第八章 20世紀科學革命（中）化學 生物學……

第二節 化學的深入與擴展

20世紀化學的發展可從本體論和認識論的角度分為兩大部分。第一部分是化學基礎理論的工作。主要在化學所積累的經驗事實和來自物理學的有關經驗事實（如光譜）的基礎上，密切結合20世紀物理學的成果，探討原子、分子的存在方式與變化規律，以解釋經驗事實。此外還有化學動力學的研究。這些理論進展使化學大為深入。第二方面的工作大致沿著經典化學的認識途徑，結合物理學的新技術（如X衍射），發現、認識併合成越來越複雜的化合物，逐漸步入生物大分子領域，從而大大開拓了化學的研究領域。此外還有無機化學等的進展。這兩部分研究的關係是，後一方面的探索為前一方面理論的研究積累資料，並提出問題，開拓可供理論發展的廣闊領域，並有待從理論上闡明自身。理論方面的工作則解釋經驗事實，提出預言，指導拓展方面工作的進行。兩個方面發展的共同點是，研究對象都由低層次推進到高層次。但在同一時期，經典化學的擴展與延伸所涉及對象的層次，通常要高於理論研究對象的層次。就此意義上說，這方面的工作走在理論研究的前面，在開拓未知領域時更多地是在摸索中前進。由於20世紀化學中的理論研究實質上是物理理論向化學領域的滲透，因而在化學領域內理論的滯後現象正說明現成的物理理論不能直接用於化學領域，必須加以改造。不過在30年代量子化學誕生並獲得迅速發展後，上述情況開始發生轉變，逐步顯示出理論的指導意義。

鑒於20世紀化學的發展可分為兩個部分，因而對其分期也有所不同。理論方面的發展因與物理學關係密切，故分期與之相應，以1927年為界分為前後兩個時期，另一方面工作較多涉及生物學，可以20世紀50年代生物學革命而劃為兩個時期。

一、化學理論的深入

由20世紀初至1927年是理論發展的第一階段，其核心是由經典結構理論到量子化學。

上節談到，物理學家在20世紀後開始對各種物質形態感興趣，玻爾曾試圖以「電子對軌道」來建立簡單的分子模型。化學家如路易斯於1916年建立靜止的立方體殼層模型，能較好地解釋原子間的化合，並且成功地將經典結構式中的短線翻譯成電子對。但由於量子力學尚未建立，同時也缺少光譜數據等實驗依據，物理學家的模型並不成功，而化學家的靜止模型也受到物理學家批評。

由20世紀20年代到1927年是一個過渡期。化學家發現分子中電子或鍵的流動，這意味著傳統的靜止結構式的崩潰。美國化學學會主席班克勞夫特在1926寫道，「凱庫勒富有成果的概念對於我們的貨架來說，已經沒有多少貨了」。化學家要求一種「可塑的、伸縮自如的圖形。」同年，英果爾提出中介論，認為真實的分子是兩個或更多「極限結構」間的中介狀態，表明化學家正在拋棄機械論觀念。聯繫到在當時的物理學中，正是德波羅意提出物質波概念，海森堡拋棄軌道概念以及玻爾提出互補原理。這是科學革命在人們思想上引起的變革，要求破除以往那種孤立地、靜止地看問題的方式，而要在聯繫和發展中去把握對象。混亂醞釀著突破，崩潰意味著革命。化學家們意識到「好像正處於一個知識的轉變時期，處於另一個大發展的前夜」，期待物理學與化學的共同努力。1923年的一次重要的化學學術會議上，會議主席羅伯遜號召：「物理學家和化學家聯合起來」。

1927年是20世紀化學理論發展的轉折點，就整個化學由經驗向理論過渡和化學家思想方式的變革而言，1927年同時也是整個化學的轉折點。考慮到物理學在這期間的作用，也可以認為，在物理學革命的誘發下於1927年發生了化學革命。

第二階段化學理論發展的主要特點是，正如量子論在原子結構的「懷抱」中形成量子力學，量子力學則在分子結構的懷抱中改造、發展其形式而形成量子化學，並以量子化學為核心建立現代化學理論。

量子化學的主要內容是價鍵理論、分子軌道理論和配位場理論。1927年，海特勒和倫敦首次應用共振概念來解氫分子離子和氫分子的薛定諤方程獲得初步成功。這表明在引進新概念後，量子力學從處理原子結構開始進入分子領域——一門新的學科——量子化學正在形成。海特勒和倫敦的工作經鮑林等人的努力而發展為價鍵理論。1931年，鮑林提出軌道雜化概念，將量子力學與碳四面體結構聯繫起來。同年，他又對英果爾的中介理論進行改造，在量子化學的框架內提出共振論。鮑林還對氫鍵理論作出重大貢獻，並於20世紀50年代前後得出蛋白質的結構。價鍵理論因與經典化學結構理論的淵源關係而受到許多化學家的歡迎，但在一些場合也遇到困難，特別在解釋共軛分子時要用多個結構式，引入過多的經驗因素，這在物理和化學理論性增強的潮流中不能令人滿意。

1919年，朗繆爾提出電子等價物概念，這是分子軌道概念的雛形。1926～1928年間，馬利肯和洪特提出理想的「聯合原子」和「分離原子」概念，初步得出選擇分子中電子量子數的規律，從而在另一個角度為量子化學奠基。分子軌道理論把分子視為一個整體，克服了價鍵理論的一些困難。在分子軌道理論的基礎上，伍德沃特和霍夫曼總結了大量實驗資料，於1965年提出分子軌道對稱性守恆原理，可用於指導設計化學反應。

配位場理論與價鍵理論、分子軌道理論三足鼎立。維爾納在19世紀末開創了對絡合物的研究。1952年，歐格爾把晶體場理論與分子軌道理論結合起來，提出了配位場理論。1962年，合成了第一個惰氣化合物六氟鉑酸氙（XePtF6），改變了70年來認為惰性元素不參加反應的觀念。

20世紀來，化學動力學也獲得很大進展。趨勢是，對反應過程的時間劃分越來越細，現已達到微微秒級，同時對反應物狀態的研究也越來越細，如分別觀察分子的振動、轉動、平動能態對反應的貢獻，現已深入到研究態—態反應，形成微觀反應動力學。在研究中也應用激光等先進技術。近年來，化學動力學已受到越來越多的重視，說明化學家的注意力由靜態的對象轉向動態，轉向過程，前述分子軌道對稱性守恆原理也表達了這一點。聯繫到物理學中對恆星、元素、宇宙演化的研究，說明由研究確定的狀態到研究過程，這一轉化是20世紀科學發展的一大特點。有關內容將在後面進一步述及。

這一時期，催化理論在量子化學、表面化學、動力學以及凝聚態物理學的共同推動下也得到很大發展，並促進了對生物大分子的研究。

以上回顧的各條線索均與量子化學關係密切，而對元素周期表認識的深入較多與物理學尤其是核物理有關。19世紀末，拉姆賽發現一系列惰性元素，對於完成周期表並為爾後提出原子模型有重要意義。1913年，摩斯萊發現原子序數定律，第一次將周期表與原子結構聯繫起來。1924年，玻爾等提出原子結構與周期律的關係即構造原則，此後又提出了泡利里原理與洪特規則。隨著核物理的發展，人工合成的元素逐一填補了周期表中的空白。元素周期表不僅綜合了19世紀關於元素的知識，而且指導了20世紀的有關研究。

回顧上述發展過程，化學在對物質結構層次的研究方面，由20世紀前從化合物到原子到電子的認識過程，轉變為由電子與核到原子再到分子的認識過程，也就是由以分析為主到以綜合為主，在量子階梯上由下行到上升。從20世紀前主要回答「如何」與「是什麼」即發現現象與實體，到20世紀後要回答「為什麼」，通過闡明實體間的關係來揭示現象的本質。在如此徹底變革的時期，化學家思維方式的變革有一滯後過程。如果說1927年前的化學仍是19世紀的傳統，以及開始發生動搖與變化，那麼在1927年後，化學家的思維方式逐步轉向辯證思維，化學由一門重分析歸納的描述性學科發展為以綜合、演繹為主導的重推理的學科。

上述變化具體表現在如下方面：首先，在教科書中，量子化學和結構化學的地位越來越重要。無機化學減少了對各族元素的描述，增加了化學鍵理論等內容；有機化學由按官能團講授到按電子軌道的類型講授。其次，實驗技術大大改進。在過去，「不搖試管的化學家不是化學家」；如今，儀器分析代替了重量、容量分析，尤其是計算機的廣泛應用，使實驗的內涵發生深刻變化。發生這些變化的原因則是科學革命，是物理學，主要是量子力學向化學領域的滲透。

二、化學研究領域的擴展與延伸

進入20世紀以來，經典化學的研究領域有了很大的擴展，尤其是沿著量子階梯向上延伸。前者主要指核化學、元素有機化學、星際化學以及無機化學自身的發展，後者意為化學逐步進入生物學領域。

20世紀初，發現許多元素具有放射性，在研究這些元素化學性質之時必然會涉及它們的放射性，於是化學便涉足核的世界。早在1815年，化學家普勞特就已提出氫是所有元素「母質」的普勞特假說。20世紀初，索迪提出同位素概念，勞厄說，「普勞特假說這個睡美人蘇醒了」。1919年，盧瑟福首次實現人工核反應，從而使「現代鍊金術」變為現實。核物理與核化學家正尋找及製備「超重核穩定島」的元素，由此可認識更複雜的原子結構與核外電子的運動規律。近年來，由於同基本粒子物理的滲透形成所謂奇導原子化學，如正電子素和介子素化學，這將有惠於雙方的研究。

20世紀無機化學的發展在理論上直接與凝聚態物理學有關，在實際應用上要滿足各部門對特殊材料的要求。具體來說發展了氟化學、硼烷化學等，這兩個分支在量子化學理論上有特殊意義。還有稀有元素化學，它同時推動了分析化學前進。

目前，由於天文學與航天技術的發展，在天文學與化學的結合點上形成了一門新的學科；星際化學（或天體化學、宇宙化學）。通過對星際物質的研究，既推動了宇宙學的發展，也拓展了化學的研究領域。

早在18世紀就有人製得元素有機物，20世紀初製得了重要的格氏試劑和用於防爆的四乙基鉛。1951年合成了二茂鐵，標誌著元素有機化學形成。這類化合物中特殊的化學鍵對於配位場理論有重要意義，對它們的研究也將大大推進對生命體內各種酶的認識。有人認為，這一「無機化學和有機化學的雜交物」代表了未來化學的方向。

20世紀初，在物理學向化學滲透時，化學也正向生物學領域延伸。化學與生物學的聯繫源遠流長，在古代有煉丹術，近代有醫療化學。19世紀後，由於有機化學的發展，化學家開始接觸越來越多的生物大分子研究蛋白質與核酸。化學家已認識了原子結構，原子與原子的結合方式，現在的問題是揭示蛋白質與核酸的結構。然而面對如此複雜易變的生物大分子，經典化學先分解、分析、後合成的方法已難以勝任。1912年來，布拉格父子等人逐步發展了X射線結構分析法。40年代末，量子化學家開始用電子計算機處理由X線衍射等方法得到的數據。1949年，克勞弗得用新方法直接測定了青黴素的結構，顯示了量子化學與新技術結合所產生的威力。生物大分子結構的測定反過來也為量子化學提供新的研究領域。新的理論與技術的結合使這一領域的研究有了突破。

1950年，鮑林提出蛋白質的a與γ螺旋結構。1953年，克里克與華生提出DNA的雙螺旋結構。一門新的學科——分子生物學已經奠基。20世紀，化學在沿量子階梯上升的道路上又躍上了一個新的台階。

50年代後的發展大致沿著以下方向進行：首先是結構的研究。繼續發現新的蛋白質、核酸，研究其結構，並協助生物學家闡明它們的生物功能。其次是人工合成生物大分子，這不僅是對所推測結構的檢驗，而且是人工合成生命的前奏。1965年，我國在世界上首次全人工合成具有生命活力的結晶牛胰島素。1970年，美國柯蘭納小組將化學方法與生物方法相結合，合成了由77個核苷酸組成的核酸片斷。第三條線索是對生命起源的研究。19世紀，巴斯德的實驗結束了生生說與自然發生說之爭。20世紀30年代，奧巴林重又開始研究生命起源，後為福克斯所發展。1953年，在華生與克里克揭示DNA雙螺旋結構的同一年，米勒的實驗表明，在原始地球上可能發生生成氨基酸等有機物的過程，在科學界引起廣泛興趣。生物學家、化學家、地質學家、天文學家和物理學家紛紛投身其中，生命起源問題成為科學的前沿。現在要求將生命起源的研究置於更為廣闊深遠的時空背景，即地球、太陽系、銀河系以至於宇宙起源與演化的背景之中進行。第四，目前化學家開始對腦中起各種生理、心理作用的物質發生濃厚興趣，設法提煉之並研究其結構與功能，從而試圖由生命領域再跨入更高級的意識活動領域。化學向生物學的延伸還有一些其他分支，如生物無機化學、化學仿生學等。

對於化學向生物學滲透的前景，主要是人工合成更複雜的生物大分子以至生命，目前已從各個角度提出疑問。首先是在合成過程中遇到難以想像的困難，退一步說，即使合成了也不可能用於生產。其次，耗散結構理論認為，單用化學方法合成生命類似於超運算問題，即理論上可能而實際上不可能。在這種狀況下，已經有不少科學家成功地用酶促合成及基因模板合成的方法合成了以全人工方法無法得到的物質。不能指望由分解現存的生命然後重組的方法來合成生命。生命是在歷史的長河中形成的，有一個漫長的完善與進化的過程，因而正確的路線應循著自然史中生命起源的路線進行。必須改革「合成」的含義，引進歷史的方法。化學家在20世紀初經歷了觀念的變革，在他們越來越深入地踏進生命殿堂之時，還必須在觀念上作進一步的更新。

第三節 由生物學到生命科學一、孟德爾的重新發現

如前述，20世紀前，化學的認識途徑是由現象揭示實體，由實體解釋現象，對現象的研究和對實體的探索這兩方面的工作緊密結合、不可分割。在生物學中總的情況也是如此，即可區分為對現象和實體的研究兩條線索，但又與化學有所不同。首先，生命運動遠較化學運動複雜，生命運動有三個主要方面，即新陳代謝、發育以及遺傳與進化，分別由生理學、胚胎學以及遺傳和進化論來研究。其次，在20世紀前，生物學家所面對實體是宏觀可見的，如個體、器官、細胞等，至少用顯微鏡即可見因而不必如化學那樣通過現象來揭示實體，而是由解剖學的發展而逐層深入。一旦揭示實體，即以此來解釋現象，大致是解剖學進展到什麼程度，就作出相應的解釋。如在17、18世紀揭示了若干器官後，就作出機械的解釋，而在19世紀認識了細胞後即提出細胞的國家等。

19世紀下半葉，進化論一時成為注意的中心。或許只有一個人例外，他就是孟德爾。孟德爾認為，僅由生物外觀的變化並不能說明進化。他從1865年開始用碗豆通過實驗的方法研究遺傳，提出以他的名字命名的孟德爾法則和遺傳因子概念，表明在遺傳中有某種不變的單元，在生物學史上第一次試圖由現象來揭示實體。然而，孟德爾的工作淹沒在進化論思潮中不為人知。1875年首次發現染色體，爾後又認識到染色體在遺傳中不變。19世紀80與90年代，魏斯曼設想，「遺傳的實質，就是傳遞特殊分子結構的核物質」或「決定子」，染色體即是遺傳物質的載體。1900年，在物理學革命的風暴中重新發現了孟德爾的工作，大大刺激了遺傳學的發展，遺傳學成為20世紀生物學的主流。遺傳因子或決定子概念也為化學、物理學向生物學的滲透作了準備。

可以以1953為界把20世紀生物學的發展區分為前後兩個階段。第一階段是從各種現象揭示蛋白質與DNA並闡明其結構；第二階段力圖由DNA出發解釋各種生命現象。

二、DNA——生物學之所趨

孟德爾工作的重新發現揭開了20世紀生物學的第一階段，生物學家從信念中清醒過來，回到實際之中。在哲學家接過進化思想的同時，遺傳則更多地佔據了生物學家的心。尋找遺傳中的代代相傳者，這不僅是近代科學由現象揭示實體的傳統，更是2000年來哲學的傳統——在變化之中追求不變物。20世紀上半葉生物學發展的狀況是，以遺傳學為主，結合對細胞生化過程的研究，再加上化學與物理學的參與，揭示出遺傳物質並確定其結構。DNA雙螺旋模型的建立是遺傳學派、生化學派和結構學派共同研究的成果。

在遺傳學方面，摩爾根以果蠅為實驗對象取得了一系列成果，於1928年發表了總結性的《基因論》，確定把「基因定位於染色體上」。20世紀40年代，以德爾伯里克為首的噬菌體小組開展了遺傳學研究。1944年，艾弗里等人以實驗證明DNA即基因，是遺傳信息的載體。然而，由於歷來認為蛋白質是生命中最重要的成分，誤以為是蛋白質具有遺傳功能；再者，當時人們認為DNA由四種核苷酸有規則的單調重複，不可能帶有遺傳所需的大量信息。蛋白質則複雜得多，可以攜帶大量信息，於是對艾弗里的工作仍持懷疑態度。1952年，查可夫證明，核酸中四種核苷酸可以含量不等，任意排列，從而清除了上述疑慮。同年，噬菌體和同位素的實驗再度表明DNA是遺傳物質，在科學界產生直接和巨大的影響，各個學派把注意力集中到DNA的結構上。

生化學派也有很大發展。20世紀20年代，繆勒等人設想，細胞核有控制細胞代謝的作用。1940年，比德爾與塔杜姆關於紅色麵包霉的研究揭示，基因的變化會導致相應的酶消失。這一工作標誌生化學派和遺傳學派開始結合起來。次年，他們宣布，「基因與酶的特性是同一序列的」。1946年，塔杜姆提出「一個基因一個酶」的假說。生化學派的工作揭示了DNA在生命運動中的另一方面功能。

20世紀上半葉，在通往DNA的征途上的主力軍是結構學派。摩爾根寫道，「像物理學家和化學家假設看不見的原子和電子一樣，遺傳學者也假設了看不見的要素——基因」。他在1928年預言，基因「代表著一個有機化學實體」。物理學家和化學家開始進入生物學領域。上一節已經部分述及化學家的有關工作。30年代初，玻爾在「光與生命」一文中指出，化學家和物理學家進入生命領域時必須在思想方法和實驗方法上作重大改進。1936與1937年，包括玻爾、薛定諤、德爾伯里克等人在內的物理學家，有機化學家、晶體學家、遣傳學家等兩次聚會討論基因的結構。1944年，薛定諤發表《生命是什麼？》一書，提出非有序晶體、負熵、遺傳密碼等一系列新概念，對生物學的發展產生了深遠影響。結構學派的主要成員華生、克里克和維爾金斯即由此而從事DNA結構的研究。其時，新的實驗技術也開始在這一領域發揮作用。阿斯特伯里於1938年首次研究DNA的X射線衍射圖，認為DNA纖維具有周期性。

通往雙螺旋模型的最後一步，是將遺傳、生化和結構學派的成果結合起來。華生原屬遺傳學派，後與結構學派的克里克合作。華生從生物的遺傳、複製、配對等現象認識到DNA應由兩條鏈組成，而不是如鮑林所設想的三條鏈。查哥夫的工作則為確定雙螺旋結構中十分關鍵的「鹼基配對原則」奠定了化學方面的基礎。結構學派的富蘭克琳所拍攝的DNA的X衍射照片和有關見解具有重要作用。於是，三方面的努力結合起來，終於在1953年獲得成功。

DNA雙螺旋結構的揭示在生物學史上具有劃時代意義。從此，對生物的新陳代謝、發育以及遺傳與進化的研究，都將在DNA的基礎上進行。如同原子結構提供給化學的那樣，DNA分子結構也給生物學提供了一整套說明現象的極其多樣性和說明事物組合的極其多樣性的原理和性質。

三、DNA——生物學之所由

20世紀50年代後，生物學的發展大致沿以下線索進行：深入研究DNA、RNA和各種蛋白質的結構；由DNA來理解各種生命現象；探索生命起源；研究更高級的運動，即開展對大腦及意識的研究。在上述過程中，提出或應用一些新的理論，如系統論、耗散結構理論、超循環理論等。

上一節中已經提及化學家在結構方面的工作，這一領域已很難區分化學家和生物學家的貢獻。隨著對生物的研究深入到分子水平，古老的生物分類學有了新的依據。

生化方面的工作是由DNA出發闡明新陳代謝過程。1954年，伽莫夫首次提出「三聯密碼說」。1961年，尼龍貝格揭示了第一個密碼，引起轟動。至1966年，64種密碼全部破譯。在信息流動的中心法則提出後不久，20世紀70年代又發現「逆轉錄酶」和反中心法則，同期雅可布·莫諾等人的工作揭示了生命運動中分子與生物大分子水平複雜的調控過程。

進化必須在遺傳的基礎上進行，由偶然的突變方能發生，因而必須採用統計方法。1894年，畢爾生的工作奠定了生物統計學的基礎。20世紀20年代，物理學中哥本哈根學派與愛因斯坦關於概率決定與嚴格決定的爭論也波及生物學領域。1953年，DNA結構的揭示為進化論注入新的活力。

將生物的進化沿時間的長河回溯即面對生命起源問題。米勒1953年的實驗引起各專業科學家的濃厚興趣。到70年代中期，已能模仿原始地球的環境合成蛋白質所需的20種氨基酸，以及組成核酸的小分子。下一個問題是，這些生命的基石如何進一步組織起來形成生物大分子。由於星際化學的發展，科學家日益強烈地意識到，必須在地球起源、太陽起源以至宇宙起源的背景上開展對生命起源的研究。

與進化論和生命起源問題有關的還有發育問題，因其極端複雜而進展不大。有人提出將海克爾的生物重演律推至分子水平，同時要求在建立DNA模型之後的今天建立染色體模型。

在化學逐步進入生物學領域之際，生物學也悄然踏進心理學的門坎，如用微電極測定單個腦細胞的活動。1960年，有人提出核酸是記憶的物質基礎，即關於記憶的分子假說。現代生物學還通過它的分支進入社會科學領域，例如社會生物學，研究動物的「社會行為和它的生物學基礎」；再如人類生物學，研究人類的起源、地理分布、人口平衡等。

在闡述20世紀50年代後生物學的發展時，還必須提及與此密切相關的耗散結構理論。在本章第一節中對此已有所提及。科學家發現，在生物進化與熱力學第二定律之間似乎存在巨大的矛盾，普里高津在非平衡態熱力學的基礎上經多年努力，於1969年提出具有里程碑意義的耗散結構理論。該理論揭示，在體系從無序走向有序的過程中，體系內部隨機漲落、遠離平衡態，以及環境等因素的重要性。耗散結構理論不僅在本體論上揭示出自然界中所發生的自發過程，而且在認識論與實踐論上給人以深刻啟示。

四、由生物學到生命科學

19世紀末20世紀初，生物學領域機械論和還原論盛行。隨著物理學革命的深入，新思想逐步取代傳統觀念。科學家們開始認識到，還原只是一種方法，而不應成為一種主義。還原使我們得到了知識，但由此也失去甚至更重要的部分，這失去部分只有通過其他方法獲得。玻爾指出，「生物系統的複雜性具有基本的意義」。針對還原論，科學家提出機體論，教階理論和發生論等。玻爾以元素為例說明了這一點：「雖然有關於遊離的質子、中子和電子的知識，然而我們並不能在此基礎上預言元素的性質。相反，對元素性質的研究倒教給我們許多關於質子、中子和電子的性質。」亞里士多德在2000多年前就精闢指出：「潛在的東西，它的完全的現實性就是運動，運動（即新的運動方式）只發生在完全的現實性存在的時候，既不遲，也不早。」生物學史專家艾倫指出，20世紀生物學家觀念的變化，「……不僅是一個複雜的理論取代了一個較簡單的理論，而且是一種……哲學為另一種哲學所取代，機械唯物主義為辯證唯物主義所取代」。

思潮的上述變革直接體現在具體方法上。研究生命起源的權威福克斯強烈反對在這一領域所採用的「重組」（reassemble）方法，認為這一研究雖然使我們獲得知識，但並未告訴我們在自然史中生命起源和進化的真實情況，生命的特徵如何一步一步發生，實際上是將經億萬年進化的現存的生物及它們的DNA，蛋白質等同於混沌初開時的原始形式，簡言之，沒有貫徹歷史的觀點。他主張，對生命起源的研究應遵循「由古及今，從簡到繁的路線」。

觀念變革的另一個表現就是由離體的研究轉向體內的研究。長期來在生物學領域的實驗中，都是把研究對象或環節從生物體的全部生命過程中孤立出來作離體的研究。從近代科學興起之時的解剖學，到19世紀末對酶的生化研究，以及20世紀巴甫洛夫從事條件反射研究的有關實驗，等等。隨著研究的深入，生物學家們越來越認識到，不同於物理學或化學領域，在生物體內、在細胞內，所有成分和各個環節都彼此相關，形成統一的整體和不可分割的過程。離體實驗並未告訴我們真實的生命過程。由此可以回想起第五章所述及的在生理學興起初期教士們反對作血液流動的實驗，認為這種實驗違背自然，猶如把受驚的母雞趕向錯誤的方向。在認識的初期，必須採用分析方法，而到了一定階段，認識就將轉為以綜合為主。

有必要將1953年開始的生物學革命推向前進。與物理學革命相比，生物學革命遠為艱巨。在前者發生後的30多年中，量子力學解釋了核與電子形成原子的過程，量子化學開始理解原子與原子怎樣形成分子。生物學革命開始至今已半個世紀，人們還不清楚分子何以生成生物大分子，仍在探索生命起源的奧秘。在物理學革命中，科學家可以成功地由原子結構推知元素的性質，由分子結構推測分子的性質；然而在生物學揭示了蛋白質和DNA的結構後，至今仍未能以此闡明全部生命現象。華生與克里克所揭示的只是DNA晶體，而不是存在於生命過程中的物質。要揭示生命的奧秘，還必須考慮到細胞中的全部成分，它們之間的複雜關係和變化過程以及細胞與環境間的相互作用。這就有待於生物學家和物理學家、化學家等的共同努力。

在生物學的深入發展中，在其他學科向生物學的滲透中，一門新的學科——生命科學正在形成之中。生命起源的研究和對生命本質的理解都需要各門學科的共同參與。生命科學的形成除了前面已述及的方面外，還具有以下因素：首先，生命問題歷來是科學家和哲學家所關注的對象。與物理學的前沿問題相比較而言，生命問題因其與人類，與社會的密切關係而倍受青睞。同時，物理學前沿的理論在目前階段還很難得到應用，生命科學的成果則較易物化。其次，在物理學、化學等學科日漸抽象之時，生命科學至少在現階段還較易理解。第三，更重要的是，正是在生命科學領域中孕育了許多新的思想，例如系統論、超循環理論等，其他新理論如資訊理論、控制論、耗散結構理論、協同學等也都在這一領域得到卓有成效的應用。這一點也引起眾多科學家的興趣。最後，從本質上說，20世紀來科學沿量子階梯朝著兩個方向發展，一端探索宇宙的起源，另一頭則指向生命。生命作為高級運動形式，包含了所有的低級運動形式，因而物理學家、天文學家、化學家、地質學家和生物學家等組成的集團共同研究生命起源與生命本質是科學發展的必然趨勢。生命科學在未來的發展必然如同它的研究對象一樣富於生命力。

第四節 地質學、生態學一、地質學沿革

早在1620年，F·培根就發現南美洲東海岸和非洲西海岸可以像玩具拼板那樣準確地拼起來。1912年，在19世紀地質學成就的基礎上魏格納提出大陸漂移說，引起地質學界爭議。後來又出現海底擴張說，於1963年得到證實。1965年，威爾遜首次把大陸漂移和海底擴張說聯繫起來，提出板塊學說，其中還涉及板塊的俯衝等垂直方向的運動。於是，人們就從19世紀地質學關於地球的表層以及局部的理解發展到研究地球的內部和整體的運動。

在將現象聯繫起來的同時，地質學家也著手研究地殼變動的原因。20世紀初，瑞利爵士等通過理論研究第一次提出，在一個下方受熱的粘度均勻的地層上會發生對流現象，這一見解現已得到普遍贊同。目前，正在應用高壓技術對地幔深處的地質作用進行模擬，同時也開展計算機模擬。這些工作表明，在地質學中也開始使用實驗方法和計算機。

然而進一步的研究指出，對流運動並不對稱，黏度並不均一，有必要從兩個途徑即宏觀和微觀上深入了解地球內部的組成和結構。地質學家通過地震波探索地球的內部結構，發現了地核（又分內核與外核）、地幔等多層結構。化學家與礦物學家則研究地幔和地核物質的微觀組成。現在，這兩個方向的研究正在結合起來，闡明由外層到內層隨著壓力的增大礦物形態的變化。

現在已普遍接受「地球是一受內熱驅動的發動機」的觀點。但是內熱又來自何方？內熱可能來自地球形成之時宇宙塵埃碰撞所產生的熱，來自地球本身的引力收縮，以及來自地球內部的放射性物質等。於是，如同宇宙學和生命科學，地質學的研究也歸結到起源問題。再者，對地球演化的研究認為，在地球的演變中存在非線性過程。19世紀居維葉的突變論在20世紀的地質學中重新找到它的位置。

顯然，唯有立足於太陽系才能說明地球的起源與演變；地質學家要求對其他行星的「地質」作比較的研究，由於航天技術和遙感技術的發展，這一設想正在變為現實，「比較地質學」正在形成之中。

二、生態學的2000年與40年

生態學這一名詞最早由海克爾在1869年提出，實際研究由來已久。中國古語「螳螂捕蟬，黃雀在後」即是對生態關係的形象描述。古希臘哲學家泰奧法拉斯特注意到植物與環境的關係，被認為是第一個生態學家。在近代，布豐、馬爾薩斯、達爾文等都在生態學領域有所建樹。1935年，坦斯列提出生態系統和生態平衡概念，並從物質循環和能量流動的角度加以研究。此後，林德曼細緻考察了沼澤中的生態系統。總的說來，到20世紀50年代，是生態學逐步形成的歷史。

20世紀40年代後期，貝塔朗菲的系統論思想開始為科學界接受，也成為研究生態學的指導思想。1953年，奧多姆大大發展了生態系統的思想。生態學也開始應用先進的技術對群體進行研究。由個體生態學發展到群體生態學，這正類似於生物學中由離體實驗到體內實驗的發展。計算機也進入生態學領域，用以摸擬生態系統。新思想和新方法的形成與應用，標誌古老的生態學進入了新的發展階段。

目前，由於環境危機，環境科學受到格外重視。古代即有研究人與自然環境關係的地理學、氣象學等，由於人類未曾大規模改造自然，因而這些學科並沒有涉及改變了的環境反作用於人這樣的環境問題。隨著工業革命興起，發生水和空氣的污染並發展了相應的技術，但並未形成理論。恩格斯敏銳地覺察到這一問題，警告要當心大自然的報復。20世紀50年代後，一方面由於環境危機的加深，另一方面也由於各門科學技術的發展，因而有必要也有可能形成環境科學。現在，環境科學既要研究微觀世界中離子、原子、分子與細胞、微生物那種局部而短暫的相互關係，又要從宏觀上，從人類的形成及演變、從全球以至更大範圍這樣的時空尺度上理解環境問題，需要各門學科，並關係到社會學、經濟學等社會科學領域。

為了人類與自然界的協調發展，生態學和環境科學將日益顯示其重要性。

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