开始的。17世纪早期比利时人黑尔蒙特把一棵柳树种在一桶土内，只浇雨水，5年后长到约170磅，而桶内土壤损失极少，18世纪英国的S.黑尔斯测定了从根吸收的水和从叶面散失的水，以确定蒸腾作用，并与土壤湿度相较，查明了二者的关系。并计算植物茎内水的上升速率，证明与叶子蒸腾速率有关。他于1727年提出植物通过叶子吸收空气中的某些成分，使它转变为植物体内的固体成分。1771年英国牧师和化学家J.普里斯特利根据容器内不更换空气则燃烧不能持久，动物不能继续存活的实际观察，推测自然界有复原空气的途径，并通过在玻璃罩内放入绿色薄荷的实验证明植物可以恢复因蜡烛燃烧而“损坏了”的空气。继而荷兰人奥地利宫廷医生J.英恩豪斯于1779年在3个月内做了500多次植物对空气影响的试验，指出植物只能在阳光下通过其绿色部分改善空气，在阴暗处或夜间，植物也会“损坏”空气。1782年，瑞士牧师J.塞内比埃证明植物利用溶于水的“燃烧过的空气”（即二氧化碳）可恢复空气的活性。随后，日内瓦的化学家N.-T.de索绪尔于1804年指出植物产生的有机物总量及释放的氧远超过所消耗的二氧化碳，由此断定光合作用还必须以水为反应物，从而查明了光合作用是绿色植物以阳光为能源，以二氧化碳和水为原料而形成有机物和氧的过程。1845年德国医生J.R.迈尔引入能量概念，指出植物可以把太阳能转变为化学能贮存起来，成为能量的供给者。随后，德国植物生理学家 J.von萨克斯把物质消耗与物质运输和同化作用联系起来进行研究，并总结出叶绿素（包含在某些特殊的小体内）中的淀粉是同化作用的最初产物，是到处被消耗并贮藏于某些器官内的物质。他指出淀粉不是一次化学变化就产生的，而是在叶绿素内发生一系列化学变化的结果。 动物生理学研究 法国生理学家M.-F.-X.比夏认为“物理定律”与“生命力”间有明显区别，前者是不变的，后者则不断变化。他从解剖学、生理学的角度考虑不同结构对有机体功能的重要性，提出有机体由21种组织构成，但他轻视显微镜的观察结果。法国生理学家F.马让迪继比沙之后也承认“生命力”。在其科学生涯中，他既利用物理学来类比生物活动，又告诫人们不要过分寻求用支配无机界的定律去解释一切生命活动。他肯定英国C.贝尔提出的两种神经根具有不同功能的观点，证明脊髓神经的前根向外传导运动冲动，而后根则从周缘传递感觉至中枢神经系统(贝尔-马让迪定律，1822)。他还通过对毒药和催吐剂的研究开辟了实验药理学的新领域。 法国生理学家C.贝尔纳是马让迪的学生。他在消化生理、糖代谢、交感神经作用、病理生理学等方面充分利用物理学和化学的技术，开展许多工作。例如，他发现胰液的消化作用，肝脏的糖原合成功能，控制血管舒张和收缩的神经，箭毒、一氧化碳以及其他毒性物质的作用性质等。他否定身体由各具独立功能的器官所组成的概念，认为各种功能彼此相关，从属于机体的生理需要，提出生理综合概念。根据这种认识，他还进一步提出高等动物生命的特点是保持内环境的稳定而不受外环境的干扰。他写的《实验医学研究导论》（1865）奠定了现代实验生理学的方法论基础。他虽然不是活力论者，但他反对当时德国人的还原论倾向，否认一切有机过程可以还原为物理-化学定律。 瑞士生理学家 A.von哈勒通过实验并应用动力学原理，以解剖学和生理学相结合，研究各种器官及器官系统的形态和功能。特别是肌肉的“应激性”和神经的“感受性”。他的百科全书式的《生理学纲要》（8卷，1757～1766）体现了这门学科的近代精神。德国生理学家J.P.弥勒克服了当时盛行的自然哲学的影响，开创了德国生理学实验研究的新时代。他发现了“特殊性神经能力律”，即刺激神经的反应，取决于受刺激的有机物质的特性，而不在于刺激的性质。他还设计一些实验，用直流电在蛙腿的离体神经肌肉上测定引起肌肉收缩的条件，成为电生理研究的最初进展之一。他用简单实验肯定了贝尔-马让迪定律，并通过切断蛙神经后根与前根的实验，发现导致失去知觉或肢体麻痹的不同结果。他还研究并确定了不同类型的神经。此外，对颜色感觉的解释，对内耳的阐述、对发声器官结构与功能的阐述也都是近代生理学的重要起点。J.P.弥勒的《人体生理学手册》(1833、1840)是W.哈维以来的生理学巨著，不仅包括他的许多研究成果，而且首先在生理学上综合了比较解剖学、化学、物理学的成就。他还培养了一批象T.A.H.施万、F.G.J.亨勒、R.C.菲尔肖、E.海克尔、H.von亥姆霍兹和 E.H.杜布瓦-雷蒙等著名科学家。但他本人始终是一位活力论者，对生理学的许多解释中仍有“活力”的概念。 J.P.弥勒以后德国生理学的研究，出现了以物理、化学定律来阐明生命现象的趋势和哲学上还原论的倾向。T.A.H.施万于1835年进行的肌肉实验，主要是对生理现象进行了物理测量，这是对活力概念的直接挑战。1839年他在细胞的学说论述中也强调细胞形成过程与无机界晶体形成过程的某种相似性。1847年，4位德国生理学家C.F.W.路德维希、H.von亥姆霍兹、E.W.von布吕克、E.H.杜布瓦-雷蒙相聚，一致表示应在化学-物理学基础上建立生理学。当时，应用化学、物理学与物理学-数学名词来解释生命现象虽盛极一时，但实际上以物理学为方向的实验远较活体解剖或组织学研究困难得多。因此到70年代，除杜布瓦-雷蒙继续电生理学研究外，亥姆雷兹已放弃生物物理学与生理学的研究，转而研究物理学，其他两人则主要从事一般生理学的研究。他们的学生却继续致力于经典生理学有重要意义的两个生物物理学领域的研究：用力学和热力学方法研究肌肉收缩和用电学方法研究神经冲动。然而，他们的反活力论立场，以及在生理学研究中提倡用物理、化学技术的实验方法确为推动实验生理学的发展作出了贡献。 另一方面，通过J.李比希、C.贝尔纳、L.巴斯德等人工作的推动，以及F.沃勒、E.弗兰克兰等在有机化学方面的工作，又发展了生理化学，这主要是用化学分析方法了解生命过程中各种物质的化学本质和作用。对蛋白质的研究较早，在19世纪30年代末已为其定名。60年代前后蛋白质已被认为是在生命过程中起重要作用的物质。其组成单位氨基酸，到19世纪末已有12种被分离并测定。德国生理化学家 E.F.霍佩-赛勒及其后的许多学者研究了有机体内起作用的几乎一切物质，丰富了这方面的认识。 70年代霍佩-赛勒主张“生理化学”从“医学生理学”中独立出来，并于1877年创办了第一个“生理化学”期刊。1869年他的学生、瑞士生理学家J.F.米舍尔用胃蛋白酶水解脓细胞，得到一种不同于蛋白质的含磷物质，他称之为“核素”；以后因核素呈酸性故又称为“核酸”。1878年W.F.屈内把组织器官分泌出的酵素同组织内存在的酵素相区分，称前者为“酶”。1894年E.H.菲舍尔证实酶的专一性，并用“锁钥原理”解释酶与底物之间的关系。以上许多工作都为生物化学的发展奠定了基础。 “自然发生说”的否定 从古希腊到19世纪中叶，在生命起源问题上流传时间最长、影响最大的是自然发生说。这种学说认为有机体可从无生命物质自发地产生。17世纪W.哈维提出一切有机体都来自卵。1668年意大利宫廷医生佛罗伦萨实验科学院成员F.雷迪用实验证明腐肉生蛆是蝇类产卵的结果，首先对自然发生说提出异议。但由于他未能正确解释虫瘿与肠道蠕虫的来源，人们认为低等动物仍可自然发生。虽然，A.van列文虎克在1674年发现了微生物，但对微生物的进一步的研究受到许多条件的限制，微生物可以自然发生的信念反而活跃起来，并于18、19世纪达到了顶峰。1745年英国天主教神甫、显微镜学家J.T.尼达姆用各种浸泡液经消毒后，仍有微生物发生，而坚持自然发生说；他由于受到法国博物学家G.-L.de布丰的支持，曾在科学界轰动一时。1775年意大利生理学家L.斯帕兰扎尼通过一系列实验，证明J.T.尼达姆实验结果是由于加热不够和封盖不严所造成，因而确信微生物是从空气带入的。他的观点在当时已接近胜利。但他的批评者宣称，由于他使浸出液在密闭管内煮沸了45分钟，杀死了管内空气中的“活力”，因而影响了自然发生。同时，法国化学家J.-L.盖-吕萨克证明发酵和腐烂都必需氧，也使反对意见得到支持，使斯帕兰扎尼的观点未能取胜。1837年T.A.H.施万改进了斯帕兰扎尼的实验，通入事前经过加热或“焙烧”的空气，并以青蛙仍能在其中生活，证明并未影响“活力”的存在。但T.A.H.施万的实验由于存在某些技术问题，结果并不稳定。其后一些学者采取措施消除空气中的微生物，但也未能保证实验取得成功。因而仍有利于自然发生的观点。 1859年法国博物学家、巴黎科学院通讯院士F.A.普歇发表“异源发生论或自然发生论”的论文与法国微生物学家L.巴斯德间又展开类似的争论。F.A.普歇认为在具备有机物、水、空气和适当温度的条件下自然发生能被促进，并设计实验企图证明他的观点。巴斯德根据他从事发酵工作的经验，认为“酵素”实际是生命有机体，并确信空气中的微生物也来自酵素。1860～1861年L.巴斯德用火棉及S形长颈瓶进行实验，证明空气中的尘埃携带着各种微生物；而且随着场所和高度的不同，空气中微生物的含量也不一样。他在高山上做实验，由于高山上空气新鲜，微生物及孢子少，所以酵母浸液受污染的机会也少。1863年普歇在西班牙做了类似的试验，得到与巴斯德相反的结果。于是引起了论战。1864年法国科学院安排论战双方做实验，巴斯德做完上述实验后，普歇就宣布退出争论，未做实验。1876年英国H.C.巴斯特兰作为自然发生说的支持者，就微生物能否在中性或碱性尿液内自然发生与巴斯德展开争论。巴斯德重复了他的实验，认为它只证明某些低等芽孢在中性或微碱性培养基内能抗 100℃高温。1877年巴斯德又提出巴斯特兰的容器可能已受污染。以后通过R.科赫、J.廷德尔等的工作，表明确实存在着一种高度抗热的细菌内生孢子，某些微生物也能在 100℃酸性培养基内存活。而且尽管对实验容器预先消毒，在某些溶液内仍有微生物出现。巴斯德这才充分认识到在普歇及巴斯特兰等自然发生说的支持者所用的溶液内，有时可能一开始就有这样的微生物存在，而非由于实验技术操作不慎所致。以后巴斯德提出外科医生在更多注意消灭器具或手上的微生物，而不是空气中的。1879年C.E.钱伯兰证明，消灭液体内的抗热微生物至少要115℃，而消灭干燥表面的则要180℃。1897年E.毕希纳证实无细胞酵母提取液可使糖发酵产生酒精，驳斥了巴斯德关于酵素是生命有机体的观点。但这并不影响巴斯德在否定自然发生说中的重要地位。 微生物学研究 自A.van列文虎克发现微生物到18世纪，微生物研究没有多大进展。19世纪30年代，法国生理学家C.C.de拉图尔于1836年和T.A.H.施万于1837年分别报道了酒精发酵与酵母有关。1857年L.巴斯德在关于乳酸发酵的报告中指出，除了啤酒酵母之外，在糖变成乳酸的过程中，还有乳酸酵母（即乳链球菌）在起作用。他对发酵所必需的化学物质和发酵产物的化学成分也作了较详细的分析。1865～1870年，巴斯德为挽救法国的蚕丝业，曾去南方研究蚕病。他发现蚕病有两种，即蚕微粒子 (Nosema bombysis)病和软化病，并通过选用健康蚕蛾的卵以及防止病原感染等措施保证了蚕丝生产。1877～1881年，巴斯德从事炭疽病研究。德国细菌学家R.科赫于1876年已揭示炭疽病杆状弧菌(后称炭疽杆菌)的生活史，确定它有一内生孢子期，指出了传病途径，并首先证明这是由细菌感染引起的疾病。巴斯德发现埋有病尸的田地，通过蚯蚓活动，把孢子带到地面，当牛羊取食带刺植物时，孢子随之传入体内，并据此提出了预防的措施。但到1877年仍有人断言这些杆菌不是炭疽病的致病因子。同年，巴斯德通过 100多次转移稀释实验，证明只有在转移过程中增殖的有机体才是毒性因子。如果把杆菌过滤或沉淀，剩下的清液是无害的。从而证明微生物是引起传染病的致病因子。1878年，巴斯德检验因炭疽病致死动物不同时间的血液，发现随着时间的延长，血液内的杆菌(后称炭疽杆菌)逐渐为败血弧菌所代替，从而说明了死后二、三天的病畜血液内没有杆菌的原因。由此澄清了关于炭疽病争论中的一些问题。1878～1879年，巴斯德发现经连续培养可减低鸡霍乱病菌毒性，使鸡得病而不死亡，由此试制鸡霍乱疫苗获得成功。1880年，他转向研究炭疽病疫苗，以后又研究猪丹毒疫苗，均获成功。1881～1884年，巴斯德研究狂犬病疫苗，并于1885年7月救活一名9岁的男孩。 英国外科医生J.利斯特受到巴斯德工作的启发，联系到外科手术中的感染问题。于1867年发现用石炭酸作消毒剂可大量减少手术后的败血症，使病人死亡率明显降低。1882年 3月R.科赫在柏林生理学会作题为《论结核病》的报告，指出结核杆菌是当时发生普遍、危害严重的肺结核病的根源。1883年，R.科赫受命去埃及研究霍乱，后又去印度继续研究，分离并鉴定了霍乱病菌。1884年，他成功地找到霍乱交叉感染的途径及隐患，以乃有效控制霍乱的方法。同年他明确提出鉴定某一特定病疾是否由某种特定的微生物引起时所要遵循的几个步骤（世称“科赫法则”）：①首先确定某种微生物与某种病理状况的恒定关系；②分离致病有机体并在实验室进行纯菌培养；③将培养的致病有机体接种于健康动物并能表现出这种疾病特有的症状和特性。R.科赫还不断改进对细菌的染色法和培养法，这对以后发现各种病原菌起了很大作用。 19世纪后期，在巴斯德、科赫等工作的基础上，对免疫机制的研究形成了两个学派。俄国动物学家、免疫学家И.И.梅契尼科夫在研究炎症时发现微生物在血细胞内被消耗的现象，认为血细胞具有保护有机体防止感染性物质侵袭的作用，提出细胞吞噬理论。R.科赫则主张体液论，认为免疫依赖于血液和体液中诱导出来的某些因子，为以后免疫学说的发展提出了重要的依据。 1892年，俄国微生物学家Д.И.伊万诺夫斯基发现烟叶可被能通过滤器过滤的花叶病汁所感染。1897年，德国细菌学家F.A.J.勒夫勒证明引起牲畜口蹄疫的也是一种可通过滤器过滤的病毒。这是揭开非细胞微生物──病毒奥秘的开端。 细胞学说的建立 18世纪末、19世纪初，德国诗人、自然科学家 J.W.von歌德认为有机界的多样性是从物质的神圣统一性与第一原理衍生出来的，即由共同的原型所组成。德国自然哲学家、生物学家L.奥肯根据自然哲学思想与不确切的观察，提出由球状小泡发展成的纤毛虫是构成生命的共同单位。学者们寻找动植物原型的思想对细胞学说的提出有一定影响。 19世纪20、30年代，有些学者提出“小球”可能是植物或动植物的基本结构。其中法国生理学家H.J.迪特罗谢曾明确指出所有动植物的组织和器官都由小球构成。但是他所指的小球比较含糊，有时是细胞，有时是细胞核，也有时甚至是早期显微镜缺陷所造成的衍射圈。与此同时，有些学者开始采用消色差显微镜。1831年，英国植物学家R.布朗在兰科植物叶片表皮细胞中发现了细胞核。1835～1837年，捷克生物学家J.E.浦肯野及其学生G.G.瓦伦廷对构成动物某些组织的“小球”进行描述，并提到与植物细胞有相似性。 1838年德国植物学家M.J.施莱登发表《植物发生论》，提出只有最低等的植物，如某些藻类和真菌是由一个单细胞组成的。高等植物则是各具特色的、独立的单体即细胞的集合体；因而认为细胞是组成植物的基本生命单位。他还认为细胞的生命现象有两重性：一方面细胞是独立的，只与自身生长有关；另一方面又是附属的，是构成植物整体的一个组成部分。他研究植物的个体发育、发展了R.布朗关于细胞核的看法，认为核与细胞的产生有密切关系，并把它称为细胞形成核(cytoblast)。他描述了先由粘液颗粒长成细胞形成核，再在其表面出现小囊，逐步形成细胞的过程。他认为所有显花植物都具有共同的细胞形成规律。 德国动物学家 T.A.H.施万于 1837年10月，获悉M.J.施莱登的研究成果而受到启发，认识到从细胞核入手对论证植物细胞与动物细胞的一致性有重要意义。他于1839年出版《动植物的结构和生长一致性的显微研究》，提出了细胞学说。他通过对蝌蚪脊索细胞和不同动物软骨细胞的研究，阐述了动物细胞与植物细胞的相似性。他把动物的永久性组织分为5类，分别研究了血细胞，指甲、腱、骨、齿、肌肉、神经等，证明它们都是有核的细胞或是细胞分化的产物。他接受M.J.施莱登的观点，并发展为细胞可由细胞内或细胞间的一种无结构物质即细胞形成质(cytoblastema)产生。他根据研究结果提出一切动物和植物都是由细胞组成的，有机体的各种基本组成都有一个共同的发育原则，即细胞形成的原则，并认为细胞是生命的基本单位。一切有机体都从单个细胞开始生命活动，并随着其他细胞的形成，不断发育成长。他还明确指出细胞有两类现象，一类是塑造现象，与细胞由分子组成有关；另一类是代谢现象，与细胞本身组成成分或周围的细胞形成质中发生的化学变化有关。 细胞学说建立后的主要进展是原生质理论的建立和动植物细胞有丝分裂、减数分裂一致性的证实。继1835年法国原生动物学家F.迪雅尔丹将根足虫的内含物称为肉浆，1839年浦肯野把动物胚胎细胞内的物质，称为原生质。1844年 C.W.von内格利发现植物细胞壁内有一颗粒状的无色粘液层，同年H.von莫尔称它为原囊，1846年又称它为原生质。1850年F.J.科恩证明肉浆和植物原生质为同一物质。以后M.舒尔策于1861年证实植物和动物的原生质和最低等生物的肉浆是同一物质。 1844～1846年 C.W.von内格利和 H.von莫尔提出植物细胞通过分裂形成，但并不排除细胞游离形成。1852年，德国动物学家R.雷马克与德国病理学家R.C.菲尔肖分别明确指出动物细胞分裂的普遍性，并由R.C.菲尔肖于1855年总结提出“一切细胞来自细胞”的名言。但他们并未正确认识细胞分裂过程，而且也未完全排除细胞游离形成。直到19世纪70年代和80年代中期，通过德国植物细胞学家E.A.施特拉斯布格、德国细胞学家W.弗勒明等许多学者的努力，才正确阐明了动、植物细胞有丝分裂的过程，并证明它遵循着共同的规律。比利时胚胎学家E.van贝内登于 1883年发现马蛔虫性细胞染色体数目的减少是对于细胞减数分裂的认识的开始。后来德国动物学家H.亨金于1891年指出减数过程是染色体配对及染色体对之间的分离，并指出了脊椎动物、植物和昆虫细胞减数分裂的一致性。但是H.亨金的研究成果在当时并未得到承认。1905年英国植物学家J.B.法默和生物学家J.E.S.穆尔在总结前人工作的基础上，进一步证实了动、植物细胞减数分裂的共同性，以及两者之间的某些差异。 进化理论的确立 18世纪，法国博物学家G.-L.de布丰早期赞成物种不变的观点，但他不同意C.von林奈那种注重微小差异的人为分类方法。他把自然界作为一个整体来考虑，并着重寻找生物间的相似性。后来他根据对地球的历史和化石资料的研究，认为生活条件的改变一定会反映到生物的结构上，明确提出物种并非永久不变的，近似的物种可能有共同的祖先等观点。晚年他对上述两种观点采取了妥协的态度，提出一些不合情理的猜测，如说猪是其他动物的复合体，驴是退化了的马，猿是退化了的人等。他一生讨论了大量生物进化的问题，使进化成为科学研究的对象，推动了进化思想的发展。 英国医生、哲学家E.达尔文是C.R.达尔文的祖父。曾受 G.-L.de布丰进化思想的影响。他认为人工饲养、气候、杂交等原因可使动物发生变异，而且这种变异是可以遗传的，许多动物的结构相似表明它们有共同的祖先。法国生物学家 J.-B.de拉马克认为对各个动、植物的研究虽是必要的，但为了探讨作为一个整体的生命世界的共同法则，一定要对动物和植物进行统一的研究。他早期研究植物时，相信 C.von林奈的物种不变说。90年代后期，通过软体动物化石及与近代种类的比较研究，发现彼此间的相似性，才使他相信存在着许多种系系列(Phyleticseries)，在整个历史时期内，经历着缓慢的渐变。他于1800年开始持有这种进化观点，并在1809年出版的《动物哲学》一书中对有关进化的问题进行了全面系统的讨论。他认为物种变异的机制主要是用进废退和获得性遗传。他的进化学说由于思辨性较强，不少解释缺乏事实根据，因此很少为生物学家所接受。当时法国科学界、教育界的权威，比较解剖学家和古生物学家G.居维叶根据对地层化石的研究提出“灾变论”，反对拉马克的进化论，不仅在法国而且在英国也很有影响。 19世纪前期，自然神学在英国学术界有很大影响，许多生物学家认为生命世界的奇妙适应与和谐都出自上帝的设计。英国比较解剖学家R.欧文就持这类观点。他是居维叶的学生，也是拉马克进化论的反对者，在英国学术界很有影响。 英国地质学家 C.莱尔反对灾变论，是“均变说”的积极拥护者。但他在《地质学原理》第二卷（1831）讨论到动物变异等问题时，对拉马克学说进行了尖锐批评，他的著作对C.R.达尔文及其进化论的传播虽有重要影响，但他本人在较长时间内也是反对进化论观点的。1844年英国博物学家R.钱伯斯以化名出版了《自然创造史的痕迹》，书中大胆表明进化观点，曾轰动一时，成为畅销书。但由于该书内容粗糙，缺乏根据，特别是用一种神秘的“法则”来代替上帝，所以对学术界实际影响很小。总之，在C.R.达尔文的《物种起源》出版之前，在英国接受进化思想的人极少。 C.R.达尔文于1831年，参加“贝格尔”号舰的环球航行，在5年航海生活中他观察到大量的现象，收集到丰富的材料。南美洲从北到南相似的动物化石类型逐渐更替，加拉帕戈斯群岛的地雀既具有南美大陆鸟类的特性，又在岛屿之间略有差异。这些现象使他产生了物种渐变的想法。1837年 3月，当他从鸟类学家J.古尔德处获悉，在加拉帕戈斯群岛的3个岛屿上采集到的地雀，确有种的差异时，使他终于认识到地理因素引起物种形成的过程，从而彻底否定了物种不变的观念。1837年7月他开始就物种变异问题进行写作；根据他的亲自观察和阅读过的大量书刊，使他相信自然界的一切变化都是逐渐的而不是突然发生的。1838年10月当他阅读T.R.马尔萨斯的《人口论》时，使他体会到在动、植物界到处进行着生存斗争，在这样的环境条件下有利的变异将被保存，不利的变异将被消灭。其结果就是新种的形成。因而得出了自然选择的理论。1842年 6月达尔文用铅笔写出了这种观点的摘要，共35页;1844年夏季，又把它扩充到300页。但这仅是一个手稿，且只有很少人知道。此后，他一直持慎重态度，继续收集有关资料。1846年当他完成地质学的有关研究后，又用了8年时间从事藤壶的分类研究。 1855 年英国博物学家 A.R.华莱士发表了一篇题为“制约新种出现的规律”的短文，它并未引起重视。直到1858年A.R.华莱士寄去请求发表的论文──“论变种无限地离开其原始模式的倾向”，才使达尔文感到震惊，促使他加快了《物种起源》的写作。 A.R.华莱士曾先后去过亚马孙河及马来群岛考察，并受C.莱尔和C.R.达尔文著作的启发，研究物种起源并独立地得出了生物通过自然选择而形成新种的概念。与达尔文不同的是他更多依据动物地理分布的材料，指出一个物种种群的大小，毫不取决于生殖力，而取决于对潜在的种群增长的自然控制。每年有大量动物死去以保持数量稳定，这样必然是最弱的死去，最健壮的存活。因而通过生存斗争而实现自然选择。华菜士强调个体的变异，即种群内的各个个体并不具有完全相同的特性。一个物种如产生出一优良的变种，它在数量上也必占优势。在C.莱尔和J.D.胡克的建议下，达尔文和华莱士的联合论文于1858年7月1日在伦敦林奈学会上宣读，并于8月20日发表于林奈学会会刊上。 从1858年起到1859年 3月，达尔文完成了《物种起源》一书的写作。鉴于英国当时接受进化思想的人很少，他预见到该书的出版一定会引起激烈的争论，因此，他把样书分送给C.莱尔、J.D.胡克、T.H.赫胥黎及A.格雷以争取他们的支持。1859年11月24日《物种起源》出版，当天即被抢购一空。同时，《物种起源》也遭到了学术界、宗教界等方面的强烈反对，甚至恶毒诽谤。这主要因为达尔文以自然界的规律代替了“造物主的智慧”，并直接涉及人类自身的由来及历史，使宗教的基本信念发生了动摇，导致科学与宗教间的更深刻冲突。但是《物种起源》也受到英国和其他国家一些学者的积极支持，象英国的T.H.赫胥黎、德国的E.海克尔等，都为达尔文进化论的传播作出了重要贡献。 19世纪后期德国生物学家A.魏斯曼通过他的“种质学说”坚决否认获得性遗传。他把生物的遗传物质设想为种质，种质由微小的遗子(id)组成，遗子又由更小的定子(determinant)组成，定子是确定身体细胞分化和器官组织特征的单位。在他看来，生命世界的一切，都是长期自然选择的结果。他于1895～1896年间还进一步提出了“种质选择学说”，认为种质细胞中各个定子吸收营养的同化力和所处位置是不同的，同化力强和位置有利的定子在竞争过程中被选择，由它决定的器官也较健壮而进化，反之就较萎弱而趋于退化。魏斯曼的这种把选择原理推广到一切生命单位的见解，使他后来被公认为新达尔文主义的创始人。 遗传规律的发现 欧洲从18世纪以来就大量开展了植物杂交的实验。德国植物学家J.G.克尔罗伊特在18世纪60年代首先从事各种烟草的杂交试验，发展了人工杂交技术。他发现无论是正交还是反交，杂种的外表都难以区分，由此他指出在决定杂种性质时，两个亲本起着同等的作用。他通过与亲种反复回交的方法，把亲种的性质逐步转移给了杂种。但由于当时受物种不变信念的影响，他的试验结果未得到重视。19世纪40年代德国植物学家C.F.格特纳在实验方法和对杂种及其亲种的比较描述方面，较之前人又有了很大的进展。他细致分析了9000多个实验的结果，发现纯种之间杂交总是产生相同形态的杂种；认为杂种形成不象一种化学过程，而类似于动物的生殖过程。他早在20年代就统计出玉米杂交第二代的性状分离比率为3.18:1，但无法给予解释。C.R.达尔文曾高度评价C.F.格特纳的工作，认为他的研究价值超过了所有其他学者的总和。以后，法国植物学家C.诺丹在60年代发现杂种第一代表现一致，而第二代则出现杂乱的变异，各种类型的数目，完全由机遇决定。认为“配子的纯度”和各种杂交类型的产生都服从于概率定律。 此外，还有一批植物育种工作者长期从事品种间杂交。他们经常研究植物的个别性状，并在许多世代中追踪其结果。其中法国农学家A.萨热雷于1826年就两个甜瓜品种 5组相对性状做了杂交试验，根据杂交结果，他指出性状的自由组合，并引进了“显性”的概念。另外，这期间欧洲有些育种学家已发现豌豆作为杂交育种实验材料的优越性。以上的大量工作，均为以后发现遗传规律奠定了基础。 奥地利布隆 （Brunn）〔今捷克和斯洛伐克布尔诺(Brno)〕修道院修道士G.J.孟德尔对植物杂交和遗传现象很感兴趣，仔细阅读过前人的工作，包括C.F.格特纳的著作。他于1856年开始从事豌豆杂交试验，由于受F.翁格尔关于研究变种是解决物种起源的关键这一思想的影响，他采用了种群分析法，而不是研究单个个体。他选择了豌豆品种这一理想材料作为研究对象，又把工作限于彼此间差异十分明显的单个性状的遗传过程，而使实验结果大大便于统计分析。经过 8年研究，孟德尔于1865年2月8日和3月8日两次在布隆自然科学协会上报告了他的实验研究结果。反映实验结果的论文《植物杂交的试验》发表在 1866年《布隆自然科学协会会刊》第4卷上。他的主要结果可概括为：①分离规律。杂交第一代通过自花授粉所产生的杂种第二代中，表现显性性状与表现隐性性状个体的比例约为 3:1；②自由组合规律。形成有两对以上相对性状的杂种时，各相对性状之间发生自由组合。孟德尔为解释这些结果，提出一些假设。如遗传性状由遗传因子所决定；每一植株含有许多成对的遗传因子;每对遗传因子中，一个来自父本雄性生殖细胞，一个来自母体雌性生殖细胞；当形成生殖细胞时，每对遗传因子互相分开，分别进入一个生殖细胞等等。他的实验结果及其假设表明遗传决不是融合式的，而是“颗粒式的”，亦即决定某一相对性状的成对遗传因子在个体内各自独立存在，互不沾染，不相融合。刊载孟德尔这一突破性的重大研究成果的布隆自然科学协会会刊曾被分送到 120个单位，在欧洲很多图书馆内都可找到这篇论文。他本人还把论文寄给当时植物学界的权威人士内格利。但他的成就对他同时代的生物学家和有关遗传的研究没有产生影响，被埋没了35年之后，直到1900年才被重新发现。 与孟德尔同时代的C.R.达尔文在1868年出版的《动物和植物在家养下的变异》一书中，提出“泛生论”的暂定假说，说明他并未看到孟德尔的论文。达尔文设想体内的各类细胞中，均具有代表其自身的胚芽。杂种内的镶嵌特征是亲本胚芽混合所致。他认为在生活周期的任何阶段细胞都可放出胚芽，胚芽随血流循环，通过分裂而增殖并发育成同样的细胞。胚芽也可积累在生殖细胞内，并传递给后代。当环境条件发生变化时，胚芽也会发生改变，并将此新的获得特性传给后代，但是达尔文的这一假说很快就被其表弟F.高尔顿的输血实验所推翻。 1884年内格利根据受精卵内卵子原生质多于精子原生质但并不体现出更多遗传性状的事实，推测有两种原生质。一种称种质 (idioplasm)。它在卵细胞和精子细胞内是等量的，控制个体发育和系统发育，是遗传性状的携带者和变异的决定者;另一种为营养质(trophoplasm)大量贮存在卵内，主要起营养作用。内格利的上述观点，对 E.A.施特拉斯布格、O.赫特维希、R.A.von克利克、A.魏斯曼等后来提出核物质是遗传性状的载体，很有影响。 20世纪的生物学20世纪特别是50年代以后，生物学同化学、物理学和数学相互交叉渗透，取得了一系列划时代的科学成就，使它跻身精确科学，成为当代成果最多和最吸引人的基础学科之一。关于生命的研究，已经不只是生物学家的任务，也是物理学、化学家以及数学家兴趣较大的领域。现在的生物学常被称为“生命科学”，不仅因为它更深入到生命本质问题，还因为它是多学科的共同产物。在微观方面生物学已经从细胞水平进入到分子水平去探索生命的本质。在宏观方面生态学的发展已经成为综合探讨全球问题的环境科学的主要组成部分。 生物学的各个分支学科，包括分类学、生理学、进化论等，都取得了重要进展，然而促使生物学的面貌发生根本变化的主要分支学科则是遗传学、生物化学和微生物学。遗传学的研究从1900年孟德尔定律的再发现以后与细胞学相结合，随之建立了基因论。到30年代，基因论已被公认是在生物个体水平和群体水平上研究性状遗传的指导理论。遗传学也因而在生物学中甚至在整个科学中占有重要地位。生物化学自1877年提取出离体的“酿酶（zymase）”以后，对生物体内新陈代谢的研究进展迅速，到40年代生物体内分解代谢途径已基本阐明。同时，酶的本质和生物能的研究也有长足进展。对蛋白质、核酸、糖、脂肪等生命基本物质则不仅阐明其基本组分，并且开始了三维结构的探索。微生物学除了对霉菌、细菌继续研究外，在20世纪30～40年代还阐明了病毒与噬菌体的本质。这 3个分支学科各自的发展和相互交叉，为分子生物学的出现奠定了基础。 第二次世界大战以后，生物学发生了质的飞跃。1953年DNA双螺旋结构的发现标志着分子生物学的诞生，也标志着生物学的探索开始进入了揭开生命之谜的大门。此后，遗传密码的破译，重组DNA技术的建立，不仅创建起分子遗传学，而且使肿瘤学和免疫学都在分子水平上取得突出成就。神经生物学，特别是在大脑的研究方面也都出现重大突破。可见，20世纪的生物学不仅直接影响着本身各分支学科的发展，而且对农学和医学，甚至对方兴未艾的产业革命已经和将要产生巨大的影响。科学史家普遍认为在20世纪50年代以后生物科学发生了一场革命。这场革命从其开辟新领域，从其对其他科学所产生的作用、从其对社会和人们思想的冲击等方面来考察，其影响之大绝不逊色于20世纪前30年中发生的物理学革命。 20世纪生物学的迅速发展，受到社会经济高速发展的有力支持，使生物学的研究能够迅速大量的应用现代物理学、化学的原理、方法和精密仪器。这样，生物学的定量研究逐渐得到发展。由于一些物理学家和数学家被吸引来探索生命之谜的未知领域，理论生物学这一新学科开始出现。理论生物学是主要用数、理、化方法研究各种生命现象的一个分支学科。早期的代表著作有奥地利L.von贝塔兰菲的《理论生物学》(第一卷1932、第二卷1942);M.贝格纳的《生物学的思想方法》(1959)等。 19世纪生物学主要在欧洲各国发展，特别是在英国、德国和法国。例如，英国的剑桥和牛津等几所有悠久历史和科学基础的大学和皇家学会的学术活动；德国的格丁根、海德堡、柏林等多所大学和凯撒－威廉研究所所属的生物实验室；法国的巴黎大学和1888年在巴黎建立起来的巴斯德研究所以及俄国的圣彼得堡大学等。20世纪这种情况发生了很大的变化。这是因为：欧洲曾是两次世界大战的主要战场；1933年希特勒法西斯专制统治德国，推行残酷的排犹种族主义政策。迫使大批犹太血统的和反法西斯统治的德国科学家移居国外，其中大部分辗转到了美国。美国的科学在第二次世界大战后发展迅速，后来居上，成为世界科学的发展中心。生物学的情况也基本如此。美国本土的生物学家从19世纪末就已逐渐成长，经过20世纪30～40年代与欧洲各国，特别是德国大量移民生物学家的汇合，到20世纪后期无论从质量上或数量上来看美国的生物学都已居于领先地位。当然，上述欧洲国家经过战后40年的恢复和发展，科学技术仍居世界前列。亚洲、南美一些国家也在积极开展这方面的研究。 下面，只介绍了在20世纪中发展较快和影响较大的几个分支学科的简要历史轮廓。 在细胞水平上遗传规律研究的发展 孟德尔规律的 再发现 1900年荷兰的H.德·弗里斯、德国的C.E.科伦斯和奥地利的E.von切尔马克3人先后分别再发现了孟德尔的遗传规律，并查阅到了被淹没在图书馆文献中达35年之久的《植物杂交的实验》原文，把它重新公诸于世。从此，G.J.孟德尔的发现得到了高度评价，他所发现的遗传规律被称为孟德尔定律，他本人被誉为现代遗传学的奠基人。孟德尔定律再发现的1900年则标志着现代遗传学的开始。H.德·弗里斯和C.E.科伦斯都是当时著名的植物学家，对植物杂交和遗传颇有研究，E.von切尔马克则是较年轻的植物育种学家。科学史界一般对前两人的评价较高，尤其是对科伦斯；但无论如何，他们都以自己的工作为基础，充分认识到孟德尔发现的意义。科伦斯曾说过，“再发现远比不上孟德尔原来的发现，其份量要轻得多”。英国遗传学家W.贝特森立即找到孟德尔的报告，于1901年译成英文，从而促使它在英语国家中，更广泛地传播。 细胞遗传学的建立 孟德尔定律再发现以后的年代中生物学家用许多其他动植物为材料进行了多方面的实验验证，结果表明孟德尔定律是动、植物界普遍遵循的遗传规律。许多重要的遗传学概念都是在1900～1910年间建立起来的。美国细胞学家W.S.萨顿于1902～1904年和德国的细胞学家T.H.博韦里都发现，在雌雄配子形成和受精过程中，染色体的行为同孟德尔假设的因子行为是平行的，从而提出孟德尔式的遗传是以染色体为物质基础的理论。英国的W.贝特森于1906年提出了遗传学这一名词，而且早在1902年他就提出了“杂合子”、“纯合子”、“等位基因”等重要概念。H.德·弗里斯则提出“突变”的概念。丹麦生物学家W.L.约翰森建立了纯系理论，并于1909年提出了“基因”、“基因型”、“表型”等名词及概念。从1901～1905年美国细胞学家C.E.麦克朗、E.B.威尔逊和W.L.史蒂文斯等证明了动物细胞核有两种粒子:一种含有副染色体(accessory chromosome)（或称X染色体）；另一种则不含。认为性别就是由这种额外染色体决定的。E.B.威尔逊著的《在发育和遗传中的细胞》于1896年初版，1900年再版，到1925年第3版时几乎完全重写，它对细胞遗传学的发展起了积极的促进作用。 从1910年到30年代，主要由于美国遗传学家T.H.摩尔根其学派的科学贡献，建立起细胞遗传学，丰富并发展了孟德尔定律。T.H.摩尔根与E.B.威尔逊是同事和密友。他得到威尔逊从学术到行政各方面的支持。摩尔根最初并不信服孟德尔定律，这一方面是出于胚胎学家的偏见，另一方面也因为他所观察到的遗传现象远较孟德尔定律复杂。但他在细胞学和胚胎学基础上，用果蝇为材料进行的大量杂交实验，终于建立起细胞遗传学或染色体遗传学。1910年他发现了果蝇的白眼突变型总是同雄性相联系的伴性遗传现象，第一次用实验证明遗传白眼的“基因”是坐落在性染色体上的物质。以后他和他的合作者以及其他单位和国家的遗传学家用果蝇作了大量的系统研究，表明不同的“基因”在遗传过程中有“连锁”现象，同源染色体之间有“交换”现象。他们的大量的杂交实验证明基因在染色体上有固定的位置。通过在显微镜下对染色体的观察和大量实验数据的计算，找到各种基因在染色体上的相对位置(见连锁和交换、基因定位)。1915年，摩尔根同他实验室里的年轻学者A.H.斯特蒂文特、H.J.马勒和C.B.布里奇斯合著的《孟德尔遗传原理》一书的出版在学术界产生了相当大的影响。1927年H.J.马勒用X射线人工诱发果蝇突变，这是第一个被公认的用人工方法改变基因的最有说服力的事例，开辟了遗传研究和实际应用的广阔前景。1933年，其他科学家发现了唾液腺细胞的巨大染色体。其后，布里奇斯在1938年绘制出近4000个基因的果蝇染色体图。这些工作对基因论的确立提供了重要依据。 T.H.摩尔根于 1928年修订了 1926年出版的《基因论》一书，把基因在遗传学上的地位同原子、电子在物理学和化学上的地位相比，把基因论同物理学和化学的理论相比，说：“只有当这些理论能帮助我们作出特种数字的和定量的预测时，它们才有存在的价值，这便是基因论同以前许多生物学理论的主要区别。”这段话基本概括了30多年来遗传学的成就。在结尾的一段话中，他提出了“基因是属于有机分子一级”的问题，认为“基因之所以稳定是因为它代表着一个有机的化学实体。这是现在人们能够作出的最简单的假设，并且这项见解既然符合有关基因稳定性的已知实体，那么，至少它不失为一个良好的试用假说”。这一预见在以后的科学发展中得到了证实。 细胞遗传学在苏联等国一度被否定 正当遗传学向前发展之际，在苏联，以农学家Т.Д.李森科为代表的一方，同以植物学家兼遗传学家Н.И.瓦维洛夫为另一方，在1935年米丘林逝世之后展开了争论。由于李森科得到政治上的支持，特别在1948年 8月全苏列宁农业科学院会议后，G.J.孟德尔、A.魏斯曼、T.H.摩尔根的遗传学说遭到全盘否定，并被戴上“反动的”、“唯心主义的”、“形而上学的”等政治帽子，同时下令停止了有关的教学和研究工作，有关遗传学家的各种职务也都被撤掉。这种情况直到1964年才恢复正常。近30年的批判和否定，使苏联的遗传学和有关学科从先进变为落后，并且同样地影响了包括中国在内的许多社会主义国家。 20世纪前期生物大分子和代谢途径研究的进展 对 生物大分子的认识 生物化学起源于19世纪的生理化学，发展于20世纪。起先，由于一些有机化学家对动植物化学的研究，开始认识了组成生命的重要物质──蛋白质、核酸、糖和脂肪的化学成分和部分结构。科学家们用了100多年的时间，到1940年才全部阐明了组成蛋白质的20种氨基酸。19世纪末、20世纪初，德国化学家E.菲舍尔和F.霍夫迈斯特先后分别提出蛋白质的结构是由肽键把各种氨基酸连接为长链的理论，并指出了天然氨基酸都是L系(左旋)的。但直到1929年，瑞典化学家T.斯韦德贝里用他自己发明的超速离心机进行了测定后才证明了蛋白质的大分子本质。1869年，J.F.米舍尔发现核酸以后，德国生化学家A.科塞尔和美籍俄裔的生化学家P.A.T.列文等从世纪交替时起到20世纪30年代，对核酸的结构作了系统的研究，发现核酸是由4种不同的含氮的杂环化合物（嘌呤和嘧啶的衍生物，通称碱基）同核糖、磷酸结合成核苷酸，然后再聚合为大分子。1929年P.A.T.列文发现，由于核糖含氧量不同，而有脱氧核糖核酸(DNA)与核糖核酸(RNA)之分。由于当时条件的局限，他根据不够精确的测定，误以为核酸中4种碱基的含量相等，于1921年提出关于核酸结构的错误的“四核苷酸”假说，把复杂的核酸结构简单化了。30年代这一假说被普遍接受，影响了人们揭示核酸作为生命物质的重要功能。直到40年代中期核酸在遗传上的功能被肯定，才有人再次用刚建立不久的精确方法进行分析，发现四种碱基含量并不完全相等。这才推翻了“四核苷酸”假说，有助于以后DNA双螺旋结构模型的建立。 代谢基本途径、酶和生物能本质的阐明 生物体内代谢途径复杂多端，在20世纪前叶基本上阐明了糖、脂肪和蛋白质三种主要物质的分解代谢途径。 1897年， 德国生化学家 E.毕希纳发现离开活体的酿酶具有活性以后，极大地促进了生物体内糖代谢的研究。酿酶发现后的几年之内，就揭示了糖酵解是动植物和微生物体内普遍存在的过程。英国的F.G.霍普金斯等于1907年发现肌肉收缩同乳酸生成有直接关系。英国生理学家A.V.希尔，德国的生物化学家O.迈尔霍夫、O.瓦尔堡等许多科学家经历了约20年，从每一个具体的化学变化及其所需用的酶、辅酶以及化学能的传递等各方面进行探讨，于1935年终于阐明了从葡萄糖（6碳）转变其中乳酸（3碳）或酒精（2碳）经历的12个中间步骤，并且阐明在这过程中有几种酶、辅酶和ATP等参加反应。 脂肪酸的代谢一直遵循着从1904年德国生化学家F.克诺普建立的β-氧化理论，即从羧基端依序以两个碳为单位解离。 蛋白质的代谢则主要是氨基的去向问题。1930～1938年，经苏联生化学家A.E.布劳恩施泰因、M.Г.克里茨曼和M.李约瑟夫人等许多科学家的努力，基本上阐明了氨基的转化过程。1932年德国生化学家H.A.克雷布斯发现了氮的代谢废物尿素是由转化的氨基通过鸟氨酸循环不断产生的。这一发现不但阐明了尿素生成的途径，而且给代谢途径建立了“循环形式”的新概念。 三羧酸循环这一代谢基本途径的阐明是H.A.克雷布斯于30年代末在英国作出的。他总结分析了前人在与呼吸作用有关的化学物质的化学结构及其变化和自己的实验结果，指出，柠檬酸经过一系列的已知的变化可以变为草酰乙酸，而草酰乙酸也可以变为比它多两个碳的柠檬酸，从而提出柠檬酸循环的设想。在这个过程中产生了二氧化碳和水。但是对于同草酰乙酸结合的两个碳原子化合物的来源问题，H.A.克雷布斯只是提出设想：是糖酵解或脂肪酸β-氧化的产物。证实这一重要设想的是德国出生的生物化学家，O.迈尔霍夫的学生和助手、1939年到美国工作的F.A.李普曼。1945年他从研究生物化学能的重要传递物──ATP入手，发现了活性很强的含两个碳原子的化合物──辅酶A。正是辅酶A促进了两个碳原子化合物同草酰乙酸的缩合。后来直到50年代初，才弄清了丙酮酸氧化脱羧后同草酰乙酸缩合的整套多酶体系。 在代谢途径的研究过程中，能量的产生和转化始终是一个引人注意的问题。英国生理学家A.V.希尔和O.迈尔霍夫分别于1912和1922年发现肌肉收缩过程中伴随着能量变化。1929年，德国生化学家C.H.菲斯克和K.洛曼等分别从肌肉中分离出腺苷三磷酸(ATP)。1935年，K.洛曼测定出ATP的分子式。与此同时，发现不论在糖酵解或三羧酸循环等代谢过程中，都有伴随着ATP磷酸根的放出或 ADP得到磷酸根的变化──化学能量高效率的传递方式。1941年F.A.李普曼引入“高能磷酸键 (～P)”的概念。1949年美国生化学家E.P.肯尼迪和A.L.莱宁格报道了线粒体含有三羧酸循环所需要的全部酶系统，并且与磷酸化偶联，产生大量ATP，而酵解作用则在细胞质中进行。以后线粒体就成为能量代谢研究的主要材料。 关于在代谢物氧化过程中，氢如何变为水的问题，曾有过不少争论。O.瓦尔堡在第一次世界大战前后，经过多年的研究，到20年代初明确提出氧分子能使2价铁变为3价铁，3价铁使代谢物氧化的同时又还原为 2价铁。他称这种铁的化合物为呼吸酶，但他所用的铁是血红素烧成的灰。O.瓦尔堡从事这项研究的副产品就是后来为世界各国生化实验室内所广泛采用的瓦伯呼吸仪。但他的结论却引起不少争论。德国化学家H.O.维兰德在1912～1913年间用一系列的实验表明，细胞内代谢物的氧化主要是由于酶的作用先脱氢，脱下的氢再同氧结合为水。不久就分离出脱氢酶。于是，在O.瓦尔堡和H.O.维兰德之间，对究竟是先激活氧还是先激活氢的问题上，发生了一场历时十余年的争论。英国寄生虫学家和生物化学家D.基林于1924年用实验表明在细胞中广泛存在的、含铁的细胞色素在代谢物氧化过程中起氧化作用。为此，O.瓦尔堡同D.基林间也发生了争论。到20年代末，经过D.基林和匈牙利生物化学家（第二次世界大战定居美国）A.圣捷尔吉等的努力，明确了代谢物的氧化过程中既有脱氢作用，也有氧被激活的作用，还有细胞色素在中间的作用。50年代许多人的工作结果表明代谢物在细胞内从脱氢到同氧结合为水，是一个多步骤的电子传递过程。这里同位素示踪技术对代谢途径的最后确定起着决定性的作用。从 1932年美国化学家 H.C.尤里发现氢同位素“氘”，1933年匈牙利化学家G.C.de海韦希制得放射性P32，特别是40年代初原子反应堆建立以后，在生化研究上很快得到了应用。如德国出生的生物化学家R.舍恩海默在美国于1933年用氘研究脂肪酸代谢，1937年用N15研究蛋白质代谢，发现代谢物质间存在着动态平衡。此后，同位素应用日益广泛，成为生物化学研究的一种重要手段。 酶究竟是大分子还是小分子，在20年代前半期还在争论不休。1926年，美国生物化学家J.B.萨姆纳成功地从刀豆中提取出能分解尿素的尿素酶结晶，并证明这个结晶是蛋白质。4年后美国生物化学家 J.H.诺思罗普又得到胃蛋白酶和胰蛋白酶的结晶，并证明它们也是蛋白质。从此，酶是蛋白质的概念才被肯定。30年代，发现酶除了大分子蛋白质的部分以外，还有许多种辅酶配合着起作用。经过包括O.瓦尔堡等许多生物化学家的研究证明了许多维生素，如B1、B2、B3、…等都得各种辅酶必不可少的成分。至于酶反应的原理和动力学，又为人们开辟了一个广阔的研究新领域。酶的专一性的研究在20世纪初已见端倪。E.H.菲舍尔就曾提出“锁钥理论”。即在酶同反应底物的结构之间有一定的互相嵌合的关系。以后又有不少修改和补充。60年代初D.小科什兰提出了根据比较充分的“诱导配合理论”。1965年法国分子生物学家J.莫诺出了调控酶活性的“变构”理论。 激素研究的进展 激素缺乏的临床症状早就为人所知，如1891年英国生物学家G.R.默里第一个用羊甲状腺提取液喂粘液性水肿病人，取得惊人疗效。但对激素的科学认识则开始较晚。1902年英国生理学家W.M.贝利斯和E.H.斯塔林从小肠粘膜提取液中发现了促使胰脏分泌的“肠促胰液肽”。他们根据这种物质的生物活性，命名为激素。 其拉丁文“Hormone”，意为“我激发起活性”。1905年，他们又提出激素在血液中起化学信使作用的概念。在其后的40年内人们取得了很多内分泌器官的提取液，其中包括肾上腺素、胰岛素和性激素等。很多有机化学家也卷入了纯化粗提液和化学分析的工作。1915年在美国生物化学家E.C.肯德尔报道了提取出具有活性的甲状腺提取物。1926年，英国生物化学家C.R.哈林顿改进了提取方法，提高了产量，并阐明了它的组成是酪氨酸的衍生物，称之为甲状腺素。 1921年加拿大内分泌学家F.G.班廷和C.H.贝斯特从胰腺中提取出能使血糖降低的提取液，命名为胰岛素。1925年，经过许多人特别是美国生物化学家J.J.埃布尔的努力得到了胰岛素的结晶，并证明它是一种蛋白质。50年代胰岛素成为第一个分析出全部氨基酸顺序的蛋白质。60年代，胰岛素又成为第一个被中国化学家和生物化学家人工合成的蛋白质。从而使胰岛素在分子生物学的研究中也占有特别的地位。 性激素功能早已为人熟知，但对性激素的提取及分析则是20世纪前叶的工作。1923年美国解剖学家E.艾伦和生化学家E.A.多伊西发现雌性激素存在于卵泡液、羊水中。1931年美国生化学家A.布特南特等从睾丸中提取出的脂类成分，具有高效雄性激素作用。以后发现性激素都是类固醇结构。 1930～1940年间，E.C.肯德尔等提取并分离出多种肾上腺皮质激素，分析出其化学结构，并发现其具有对体内新陈代谢调节的重要功能。 30年代前后，发现了脑下垂体分泌的激素具有调节控制体内其他激素的功能。由于垂体小，所含激素量极少，因此提取工作困难很大。1943年，华裔美国生物化学家李卓浩和美国生物化学家H.M.埃文斯等从数以万计的垂体中提取出促肾上腺皮质激素(ACTH)大大促进了垂体激素的分离以及垂体激素同体内其他激素之间相互控制和反馈调节的研究。 20世纪后半叶在激素方面最激动人心的成果是提纯并分析了下丘脑分泌的神经激素。这主要是由两位生物化学家法裔美国人R.吉耶曼和出生于波兰后定居于加拿大的A.V.沙利在美国国家卫生研究院支持下，从1955年起进行了十多年工作的结果。1966年，他们提取出 1毫克的促甲状腺素释放因子，并分析出其化学结构为三肽。以后又继续分离出其他 9种多肽激素。他们的研究表明，下丘脑是比垂体更高一级的调节控制激素分泌的场所。而且在这里神经和内分泌两大系统，通过神经递质乙酰胆碱、多巴胺等的作用而连接起来，形成一个统一体。对血液中微量激素的测定手段也越来越精确。1959年美国物理学家R.S.耶洛和医生S.伯森长期合作，建立了放射免疫分析方法，测定血液中的微量多肽类激素和类固醇激素等，为激素研究和临床诊断提供了灵敏的工具。 细胞生物学和分子生物学的发展促进了对激素作用原理的探索。1970年前后，生物膜的研究表明激素的作用是通过与细胞膜上激素的受体结合，刺激细胞内cAMP量升高，从而引起一系列变化。在这些方面美国生物化学家E.W.萨瑟兰作出了开创性贡献。他早在1958年就报道了发现cAMP，又经过多年研究，于1965年提出cAMP是激活“激素──第一信使”的“第二信使”。这一成就进一步促进了cGMP等一系列研究的开展。 植物的光合作用 20世纪对光合作用的探讨，向着物理学和化学两个方面不断深入。1905年英国植物学家F.F.布莱克曼提出光合作用包括需要光照的“光反应”和不需光照的“暗反应”两个过程，二者相互依赖，光反应时吸收的能量，供给暗反应时合成含高能量的多糖等的需要。20年代，O.瓦尔堡进一步提出在光反应中不是温度而是光的强度起作用。1929～1931年荷兰微生物学家C.B.范尼尔通过比较生化研究，发现光合硫细菌与绿色植物一样，也进行光合作用。只是绿色植物的供氢体是水，而光合硫细菌的供氢体是硫化氢或其他还原性有机物。C.B.范尼尔的工作改变了长期以来认为光合作用一定要放氧的看法，扩大了光合作用的概念，对以后有深远影响。对于光合作用的重要参与物质叶绿素，早就引起人们的注意。德国化学家R.M.维尔施泰特经过了8年的努力，于1913年阐明了叶绿素的化学组成。另一位德国化学家H.菲舍尔于1940年确定了它的结构，这些都为50年代“光合作用中心”的提出，以及色素吸收光子、能量传入作用中心等的发现奠定了基础。虽然光合作用的部位早就被认为是叶绿体，但真正用实验加以证实则在20世纪30年代末40年代初。英国植物生理学家R.希尔用离体叶绿体作实验，测到放氧反应，这是绿色植物进行光合作用的标志。但是否代表光合作用未能肯定。希尔称它为叶绿体的放氧作用，亦被称为“希氏反应”。这一工作直到1951年才被证实是光合作用的一部分。1954～1955年，美国生物化学家D.I.阿尔农美国微生物学家M.B.艾伦又证明离体叶绿体不仅能放氧，而且也能同化二氧化碳。这也就证实了叶绿体确是光合作用的部位。 美国伯克利加州大学的M.卡尔文、A.A.本森、J.A.巴沙姆等，利用劳伦斯实验室制备的同位素的和其他新的生化技术，花了10年的时间于50年代中期阐明了“光合碳循环”，或称“卡尔文循环”的过程。他们证明，在叶绿体内一种 5碳糖起了二氧化碳接收器的作用经过一系列的酶促反应，不断地循环同化二氧化碳，形成一个一个的6碳糖，再聚合成蔗糖或淀粉。 光合磷酸化是光合作用中的重要的能量传递过程。1954年D.I.阿尔农在用菠菜叶绿体研究二氧化碳同化的同时，发现叶绿素受光的激发产生电子，在传递过程中与磷酸化偶联，产生ATP，电子仍回到叶绿素分子上，继续上述过程，这一过程被称为循环光合磷酸化。几乎同时别人也证明，细菌中也存在着类似的过程。1957年D.I.阿尔农等又发现另一类型的光合磷酸化。在这个过程中，光使叶绿素从水中得到电子，电子传递过程中与希尔反应偶联，还原辅酶Ⅱ，放氧，同时产生ATP，这一过程称为非循环光合磷酸化。 光合作用中两个光反应系统的发现推动了光合磷酸化研究的不断深入。这项工作主要是美国植物生理学家R.埃默森及其合作者从40年代初到他逝世这十几年内进行的。1943年他们发现红光波段中，短波(～650纳米)区比长波区 (～700纳米)的光合效率高。1957年他们又发现两者同时照射比单一照射所产生的光合效率高。根据他们的工作以及其他人的工作，英国的R.希尔等提出可能存在着两个光反应系统:系统Ⅰ由远红光(～700纳米)激发，系统Ⅱ则依赖于较高能的红光（～650纳米）。非循环光合磷酸化对此就是一个有力的支持事例。根据这一设想及大量实验结果，设计出一个“Z图解”，表达两个光反应系统的协同作用，得到了广泛的支持。由此掀起了研究两个光反应系统结构与功能的热潮，推动了光合作用的核心问题──原初反应和水的光解问题的研究。 进入80年代，光合反应中心的结构研究取得了重要突破，1982年西德生化学家H.米舍尔成功地分离提取出生物膜上的色素复合体，即光合反应中心。以后德国的蛋白质晶体结构分析专家R.休伯和J.戴维森，经过4年的努力，用X射线衍射分析的方法，测定出这个复合体的复杂的蛋白质结构。这一成果在光合作用研究上是一个飞跃，有力地促进了太阳光能转变为植物能的瞬间变化原理的研究。 病毒和噬菌体本质的阐明 在19世纪L.巴斯德、R.科赫奠定的基础上，20世纪不断发现新的病原微生物而且研制了许多卓有成效的治疗药物。工业微生物学也从制酒、做面包发展到利用细菌来产生维生素、氨基酸、甚至还可以利用细菌冶金；但20世纪对生物学产生巨大影响的主要是病毒和噬菌体的研究。 病毒学的建立 病毒学是20世纪中叶才独立的一个微生物学的分支学科。1892年伊万诺夫斯基发现过滤性烟草花叶病的致病因素后，过滤性病毒名称遂被广泛采用。1898年荷兰微生物学家M.W.拜耶林克根据多年对烟草花叶病毒的研究指出：既然烟草花叶病的致病因素极易过滤，而且能在被感染的植物组织中增殖，因此可以肯定这种物质不可能是毒素，很可能是一种具有复制能力的，较低分子量的分子。因为病毒只能在活组织中生长繁殖，所以寻找适用的活组织培养方法成为20世纪病毒研究的一项重要任务。1931年，美国病毒学家E.W.古德帕斯丘和A.M.伍德罗夫提出用鸡胚作活组织来培养病毒，大大促进了病毒的研究。50年代以后，陆续建立起研究病毒的定量技术。 1935年美国生物化学家W.M.斯坦利第一个取得病毒的结晶──烟草花叶病毒的结晶。纯病毒的取得促进了对病毒结构的研究。40年代，借助电子显微镜的观察和化学分析，才认识到病毒是由核酸和构成外壳的蛋白质组成。50年代，随着分子生物学的进展，一些病毒的分子结构才得到了阐明。20世纪对如脊髓灰质炎（俗称小儿麻痹症）、肝炎病毒，特别是乙型肝炎病毒等进行了大量的研究，分别于50和80年代取得了防疫疫苗。对肿瘤病毒的研究也取得明显效果。随着这些工作的进展，对病毒的认识得以大为深化。 噬菌体的发现和研究 噬菌体是一种以细菌为宿主的、比正常病毒还要小的病毒。从1915年第一篇关于噬菌体的文章出现至今的70多年历史中噬菌体已在分子生物学的舞台上起了重要的作用。1915年，英国微生物学家F.W.特沃特发表了一篇不引人注目的文章，题为“超显微病毒本质的研究”;文章描述了一个新奇的现象:通过具有细小孔径的陶瓷过滤板的稀滤液，只要有一滴落到试管内的琼脂上，就可以使琼脂上的球菌菌落变为透明。F.W.特沃特后来在讨论这一现象时认为有 3种可能：①球菌生活史中，有一个阶段不能在正常培养条件下生长；②球菌分泌一种酶，导致它自身的毁灭；③有一种超显微病毒，能使球菌发生急性“传染病”。由于第一次世界大战的影响，研究未能继续进行。1917年，法国医官F.H.de埃雷尔提出有一种看不见的微生物能与痢疾杆菌发生拮抗作用。他认为这是一种捕食杆菌的微生物，并命名为噬菌体。 这种细菌溶菌现象的本质，从20年代到30年代始终是一个争论的问题。包括著名的比利时免疫学家J.博尔代在内的许多微生物学家认为这是由于细菌突变引起的一种酶的过量生产，使细菌发生传染性自溶现象。他们未认清噬菌体的两个不同生活阶段，即在细菌外的完整形态结构阶段和在细菌内的增殖阶段。他们也不承认噬菌体是一种有遗传性的物质实体。这实际上是对于是否存在着介于生命体和无生命体之间的物质这一老问题的新争论。恰恰是噬菌体这样一种生物的地位和性质，成为分子遗传学研究的极好材料，著名的果蝇遗传学家H.J.马勒曾在1921年底预言：“F.H.德埃雷尔的实体如果是基因，则将给我们一个新的角度去解决遗传问题，它们可以过滤，能在一定程度上分离，能在试管中操作，由它们对细菌的作用而表现出的性质可以研究。但如果把它看作是基因可能是太急了……。”1922年，荷兰的M.W.拜耶林克根据当时计算出的噬菌体数量级，认为“噬菌体和蛋白质分子的大小相当”。法国巴斯德研究所的E.沃尔曼夫妇起初同意J.博尔代的看法，后来看到T.H.摩尔根和H.J.马勒对遗传学的新贡献，也接受了新思想。1925年，他们提出噬菌体最活跃的要素是含有一种有稳定遗传性的物质，1935年更明确地定了基因论完全适用于病毒。到40年代中期，科学家已测出噬菌体的大小和含有以蛋白质为外壳和以 DNA为核心的化学本质。这一切都成为噬菌体进入分子生物学的研究领域的基础。 分子生物学的建立和发展 1938年，在美国洛氏基金会工作的数学家W.韦弗在一份支持生物学研究的文件中首次使用了“分子生物学”这一名词。英国生物大分子晶体分析学家W.T.阿斯特伯里于1950年，以“分子生物学”为题在美国作公开讲演。以后随着工作的开展，分子生物学得到普遍承认。分子生物学是生物化学和生物物理学研究发展的必然结果。生物大分子结构和功能的研究正是50年代以来生物化学和生物物理学面临的中心问题。但在研究功能时必然与遗传学、免疫学等学科相结合，从而发展为分子遗传学、分子免疫学等。在实验材料上选中了微生物，从而应用了微生物学的原理和方法。从1953年以后，分子生物学取得了一系列巨大的突破，开创了一个新的广阔的研究领域。 分子生物学的孕育时期 20世纪40年代被认为是分子生物学的孕育时期。1941年，曾在摩尔根实验室工作过的美国遗传学家G.W.比德尔同美国生物化学家E.L.塔特姆合作，把生物化学引进了遗传学。他们用粗糙脉孢菌(Neurospora)为材料，用X射线诱发多种营养缺陷型突变体，并进一步研究这些突变特性在遗传上的传递规律，从而推导出“一个基因一种酶”的新概念（后来有所修改），40年代中期被普遍承认，从而建立了生物化学遗传学。研究成果促进了分子生物学的发展。一项是，由德国移居美国的物理学家M.德尔布吕克和其同事们在1946年发现不同种的噬菌体在一定条件下能进行基因交换重组。M.德尔布吕克从研究基因的自我复制出发，选中了噬菌体这种极简单又具有自我复制能力的微生物作为研究对象。他是美国“噬菌体小组”的主将，在40年代后期举办了多次噬菌体暑期讲习班，宣传他的学术思想和普及噬菌体的实验技术。另一项是，1946～1947年，美国微生物学家J.莱德伯格同E.L.塔特姆合作，以大肠杆菌为材料，也发现了基因分离和重组现象。这两项突破以及他们对噬菌体和大肠杆菌的一些基本研究，对分子生物学的发展起了十分重要的作用。 1944年，美国细菌学家O.T.埃弗里发现DNA是不同种的肺炎双球菌之间的转化因子。第一次证明 DNA携带着遗传信息。这一十分重要的成果却引起很大争论，一方面受传统思想的影响，很多人怀疑他所分离出的DNA不纯，可能还是混杂的蛋白质在起作用；但是这一成就无疑地也刺激了人们对DNA化学组成和晶体结构的研究。 同年，奥地利物理学家、量子力学的奠基人之一E.薛定谔在英国出版了名为《生命是什么?》的小册子，其副标题是“活细胞的物理观”。该书用量子力学的观点论证基因的稳定性和突变发生的可能性。书中提出必定有一种由同分异构的连续体构成非周期性的晶体，其中含有巨大数量的排列组合，编排成遗传密码。该书还用统计物理学中的“有序”、“无序”和“熵”等概念来分析生命现象。E.薛定谔在这本书中还明确指出，生命物质的运动必然服从于已知的物理学定律。但他写这本书的唯一目的却是想从复杂的生命物质运动中发现未知的物理学定律。虽然他的物理学家的目的至今未能实现，但却启发了人们用物理学的思想和方法去探讨生命物质的运动。其中对生命问题提出的一些发人深思的见解，吸引了不少生物学家和对生物学感兴趣的物理学家。一些知名的分子生物学家都在自己的回忆中提到这本书对他们的影响，于是有人把这本书誉为“从思想上唤起生物学革命的小册子”。 分子生物学的诞生和发展 1953年4月25日在英国的《自然》杂志上刊登了美国的J.D.沃森和英国的F.H.C.克里克在英国剑桥大学合作的结果──DNA 双螺旋结构的分子模型。这一成就后来被誉为20世纪以来生物学方面最伟大的发现，也被认为是分子生物学诞生的标志。40年代后期，由于 DNA的遗传功能逐渐明确，关于核酸的化学结构和晶体结构的研究也随之取得进展，1948～1952年美国哥伦比亚大学的出生于奥地利的生物化学家E.查加夫对核酸的 4种碱基含量进行了重新测定。他利用精确的微量分析方法，取得了与P.A.T.列文不同的结果：在 DNA分子中嘌呤和嘧啶的总分子数量相等。这一重要发现为 DNA双螺旋结构的碱基配对原则奠定了基础。关于DNA的晶体结构分析的工作，一部分由英国伦敦国王学院的M.H.F.威尔金斯和R.E.富兰克林分别从1950年开始系统地进行；另一部分由美国加州理工学院的化学家L.C.波林从40年代末开始进行，并不断取得阶段性成果。毕业于芝加哥大学动物系的J.D.沃森，由于对遗传学发生兴趣，转入美国“噬菌体小组”主要成员S.卢里亚的实验室工作，并获得博士学位。1951年他经S.卢里亚的介绍到英国剑桥大学，在蛋白质晶体结构分析家J.C.肯德鲁领导下工作。英国的F.H.C.克里克原毕业于物理系，在第二次世界大战中，除参加有关使鱼雷克服德军舰艇的强磁力的研究外，也研究过如何用极小的微点传送大量情报信息的工作。战后他对生物学发生了兴趣而转到剑桥大学蛋白质晶体结构分析学家M.F.佩鲁兹门下从事研究工作。1951年秋，J.D.沃森和F.H.C.克里克在剑桥相遇，共同认识到探索DNA分子结构是认识遗传之谜的关键，并开始合作。他们前后用了18个月的时间（中间有间断），到1953年4月终于建立起DNA双螺旋结构的分子模型。这一伟大成果的取得，主要依据于以下几个重要的研究结果:M.H.F.威尔金斯和R.E.富兰克林关于DNA的X射线晶体衍射的结果；E.查加夫对DNA内碱基含量重新进行测定的结果；一位年轻数学家的计算结果──在由氢键相连的碱基中，嘌呤有吸引嘧啶的趋势；L.C.波林关于 DNA晶体结构分析的进展；以及美国噬菌体小组一位重要成员A.D.赫尔希及其合作者以噬菌体为材料，用同位素测定方法更肯定地证明 DNA是遗传信息的载体等。根据这些材料和信息，J.D.沃森与F.H.C.克里克进行了分析与综合，决定从建立分子模型着手。他们的创造性的思维加上日以继夜的紧张工作，终于获得了成功。这一成就被英美的一些科学家认为是英国的结构学派与美国的信息学派相结合的产物。 不久，J.D.沃森、F.H.C.克里克又提出了关于DNA双螺旋结构在遗传学上的含义。他们认为:DNA的两股链包含着遗传密码。在细胞分裂时两条 DNA链因氢键破裂而分离，各以自己为模板，按照碱基配对的原则，借助于氢键的产生，在活细胞中形成新的互补链。结果原来的DNA分子就变成两个完全相同的DNA分子，这就是基因的自我复制。这一设想在 1956年被同位素试验所证实。DNA双螺旋的建立立刻轰动了科学界，开拓了分子遗传学这一新的研究领域，并带来了一个接一个的重大成就。 50年代在蛋白质的结构分析方面也取得了重要成果。英国生物化学家F.桑格第一次分析出含有51个氨基酸的胰岛素的氨基酸顺序。这一成果对准确地研究蛋白质本身结构和功能之间的关系，以及蛋白质的人工合成和蛋白质的生物合成都是必要的基础。L.C.波林在1949年发现非洲人患的镰形红细胞贫血症是由于其血红蛋白异常的结果。从而推测这是由于氨基酸的组成异常而引起的。1957年V.M.英格拉姆用F.桑格方法分析两种血红蛋白的氨基酸顺序，发现在含有约 600个氨基酸的血红蛋白中，只是由β链末端第 6位上的谷氨酸被缬氨酸所取代（即由于一个遗传密码的错误）所产生的异常。到1973年已有 300多种蛋白质的氨基酸被分析清楚。1977年F.桑格又建立了DNA碱基顺序的分析方法并完成了分析Φχ174噬菌体DNA的全部约5400个碱基的顺序，促进了基因调节控制的研究。同时，美国分子生物学家W.吉尔伯特也独立地建立起大片段DNA快速序列的分析方法。 至于蛋白质晶体结构分析，则建立在英国的布喇格父子及他们的学生创立并发展的 X射线晶体衍射技术的基础上。该实验室的M.F.佩鲁茨自30年代末开始，就系统地研究了血红蛋白的结构。至40年代中期J.C.肯德鲁参加这个实验室，又系统地研究了肌红蛋白的结构（其分子结构相当于血红蛋白的 4个亚基的一个）。他们改进了分析技术，分别于1958年完成了肌红蛋白的结构分析，1960年完成了血红蛋白的结构分析。为此，他们与他们的学生J.D.沃森和F.H.C.克里克于1962年分别获得诺贝尔化学奖和生理学或医学奖。与他们在同一单位的F.桑格则于1958和1980年两次获得诺贝尔化学奖。这些基础研究，为进一步探索生物大分子结构与功能的关系打下了坚实的基础。此外，美国化学家L.鲍林于1950年提出的蛋白质分子构型的α螺旋，也有重要影响。 遗传密码的破译和基因调节控制 DNA双螺旋结构建立后，研究兴趣首先集中在遗传密码上。1953年夏，在美国冷泉港学术讨论会上围绕着DNA的4种碱基如何排列才能同组成蛋白质的20种氨基酸之间建立对应关系展开了热烈的讨论。美籍俄国血统的宇宙物理学家G.伽莫夫1955年通过排列组合计算，提出三联密码和共有64种不同密码的设想。1961年，F.H.C.克里克和英国分子生物学家S.布伦纳以噬菌体为材料研究密码的比例和翻译机制，表明密码以三联体核苷酸的形式表达着20种不同的氨基酸；而且由一个固定点开始，朝着一个方向“读”下去。实验证明了G.伽莫夫的大部分设想。第一个用实验给遗传密码以确切解答的是德国出生的美国生物化学家M.W.尼伦伯格和德国人H.马太，他们证明苯丙氨酸的密码是RNA上的UUU(尿嘧啶)。此后，经过美国西班牙血统的生物化学家S.奥乔亚和美籍印度血统生化学家H.G.科拉纳等从各方面通力合作，测定出20种氨基酸的密码，1969年完成了全部64种密码的破译。至此，基因控制蛋白质合成之谜得到了初步解答。遗传密码的破译，被认为是分子遗传学发展史上最辉煌的成果之一。 如何调节控制基因的表达，是另一个需要探索的重大问题。1958年，F.H.C.克里克提出假说，认为DNA把密码转录给RNA，RNA通过中间的“应接器”，使氨基酸合成为蛋白质，整个过程是不可逆的。这就是著名的中心法则。不久，F.H.C.克里克所提出的“应接器”被发现，它是一种较小的易溶解的转移核糖核酸(tRNA)。每一个氨基酸都由一个专一的tRNA所携带，肽链上连接。这个tRNA含有同该氨基酸密码互补的反密码子。1961年法国生物学家J.莫诺(1910～1976)提出转录 DNA上密码的是信使核糖核酸(mRNA)。60年代中期科学家还发现细胞内大量存在的核糖体是蛋白质生物合成的场所。1961年法国细胞遗传学家F.雅各布和J.莫诺共同合作，提出了乳糖操纵子理论，以后被证实为在原核细胞中基因控制的普遍方式。 美国分子生物学家H.M.特明和D.巴尔的摩长期从事肿瘤病毒研究的基础上，于1970年分别独立地发现鸡肉瘤病毒（Rousfowl sarcoma）和白血病病毒（Rauschernouse leukemia）都是 RNA病毒。在此基础上他们发现了依赖于RNA的DNA聚合酶(RNA-dependent DNA pulyme-rose)，即反转录酶。反转录酶能使RNA链上的遗传密码反转录给DNA。这样，肿瘤病毒就喧宾夺主，改变了宿主细胞DNA的密码，使肿瘤细胞得以增殖。这一发现不仅对某些肿瘤的病因作了分子生物学的阐明，而且动摇了中心法则的不可逆性，成为中心法则的重要补充。 真核细胞内的调控机制要复杂得多，也是当前生物学家重点探索的问题之一。 重组DNA技术的出现 为了研究真核细胞中基因的调控，首先必须获得足够量的特定DNA片段。如果能把需要的 DNA片段导入细菌，则可以达到大量增殖的目的。但是，这并非是简单的技术。60年代末，限制性核酸内切酶的发现，简化了过去许多复杂的步骤。1972年美国斯坦福大学的生物化学家 P.伯格取得了第一批重组DNA。1973年美国斯坦福大学S.N.科恩和H.W.博耶等用大肠杆菌的质粒（能进行自我复制的重组质粒环状 DNA）作为运载体。用一种专一性的内切酶取得所需要的外源 DNA片段，把它插入同样被切开的质粒中，再移回大肠杆菌中。当大肠杆菌大量繁殖时，这种外源DNA也随之大量扩增。这种技术的建立既促进了真核细胞基因调控的研究；也为实际生产开辟了广阔前景。1977年在博耶实验室里完成了利用重组DNA技术生产出人丘脑分泌的生长激素释放抑制因子(somatostatin)。1978年在美国哈佛大学又成功地用此法生产了胰岛素，不久就在旧金山附近一个工厂投产。P.伯格也在这一年成功地把兔子的血红蛋白基因移植到猴体内。1980年初，在瑞士和美国都报道了利用重组体 DNA技术使细菌生产干扰素。有些科学家认为，重组DNA技术的建立使分子生物学开始了一个新时代。重组DNA技术或称“基因工程”成为当代新产业革命的一个重要组成部分。 在重组DNA技术建立之初，从1973年开始美国一些分子生物学家如P.伯格、D.巴尔的摩等。出于科学家的社会责任感，曾开展过一场关于这一技术的实验室安全性和潜在危害的讨论。1975年在美国国家卫生院的支持下，在加州阿西洛马召开了国际学术会议，研讨这一问题。当时，科学家的主导意见是：最好研究制定出一套办法，既不阻碍科学本身的发展，又能限制它对人类的危害。会后，美国国家卫生院起草了有关实验室的防护准则。1976年，准则公布。此后，这场争论扩大到社会上，引起公众的注意。但由于与这一问题有关的科学研究进展迅速，研究结果表明，实验室内的危害并非如原来估计的那么严重，准则规定逐渐放宽。但对重组DNA技术可能危害人类社会的问题，很多科学家认为并未解决。 与此同时，利用细胞融合技术开创应用单克隆抗体的免疫学方法也蓬勃发展。1975年长期在英国工作的阿根廷免疫学家C.米尔斯坦同联邦德国免疫学家G.克勒在英国用小鼠髓瘤与小鼠淋巴细胞融合的技术，成功地获得了世界上第一株能稳定分泌抗绵羊红细胞的单一抗体的杂交瘤细胞株。这一开创性的应用单克隆抗体，被誉为免疫学上的一次技术革命。单克隆抗体技术对肿瘤治疗、自动免疫系统病、器官移植以及其他疾病的诊断、治疗方面开辟了新的前景。 细胞生物学的兴起 从1893年O.赫特维希出版专著《细胞与组织》起到20世纪50年代，细胞学逐步从形态的描述和实验转向结构和功能的探讨。1931年E.鲁斯卡和M.克诺尔创建了第一台透射式电子显微镜，到1945年分辨率已达到 20Å。50、60年代随着电子显微镜的改进与相应技术的建立，以及受分子生物学的影响，对细胞的观察研究进入了新的层次，人们力求从亚细胞结构水平甚至分子水平结构上阐明细胞的整体功能。这就使细胞学发展到一个新的阶段，成为一门新兴的独立分支学科──细胞生物学。 细胞概念的发展 1925年美国细胞学家E.B.威尔逊出版的《发育和遗传中的细胞》(第 3版)是19世纪中后期以来，有关细胞学研究的总结。他所提出的光学显微镜下的细胞模式图，包括细胞膜、细胞核、细胞质以及主要的细胞器和内含物等，一直沿用到1950年。50年代起，随着电镜的广泛应用，发现膜是细胞的基本结构。60年代还发现细胞质内的微管和微丝，以及由微管按一定规律集聚成的鞭毛、纤毛、基体和中心体等。因此，到70年代开始提出细胞主要是由膜系统结构组成的复杂的动态体系，它既有膜相结构（如细胞膜、内质网、高尔基器、核膜、线粒体、溶酶体、过氧化酶体等），又有非膜相结构（如核糖体、中心体、微管、微丝、细胞质基质、核仁、染色质、核基质等）。对于细胞的生物学特性则概括为：细胞是遗传信息和代谢信息的储存和传递的系统；细胞是从小分子合成复杂大分子，特别是核酸和蛋白质的系统；细胞又是一个内部有能量流动，并保持整体动态平衡的开放系统。 细胞膜的结构和功能 1917年美国化学家、物理学家I.朗缪尔发表单分子薄膜的开创性实验结果，为现代的细胞膜结构概念奠定了基础。1935年英国生物学家J.F.丹尼利和 H.戴维森提出“丹尼利-戴维森模型”。他们认为细胞表面膜有一个类脂构成的核心，脂分子的极性端朝外，每边覆盖一层单分子的蛋白。50年代以来通过瑞典生物学家F.S.舍斯特兰德、美国物理学家J.D.罗伯逊等各自用电子显微镜所作的研究，于1959年指出多数膜是由暗-明-暗，即蛋白-磷脂-蛋白三层组成的“三合板”式结构。这种膜的模型有相当普遍性，故称单位膜。单位膜膜型未能反映膜的动态结构和膜功能的多样性与专一性。到70年代，又有人先后提出“流体镶嵌膜”模型，“晶格镶嵌膜”模型，反映了膜的流动性，但仍无定论。后来知道，把细胞与外界环境分隔开来的细胞外周膜的功能十分复杂。60年代以来的大量研究工作表明外周膜具有物质转运、能量转换、信息传递、细胞和分子识别等重要功能。 染色体的结构 1924年确认植物细胞核同动物细胞核相同，也含有DNA。到30～40年代已分析出染色质内含有DNA、RNA，酸性蛋白和碱性组蛋白。50年代对各主要成分进行了定量测定，并明确了DNA和组蛋白结合成的核蛋白是染色体的主要成分。60年代又根据所含赖氨酸、精氨酸的多少，将组蛋白划分为H1、H2a、H2b、H3、H4五种。1953年DNA双螺旋结构的阐明，推动了染色体结构的研究。1957年美国的泰勒提出的边链模型，属于“蛋白质骨架”模型。同年英国的威尔金斯则提出以DNA为核心的模型。这两类模型在60～70年代均各有发展。1974年由A.L.奥林斯、D.E.奥林斯、科恩伯格和奥特脱等提出并经过多方证明的核小体模型，又完全替代了以DNA为核心的超盘绕模型。反映了对染色体结构的新认识。 线粒体的结构和功能 1934年美国解剖学家R.R.本斯利和 N.L.霍尔成功地分离了豚鼠肝脏的线粒体， 开创了用生化方法直接研究细胞器的广阔前景。1948年已确定线粒体是细胞呼吸的场所，又是细胞能量转换的中心。50年代，罗马尼亚裔的美国细胞生物学家G.E.帕拉德(1952)和F.S.舍斯特兰德(1954)分别发表线粒体结构的报告，虽略有差异，但主要方面比较一致。1956年G.E.帕拉德提出线粒体由外膜、内膜、脊、外室、内室和基质等组成，不久就得到了普遍的承认。1962年用负染色法发现线粒体的内膜粒子。以后通过拆离重组实验，证明内膜粒子即ATP酶复合体。1973年查明ATP酶复合体头部、柄部和基部的各亚单位和分子量，其分子量总和与整体测定的分子量接近。 线粒体最重要的功能是进行与 ATP合成有关的氧化磷酸化作用。关于氧化磷酸化的机理研究，1953年德国生化学家E.C.斯莱特提出化学偶联假说；1961年英国生化学家P.米切尔提出化学渗透偶联假说；1964年先由P.D.博耶后又由 D.E.格林提出构型偶联假说。3种假说都认为偶联涉及一种最初的受能状态，如高能的中间产物，H+离子梯度及构型的变化等，并由它们推动 ATP的合成。三者都各有依据，但也有未能证实的方面。 神经生物学的新进展 神经解剖的研究早在16世纪就开始了，但是真正用科学方法来研究神经生理学则始于18世纪末。19世纪中后叶，关于神经的基本组织单位、先天的反射活动和后天建立起来的反射行为等已经成为生理学家感兴趣的问题。到20世纪，神经生理学发展很快，从结构、组织、生理、生化、胚胎、药理、病理等行为许多方面开展了大量研究。神经生理学这一名称遂扩大而被称为神经生物学。有时也称为神经科学。 神经系统结构的研究 西班牙的神经组织学家S.拉蒙·伊·卡哈尔在19世纪80年代建立起神经元理论，指出神经系统，包括中枢和外周神经均由具有特殊结构的神经细胞、通称神经元组成，各个神经元之间有连接点。神经元理论的建立取代了过去不是建立在细胞基础上的网络理论，为研究神经传导奠定了科学基础。19、20世纪交替之际英国生理学家C.S.谢灵顿在S.拉蒙·伊·卡哈尔的基础上继续进行这方面的研究。1897年，C.S.谢灵顿把神经细胞之间的连接点定名为“突触”，它成为以后研究神经传递的一个重要概念。1910年C.S.谢灵顿进一步提出由于有突触存在，神经脉冲不是随机地在神经细胞间传入传出，而是通过突触的单向传导。经过许多人的工作，到20世纪初已经明确突触是有结构的。从20年代直到20世纪50年代通过高倍电子显微镜的观察表明，突触前和后有两个分开的膜，分属突触前后两个神经元，中间的200埃间隙，称为突触间隙。这样的结构普遍存在于神经系统中。电镜的观察还表明，突触前靠近膜处有突触小泡等其他结构。突触小泡后来证明是神经递质贮存的场所。 神经兴奋的电传导 早在1791年，意大利解剖学家L.伽伐尼就发现了生物电现象。19世纪有更多的生理学家从事电生理的研究。取得了测定神经电传导的速度、发现“全或无”定律等许多成果。20世纪有了示波器和电子放大器，特别是30年代英国生理学家J.扬于1933年以乌贼大神经纤维作为研究材料后，对神经电传导的电阻、电位及其在刺激前后的变化等都进行了定量的测量。40年代，英国生理学家A.L.霍奇金、A.F.赫胥黎和B.卡茨进而研究钠，钾离子同神经传导的关系。他们发现:在静止状态时神经纤维膜为“钾膜”，钾离子可以通透，趋向于钾的平衡电位；在活动时则为“钠膜”，对钠离子有极大的通透性，趋向于钠的平衡。因此动作电位的产生，本质上是“钾膜”转变为“钠膜”，而且这种转变是可逆的（见生物膜离子通道）。 神经化学递质的研究 1905年英国生理学家T.埃利奥特发现用电刺激交感神经的结果同肾上腺素引起的反应类似，并认为这很可能是当电脉冲到达肌肉连结点时释放了肾上腺素。这项工作当时并末引起重视。1921年奥地利的O.勒维用蛙心作实验，直接证明在心肌上的交感神经末梢和副交感神经末梢释放出两种不同的化学物质，一种使心跳减速，另一种使心跳加速。英国生理学家H.H.戴尔早在1914年就从麦角中分离出乙酰胆碱。后来O.勒维认为副交感神经对心肌的作用同乙酰胆碱类似。1926年，在H.H.戴尔建议下，O.勒维用毒扁豆碱抑制乙酰胆碱酶的活性，使乙酰胆碱能保持一定量。同时也观察到副交感神经作用加强和延长的效果。1932年前后，H.H.戴尔又作了一系列的实验，取得了乙酰胆碱存在于内脏器官神经末梢的直接证据。此后，乙酰胆碱作为神经递质则扩大到横纹肌神经末梢、交感副交感神经节和中枢神经系统中的某些神经细胞的末梢等方面。这项开创性的研究为此后神经递质的研究打下了良好的基础。至于交感神经末梢递质是去甲肾上腺素首先是美国生理学家W.B.坎农和其合作者在1934～1935年提取出“交感素”（sympathin），1946年瑞典生理学家U.S.von奥伊勒才阐明其为去甲肾上腺素。第二次世界大战后，特别是自1960年以来，对脑内递质开展了不少研究。除了上述已知的两种递质外，还发现了约30种不同的递质，各在一定的部位，各有不同的作用。它们有些是氨基酸，如甘氨酸、丙氨基丁酸等;有些是胺类，如儿茶酚胺类的多巴胺，去甲肾上腺素和肾上腺素等；还有些是多肽类。70年代脑啡肽的发现为神经系统内抗痛机理的研究开辟了新的前景。 脑功能的研究 英国生理学家C.S.谢灵顿的工作是同“反射”活动联系在一起的。他本来想研究大脑的反射活动。由于太复杂难以着手，才于1893年从研究膝跳开始，研究感觉神经元、运动神经元以及由一个或多个中间神经元连接起来共同协作所形成的反射弧。为阐明这一神经系统的整个过程，他花了约10年的时间。第一次世界大战之后，他提出抑制的概念，并认为抑制过程同兴奋过程同等重要。他还研究了不同类型的协调反射，以及大脑或小脑对脊髓反射中枢的影响。俄国生理学家И.П.巴甫洛夫在20世纪初建立起“条件反射”的概念。这是他长期以精巧瘘管技术对消化生理进行研究的结果。他证明条件反射是大脑活动的结果，可以由后天训练得来。他利用条件反射对大脑的兴奋与抑制过程作了大量研究，不仅对生理而且对心理、精神病以及教育等都有一定影响。 关于脑功能区的定位问题，到19世纪才有人提出:大脑主司感觉与思考，延髓为活命中枢，小脑主协调躯体运动。19世纪80年代，部分切除狗脑皮层手术成功；同时也通过用电刺激脑的不同部分引起不同反应来研究大脑皮层的功能定位问题。对人的大脑皮层功能区的研究，开始于19世纪对尸体解剖的观察，如失语症同额叶中央前回底部之前的损伤有关等。在人脑上用电刺激研究功能定位，开始于20世纪30年代。德国神经外科医生O.弗尔斯特和加拿大神经生理学家W.G.彭菲尔德在外科手术时，在清醒的病人身上，用电刺激大脑的不同部位引起不同反应。根据这种结果绘制出人的大脑皮层功能区域图表明，感觉区集中在中央后回，运动区集中在中央前回，这些区域的每一处都同身体的一定部位相联系，但皮层部分的大小与实际体表部分不成比例，而同控制的精确度成比例。例如大拇指和食指的代表区的面积比胸部12根脊神经传入代表区的总面积大好几倍。美国脑生理学家R.W.斯佩里从40年代就开始用猫和猴子做实验，切断大脑两半球间的连接，进行观察。60年代，他同医生合作，对癫痫病人作两半球割裂治疗时观察到：两半球分工不同，各自具有相当的独立性。两个半球分别具有高级智慧机能，但语言主要在左侧；当外界视像进入左半球时，可以用语言表达出来；当外界视像进入右半球时，则不能用语言而只能以手势来表达。这一工作改变了原来对大脑功能区看法，引起了人们的重视。 19世纪70年代英国生理学家R.卡顿用兔、猫、猴等40头动物作测量，发现它们的大脑普遍存在着电的变化。由于功能不同，不同区域脑电的强弱也不同，脑电随着动物的死亡而消失。即使在颅骨上面也可测出向各方传播的电波。15年后，这一现象又由波兰生理学家A.贝克独立发现。此后，脑电才引起科学界的注意；进入20世纪后开始作脑电记录。1925年德国精神病学家H.伯杰用灵敏度高的电极插在他儿子的头上作脑电测定，发现有心理活动时(如注意等)脑电波发生变化。他还记录了脑损伤时的脑电图，为后者用于临床诊断奠定了基础。从1929年到1938年，他每年出一本《关于人的脑电图》，为从事这方面的工作的人们提供了丰富的资料。但是脑电图是脑内数以百亿计的神经元的综合电活动，可以对癫痫或脑内重大病变提供信息，却不能揭示感知的过程。从50年代开始，脑电的研究向着探索与特定知觉有关的信号方向发展，开展了诱发电位的研究工作。英国由G.道森于50年代初建立起世界上第一个记录瞬态诱发电位的装置。随后，由美国M.克莱因斯和M.科恩将该机械装置全部加以电子化并同专用计算机相连。60年代，又引入傅立叶分析仪，使研究工作取得新进展。到70年代对人的视觉、听觉、甚至婴儿的感觉，都有了灵敏的检查指标，不仅在临床上得到广泛应用，也为进一步探索脑功能提供了条件。 20世纪在感觉生理学上最受重视和发展最快的是中枢神经系统对外界感觉的加工，在如何识别信号、如何形成感知方面已取得了一些阶段性成果：①神经网络上侧抑制的发现。出生在匈牙利的美国生理学家 (原来是物理学博士)G.von贝凯西发现在视觉系统中有互相抑制的作用，有助于加强视觉中的反差效应。他还发现，在听觉系统中也存在侧抑制。这一作用原理已被应用于通信系统和工程技术系统的信号检测。②神经纤维的感受域。这是英国生理学家E.D.阿德里安在1930年前后提出的概念。他的实验发现许多感受器都会引起同一根神经纤维的反应，因此他把这一纤维所联系的许多感受器的区域称为感受域。此后，不少英国和美国的生理学家发现在整个视觉系统的各级水平上的神经元都存在感受域，每一级都有不同程度的信息加工功能。在听觉系统中也有同样情况。因此，感受域的概念具有普遍意义。③大脑皮层存在着“粒”状细胞群的“功能结构”。60～70年代的研究初步表明，大脑有109～1011细胞，它们是有序的，在感知外界事物的信息加工过程中是遵循一定的法则的，而且各种感觉都有共同规律。 从历史的发展看，神经生理学、特别是大脑功能的研究，已成为继分子遗传学以后吸引科学家进行探索的一个重要领域。 进化论在20世纪的发展 1859年C.R.达尔文的《物种起源》出版后，他所建立的以自然选择为核心的进化论经过一段争论之后较快地被同时代的许多生物学家所接受，并在科学上不断得到补充。但是，由于遗传学在1900年以前尚未建立，自然选择的机制尚缺乏实验基础，人们在承认生物进化事实的同时，对进化的机制却产生了种种看法。进入20世纪后，遗传学进展十分迅速，在不同的发展阶段都对达尔文的进化学说产生了影响。 在孟德尔定律重新发现后的一段时间内，达尔文的进化论曾处于不利的地位。首先是对达尔文提出的作为自然选择基础的连续变异发生了尖锐的争论。英国生物统计学派的代表人物 F.戈尔顿和 W.F.R.韦尔登等坚持达尔文的连续变异和渐进进化的观点，断言孟德尔定律在进化过程中不起作用；而以W.贝特森为代表的遗传学家则坚持不连续变异即突变在进化过程中有重要作用。1904年在英国科学促进会组织的一次会上，这场争论以W.贝特森的胜利而告终。此后，许多学者对达尔文关于自然选择作用于连续变异能产生进化性变化的学说表示怀疑，反而接受了H.德·弗里斯于20世纪初提出的通过“突变”而产生新种的骤变论观点。遗传学家同生物统计学家之间对进化主导因素的不同认识，主要是由于当时的遗传学家大都在实验室或试验园地中工作，较多地注意个体遗传过程的研究，而忽视了对群体遗传变异规律的探讨所致。达尔文的自然选择学说在进化论中恢复了它的主导地位，主要是从20～30年代群体遗传学建立后开始的。早在1908年英国数学家G.H.哈迪和德国医学家W.魏因伯格就分别提出平衡定律指出，在一随机交配的大群体中，若无突变、迁移和选择等因素的影响，则显性基因与隐性基因的比例可以代代保持恒定。但这一工作当时没有引起注意。到20年代由于C.C.切特韦里科夫、R.A.费希尔、J.B.S.霍尔丹和S.赖特等人作了大量的研究工作，群体遗传学才完全建立起来。 苏联进化论者C.C.切特韦里科夫于1926年发表了一篇题为《从现代遗传学观点看进化过程的某些特征》的论文，总结了他对果蝇自然群体的研究。认为群体内含有大量“隐藏着的”遗传变异，这些变异大多数是隐性的，在纯合情况下会致死，但若以杂合的形式存在，则其基因频率就可代代相传，符合于哈迪－魏因伯格定律；自然选择对它们发生作用，便会导致生物的进化。他还推断，群体越大显出“隐藏”变异的可能较小；群体越小，显出“隐藏”变异的可能较大，由此可以预料小群体比大群体进化更快。C.C.切特韦里科夫的工作促进了遗传学与自然选择的结合，可惜俄文的著作不能立即为世界遗传学界和进化论界所了解。英国生物统计学家R.A.费希尔于1930年出版了《自然选择的遗传学理论》一书，概括了他从1918年开始的工作。他用数学模型研究了适应同群体增长速度和群体基因频率变化之间的关系。他表达了以下概念，即突变大都是不正常的，迟早要在进化过程中被淘汰，只有自然选择作用于连续变异才能实现生物的适应和进化。这是在英语国家中首次试图把达尔文的自然选择学说同孟德尔遗传定律协调起来的工作。他的工作很快就被学者们接受。W.贝特森的学生R.C.庞尼特在评论该书时说：“全书给人一个印象，即费希尔把进化过程看作是一个渐进的、几乎是感觉不到的过程，而这些又是在不连续的基础上进行的。这是因为他把一个已知的群体看成是一个有自己特性的整体，而在遗传学家看来，群体不过是个体的集合而已。”英国生物学家J.B.S.霍尔丹在他1932年出版的《进化的原因》一书中总结了他自1924年以来的研究，进一步把群体遗传同进化机理结合起来，他用数学方法定量地研究了由于自然选择而发生的群体中基因频率改变的过程，在许多方面都作出了重要贡献。美国遗传学家S.赖特1931年发表了题为《孟德尔群体的进化》的论文，强调了随机漂变在小群体中的重要性及非加性基因相互作用系统的普遍性，也为群体遗传学的建立打下了基础。可是，上述三位学者的著作都是用艰深的数学语言写成的，这就限制了它们在生物学界的影响。 现代综合进化论的诞生一般以T.多布然斯基1937年出版的《遗传学与物种起源》一书为标志。他在书中把群体遗传学的成就同摩尔根等建立起来的果蝇染色体理论以及自然群体变异的观察结果进行了综合，发展了达尔文的进化学说，因此又称为“现代达尔文主义”。多布然斯基原本是苏联人，比较了解以C.C.切特韦里科夫为首的苏联学派的工作，该书又以通俗的英语写成，故很快就得到广泛的传播。以后，英国进化论家J.赫胥黎主编的《新系统学》(1940)及他的著作《进化论的现代综合》(1942)、美国进化论家E.迈尔的《分类学与物种起源》(1942)、美国古生物学家G.G.辛普森的《进化的节律和方式》（1944）以及美国遗传学家G.L.斯特宾斯的《植物的变异和进化》等著作相继出版，表示了综合进化论的日趋成熟。他们把进化看作是突变、基因重组、选择与隔离等因素相互作用的结果，认为突变本身不能导致进化，只是为进化提供了选择的新材料。 50年代分子遗传学的兴起又相当大地影响了进化论的发展，主要是使进化论摆脱了任何获得性遗传的影响，也排除了任何性状朝着一个方向连续突变的可能性，同时提供了有价值的同功酶凝胶电泳的研究工具，使学者们通过比较氨基酸和核苷酸的种类和顺序就能在分子水平上研究各类生物的亲缘关系等。1978年E.迈尔明确指出了现代综合进化论的特点：彻底否定获得性遗传，强调进化的渐进性，认为进化是群体现象，并重新肯定了自然选择的压倒一切的重要性。 在综合进化论盛行了30～40年之后，又遇到了两个严峻的挑战。一个是1968年由日本遗传学家木村资生提出、并于1969年得到美国生物学家J.L.金和T.H.朱克斯积极支持的“分子进化的中性学说”。他们根据分子生物学所发现的新事实，指出在分子水平上引起进化性变化的主要因素不是C.R.达尔文的正选择，而是选择中性的或近乎中性的突变随机漂变的结果。木村认为在表型水平上达尔文的自然选择起主导作用，而在分子水平上起主导作用的则是随机的遗传漂变。中性学说提出后曾引起过不少的争论，但确实打开了一个尚需探索的新领域。 对综合进化论的另一个挑战是美国古生物学家 N.埃尔德雷奇和S.J.古尔德于1972年提出的间断平衡论。他们认为，生物进化是渐变和骤变交替出现的过程。达尔文进化论和综合进化论都强调演化是一个渐变过程。间断平衡论则认为大多数的新种是在地质上可以忽略不计的短时间内出现的，这种迅变过程叫做成种作用；物种形成后在选择作用下发生十分缓慢的变异，这个缓慢变异的过程叫做种系渐变。他们认为整个演化过程是渐变与骤变的交替即新种在短期内迅速形成，又在长时期内保持相对稳定。间断平衡论的主要依据是某些被认为是由于基因突变和环境激变而导致迅速成种的古生物学事实。因为在许多情况下并不存在中间类型的事实，该理论可以解释化石中缺少中间环节的现象。间断平衡论在1980年于芝加哥召开的国际进化生物学专题讨论会上得到不少人的支持，所以也引起了科学界的重视和研究。 生态学和生态系统 生物学向宏观方向发展的结果是生态学的成长和发展。“生态学”一词是E.海克尔于1866年最先引入科学之中的。他于1869年给生态学所下的定义是：“研究动物对有机和无机环境的全部关系的科学。”所以，生态学作为一门学科只有100多年。在19世纪以前一些科学家虽已间或从生态学的角度思考问题。但只是到了19世纪初生物地理学出现后才促进了生态学思想的发展。德国自然科学家 A.von洪堡是研究动植物群落与地理环境关系的先驱。他特别注意植物与生长地条件的关系，认为在相似的地带和垂直带地理条件中，不同类型植物表现出相似的“外貌”。A.von洪堡在 1807年出版的《植物地理论文集》一书中结合气候与地理因子描述了物种的分布规律。在 A.von洪堡思想的影响下，德国生物学家K.贝格曼于1847年指出，寒冷地区的鸟类及哺乳类与温暖地区的同种个体相比，体型往往较大，被称为贝格曼氏规律。瑞士植物学家A.德康多在他的《植物地理学》(1855)一书中详细描述了各种环境因素（温度、湿度、光、土壤类型的朝向）对植物的影响，并注意到，植物的生态可塑性比动物的高。 19世纪后期生态学的研究内容基本上是动植物的生活方式以及它们对温度、光、水分等气候条件的适应。丹麦植物学家J.E.B.瓦尔明发扬了洪堡的生态学思想，他所著的《生态植物地理学》(1895)一书奠定了生态植物地理学的基础。法国植物学家A.F.W.席姆佩尔则通过他的《生理学基础上的植物地理学》(1898)，论述了植物分布与环境因素的关系。这两本书都对生态学的发展产生了很大影响。1877年，D.L.艾伦发现随着气候的地理改变，北美哺乳动物和鸟类的身体及其突出部分的比例，以及颜色的变化等都遵循一定的规律。 19世纪70年代末，生态学中产生了群落研究的新方向。它源于德国水生生物学家K.A.默比乌斯。1877年他基于对北海牡蛎浅滩的研究，总结出生物群落的概念。他认为生物群落或自然群落是物种相互之间的关系以及它们对相似生态环境的长期适应的结果。稍后，俄国Ю.К.帕却斯基建议把植物群落的研究作为一门特殊的学科划分出来，并于1896年称这门学科为“植物社会学”。十月革命以后，苏联的植物群落研究在“地植物学”或“植物群落学”的名称下发展。在群落研究上，北美植物生态学家把注意力放在植物群落的发展和动态方面。生态学家J.M.库尔特的学生H.C.考尔斯，于1897年完成的博士论文“印第安纳州北部沙丘植物区系的生态学关系”标志着植物演替问题研究的开始。演替是现代生态学的中心概念之一。美国生态学家中，对演替的研究贡献最多、影响最大的是F.E.克莱门茨。他的《植物演替：植被发展的分析》(1916)是植物生态学的里程碑性的著作，一直到今天仍然是植物生态学的重要参考文献。与此同时，欧洲植物生态学家却关心植物群落的组成与结构的分析和以区系为基础的植被分类。法国的 J.布朗-布朗凯就是这一方向的代表。早期的植物生态学家主要关心陆地植物群落，至于水生群落的研究则是在两个欧洲水生生态学家A.蒂内曼和F.福雷尔的推动下发展起来的。A.蒂内曼将“生产者”和消费者的概念引入到营养级位或采食级位之中。F.福雷尔则在他的关于里曼湖的专著中提出了“湖沼学”这一名词，专指对淡水生物的研究。 欧洲早期的动物生态学研究以英国的C.S.埃尔顿的工作最著名，他是30年代出现的种群生态学的奠基人。他在《动物生态学》(1927)一书中把自己的注意力从单个生物转向整个种群，并认为对种群应独立地进行研究。种群生态学的中心问题是种群结构和数量动态。种群研究不仅有助于对生物进化问题的了解，它也是解决许多实践问题（如病虫害防治、野生动物保护等）的理论基础。 美国 A.J.洛特卡（1925）和意大利的 V.沃尔泰拉(1926)的工作促进了种群研究向实验方面发展。1935年，G.F.高斯研究了捕食者和被食者的相互联系种间的竞争关系。种群研究还导致了H.A.格利森于1917年提出生态位的概念。1920年，H.E.霍华德发现鸟类生活的领域作用，导致M.M.奈斯在30和40年代的进一步研究，从而产生了行为生态学。此外，种群生态学由于定量研究的需要而导致理论数学生态学的产生。 从40年代开始，在生态学中产生了崭新的研究观点和方法。1935年，英国生态学者A.G.坦斯利提出了生态系统的概念。5年之后，苏联的В.Н.苏卡乔夫又独立地提出了“生地群落”的概念；在这两个概念中都包含着生物与非生物环境的整体统一性，以及作为生物群落与周围非生物环境联系的基础的物质循环和能量转化的思想。生态系统概念和生物地理群落概念非常相近，现在大多数生态学家同意把二者作为同义语使用。 特别应该提到的是对系统生态理论的建立起了重大作用的R.L.林德曼。他和他的妻子于30年代末期在明尼苏达对一个衰老湖泊开展了详细的生物学研究。他们阐明了养分从一个营养级位到另一个营养级位的移动规律，因而创造了营养动态观点。1942年，他发表了题为“生态学中的营养动态方面”一文。这是一篇关于生态系统中能量流的经典著作，具有划时代的意义，成为后来关于动、植物群落中能量流动的许多研究的理论基础。R.L.林德曼以数学方式定量地表达了群落中营养级的相互作用，建立了养分循环的理论模型，标志着生态学开始从定性走向定量。 近30年来，美国生态学家E.P.奥德姆、H.T.奥德姆、G.E.哈钦森的著作都对系统生态学的发展起了推动作用。E.P.奥德姆的《生态学基础》（第三版，1971）一书对生态学知识的传播和青年生态学家的培养均起了很大作用；H.T.奥德姆的《系统生态学》(1983)，则是系统生态学的权威性著作。苏联学者В.И.韦尔纳茨基在建立生物圈学说上做出重大贡献。生物圈实际是全球生态系统。它的稳定性和平衡，是以保证物质和能量平衡的生态学规律为基础的。自20世纪50年代以来，对生态学发展产生深远影响的是一项国际性的研究计划──国际生物学计划 (International Biological Program)，简称IBP。该计划的研究重点是全球不同生物群系(biomes)的生产力，以及为满足地球上不断增长的人口的需要，研究可能提取的产量的最大定额。换言之，IBP计划的最终目的是为了最合理地利用生物有机物质而查明它们的质和量的分布，以及再生产的基本规律。计划于1964年开始(少数国家开始稍晚)，70年代初期结束，由于IBP计划的执行，使人们对不同生态系统的功能所涉及的过程，特别是光合作用的生产力，水和矿物质的循环，以及碎屑物的作用等，均有了较深入的了解。 IBP计划结束后，由联合国教科文组织的另一项国际性研究计划即《人与生物圈》计划 (Man and Biosphere)（简称MAB计划）作为接替。MAB计划的目的是更深入地研究自然界和社会相互作用的基本规律。 动物行为的研究 早在19世纪上半叶，G.居维叶和E.G.圣提莱尔便就动物学研究方法发生过争论：前者强调实验室研究，后者主张在自然条件下进行观察。在他们的影响下，有关动物行为的研究，形成了两个传统。代表前一传统的多是生理学家和生理心理学家。如 И.П.巴甫洛夫、美国E.L.桑代克和B.F.斯金纳等。他们在实验室里对狗、猫、大鼠等的学习行为进行了大量研究。经典条件反射和操作式条件反射便是他们的著名贡献。另一个传统的代表主要是具有博物学倾向的动物学家，如奥籍德国人 K.von弗里施、奥地利人K.Z.洛伦茨和荷籍英国人N.廷伯根等。他们在自然环境中通过观察和实验，分析行为的动因，探讨行为的适应功能，并力求推导行为的进化途径。 行为研究中的一个最古老的课题是：动物行为中有多少是先天本能又有多少是后天习得的。哺乳动物比较善于学习，而昆虫和鸟类则有着丰富的本能行为，因而有关本能行为的研究常常是以虫、鸟为研究对象。美国学者W.克雷格曾对鸽类进行长期研究，他于1918年指出：本能行为并非仅仅是一连串定型的反射动作；在开始时动物在欲望驱动下表现出烦躁不安、四向搜索，这时的动作很多是习得的，只有当找到适宜刺激(例如食物)时本能行为才进入完成阶段而出现定型的反射动作；之后可能有一段时期动物厌恶原刺激，最后进入安适无欲状态。与此同时，德国学者O.海因罗特借在动物园工作之便，对鸭和鹅进行了系统研究。他强调寻找同源行为，就象在比较解剖学中研究同源结构一样，这样可以阐明行为的进化途径。另一位德国学者 J.von于克斯屈尔则指出：在动物所感受的周围环境中，只有一部分关键刺激是真正起作用的。正是这些刺激触发了动物的体内机制使本能反应“释放”出来。这些见解给早期行为研究工作者以很大影响。 奥地利学者K.Z.洛伦茨是早期行为生物学的集大成者。他在大学时攻读比较解剖学。深受进化学说的影响。他多年与O.海因罗特交往，他的研究对象也以鸟类为主。1935年，他发现鹅、鸭的幼雏孵化后不久便会跟随它们可看到的第一个移动着的物体，并对它产生强烈而固执的依附，假如这个物体能发出声音，这种依附更强烈。他认为这是天赋和学习相互作用的有趣例子。K.Z.洛伦茨吸收了W.克雷格和J.von于克斯屈尔的解释，总结了自己对本能行为的研究而提出一种被称为“能量积蓄”的理论模型；他将体内控制行为的机制比作一种可以注入气体（以后在1950年的论文中又改用液体来比拟）的容器。随着气体的注入，压力不断升高，动物逐渐出现焦躁、搜索等行为。及至遇到关键刺激，引起气体的迅速释放，出现定型的本能反应。最后，压力降低使机体进入安适状态。 荷兰学者N.廷伯根与K.Z.洛伦茨同被视为现代行为生物学的奠基人。他早期的研究集中于寻找诱发本能行为的关键刺激，所涉及的行为包括：细腰蜂的捕猎及反巢行为，幼雏向母鸟的乞食行为，以及三棘鱼的生殖行为等。三棘鱼生殖行为包括占域、求偶、交配、产卵及育卵等一系列相接的动作。他据此把K.Z.洛伦茨的学说进一步推广：一个本能动作的完成促进了下一个本能动作的发生，于是形成一个行为链。1949年他转到英国去工作。50年代起他开始对海鸥作系统的比较研究，试图推导出海鸥信号行为进化路线。 奥地利学者 K.von弗里施的研究兴趣始终环绕着动物如何获取信息和交换信息这一方向。他早年便在鱼身上建立起食物与颜色及声音的条件反射，从而证实了鱼具有色觉及声觉。之后，他同样证实了蜜蜂有色觉。20世纪中叶，他发现了外出寻食的蜜蜂，借助舞蹈动作通知在巢蜂群关于蜜源的方向和距离。 自50年代起，行为生物学和比较心理学逐渐接近，双方互相取长补短。以50年代在英国出现的以N.廷伯根为首的学派为代表，目前很多学者对实验室的工作和野外工作是并重的。宏观上，由非洲荒漠、南美丛林，直到两极地带都有人在工作。对野生动物在原地进行隐蔽观察、拍摄电影、“标记追捕”、在空中水下、以及用无线电追踪等方法均被行为学家所使用。微观上E.R.肯德尔等人在80年代对海兔学习行为的一系列研究已深入到细胞和分子水平。所以，1973年K.von弗里施、K.Z.洛伦茨和N.廷伯根共获诺贝尔生理学奖一事不仅是表彰他们本人的杰出贡献，也是标志着行为生物学在生物学研究领域中已进入了一个发展的新时期。 |
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