天体演化理论

1755年，德国科学家、哲学家康德（I.Kant，1724—1804）发表《宇宙发展史概论》，提出了太阳系起源的星云假说。这个假说所依据的科学事实是，科学家通过大量的天文观测，已经发现太阳系内行星公转轨道具有共面性，行星公转的方向具有同向性，行星公转轨道呈近圆性。为了回答太阳系行星公转时何以具有这样多的相似性，康德设想太阳系可能是从同一团原始星云演化而来。他的主要论点有：原始星云是由弥漫于宇宙空间的不停运动着的无数物质微粒组成；其密度不均匀；凭借万有引力，密度较大的部分可以从它周围吸引密度较小的物质微粒，以后它们自己又同所聚集的物质一起，聚集到密度更为巨大的地方，并如此一直继续下去。这样，星云中必有一处其密度比其他地方都大，就会形成整个星云的引力中心；当微粒物质向引力中心降落时，除受到引力作用外，同时还受到斥力作用。这样就有可能造成运动方向的偏离，使垂直的下落运动变成围绕降落中心的圆周运动；开始时圆周运动可能还很混乱，后来逐渐出现一个主要的运动方向，形成巨大的旋涡，使整个星云逐渐向垂直于转动轴的平面集中。在这个平面上，速度较小的团块继续落到中心团块，速度较大的团块则可以保持力的平衡形成各个行星；在形成行星的小团块中又会由类似的过程形成行星的卫星系统。

康德的这个假说能够解释行星的共面性、近圆性和同向性，也能解释行星的不同密度和质量的形成。但康德假说本身的思辨成分太多，有许多问题解释不清楚，加之当时许多科学家受形而上学、经验主义的影响，厌恶理论思维，因此这个假说发表以后没有引起什么反响，竟然埋没了半个世纪之久。直到18世纪未法国著名数学家、力学家拉普拉斯根据天文观测资料，对天体的形成从数学和力学方面作了论证，提出了类似的星云假说后，这一观点才为人们普遍接受。

拉普拉斯（P.S.Laplace，1749—1827）的星云假说体现在1796年出版的《宇宙体系概说》一书中。他也认为太阳系的所有天体都起源于同一原始星云。但和康德不同，他假设原始星云是炽热气体；假设炽热的球状气体星云从一开始就在缓慢转动。这样就回避了康德想用引力和斥力的矛盾加以解释，但并未解释清楚“星云是怎样开始旋转起来的”这个问题。按照拉普拉斯假说，气体状的炽热星云大致呈球形，它的直径很大，在宇宙中缓慢地旋转。同时向外散发热量渐渐变冷，其体积也在逐渐收缩。根据角动量守恒原理，其旋转速度将加大。按离心力规律，星云物质所受的惯性离心力也随之增大，而且在赤道处的星云物质所受惯性离心力最大。这使得星云的赤道部分向外突出，使球形星云变为扇球乃至扁平圆盘。当外缘部分受到的离心力增大到足以和星云对它的吸引力相抗衡时，这部分物质便不再随整个星云一起收缩而保留在原来的半径上旋转。重复上述过程就可以得到一个又一个的圆环，其中心部分最后收缩为太阳。分离出来的圆环经过相互吸引和凝聚，就形成了各个行星。

由于这个假说和康德的假说类似，人们就把这两个假说统称为“康德—拉普拉斯星云假说”。尽管康德—拉普拉斯假说仍有许多具体问题不能解决，但其形成和演化的思想逐渐被天文学发展所证实。尤其是1859年德国物理学家吉尔霍夫和德国化学家本生创造出光谱分析法以后，可以对恒星上存在的元素进行分析了。分析证明，各种不同的天体构成元素相同。而且通过光谱分析还可以比较出它们所处的不同发展阶段。天体形成和演化的观点从而被确立下来了。

地质进化理论

由于地貌的变化人们比较容易观测到，科学家就会常常由地貌的变化去猜测整个地球的变化，所以有关这方面的研究很早就有了。如1644年笛卡儿（R.P.Descartes，1596—1650）就在《哲学原理》一书中讨论了地球的形成过程。德国的莱布尼兹（G.W.Leibniz，1646—1716）1680年也出版了《原始地球》一书，猜想地球最初是高温发光物体，后逐渐冷却，表面形成皱褶，这就是山脉。最初的地壳是多孔结构，海水可由这些小孔流入地下，使海平面下降，山露出水面。但是这些早期猜测和研究，思辨性都比较强，而科学性不足。但以这些研究为基础，使后来的地质研究分成不同的学派，其中主要有水成派和火成派，灾变论和渐变论。

1.水火之争

17世纪时，西方地质学界对地球的形成就存在有水成派和火成派之争。1695年，英国地质学家伍德沃德（J.Woodward，1665—1728）发表《地球自然历史探讨》，主张地球的水成观点。认为是摩西洪水造成地球上原有生物的灭绝，并把它们变成化石。火成派的代表是莫罗（Mauro），他则相信岩石是由火山喷发造成的。到18世纪后，在对地球岩石圈历史演变的认识上两派斗争更加激烈，德国地质学家维尔纳（A.G.Werner，1749—1817）等人主张水成论，认为一切结晶岩都是在原始海洋中形成的，都是水成岩，后来由于全球水位突然下降，才使岩石的较高部分露出水面形成陆地和高山，但在这一过程中构成地壳的岩石圈本身并没有任何改变。水成派与圣经中的描述一致，所以一时之间占了上风。苏格兰地质学家赫顿（J.Hutton，1726—1797）坚持火成论，认为地球内部是熔融的岩浆，通过火山爆发在地面凝结成花岗岩，由于地下熔期岩浆的推动，还将引起已经形成的沉积岩倾斜变形。后来法国地质学家马列斯特在一个偶然机会中发现了玄武岩，他沿着玄武岩的分布一直追索到火山口，说明了玄武岩也是火成岩。在火成论的指导下，建立了地壳运动的观念。1787年，冰岛附近的海底玄武岩发生了一次火山大喷发，使火成派又抬了头。后来在英国苏格兰山上开会讨论时，两派互不相让，竟然发生地质史上的武斗事件。

水成论者提出两点反对火成论的论据：（1）熔融的岩浆凝固时只能形成玻璃体而不会结晶化；（2）有些岩石如石灰石受热后会被分解掉。对此，詹姆士·霍尔（J.Hall，1761—1832）在1790—1812年间还进行了一系列的实验。他在玻璃厂使熔融的玻璃非常缓慢地冷却，证明它可以结晶化形成不透明体；他又将从火山口弄来熔岩重新用炉子熔化，然后也使它慢慢冷却，结果也能结晶成玄武岩那样的岩石。他又通过实验证明，如果把石灰石放在密闭容器中加热，石灰石并不分解，而是形成像大理石一样的岩石。实验结果是有利于火成论的。

应该指出，这两派观点都有合理之处，因为岩石本来就分沉积岩和火成岩（花岗岩、玄武岩）。但又都不全对，因为从思维方法上看，两派都犯了绝对化的错误。

2.灾变论和渐变论之争

灾变论的代表是法国生物学家居维叶（G.Cuvier，1769—1832）。在对巴黎盆地地层的研究中，他发现老地层中化石少，而且化石生物原始；新地层中化石多，生物物种也较复杂。这本来可以看成生物不断进化的证据，但居维叶1765年认为，这些不同时代的物种之间毫无联系，地球表面的历次变动都是间断的，由于突然的巨大洪水造成的。他在《地球表面的革命》一书中写道：“这种洪水的反复进退不是以缓慢和渐进为特征；恰好相反，大多数激变是突变引起的……较老的地层的位错和倒转没有任何疑问地表明，置岩石于现在这样位置的过程是突然和强烈的……这可怕的洪水常会席卷地球上的生命，无数生物因激变而消失了。”这样，地球演变的历史就成了一堆前后无关的突变集合，而在各次突变之间，地球以及地球上的生物则没有任何演化和渐变。当时正值1765年意大利的一个火山爆发，似乎成了居维叶论点的一个佐证，所以居维叶灾变论的提出迎合了欧洲人对灾变的恐惧。居维叶在生物学上成就很大，他提出了“器官相关律。”根据这个规律，你只要找到一小块动物化石，他就能预言动物的原型。他的学生挖出来的化石可以和他预言的一点不差。我们至今猜不透是什么使他在地质理论上却持这么保守的观点。

另一派是渐变论者。英国业余科学家赫顿1795年出版了《地球理论》，主张应以现在仍起作用的地质力量去解释历史上发生的地壳变动。后来英国地质学家赖尔（C.Lyell，1797—1875）进一步发展了这一思想。他虽是水成论代表维尔纳的学生，但不信他老师的观点。他以“现在是认识过去的钥匙”这一思想作指导，1830—1833年间写成了《地质学原理》一书，这本书的副标题就是“以现在还在起作用的原因试释地球表面上以前的变化”。他在这部著作里以丰富的地质资料证明，江河海流、潮汐、风雨、冰雪、火山、地震等自然作用至今仍在持续缓慢地改变着地球的表面状况，地球的历史在时间上是连续的，现状是以前变迁的结果，是“长期一连串前后相继事变的结果”，而不是像灾变论者所说的彼此隔绝而无联系。而且，引起这种变化的原因，不是一两项原因单独作用的结果，更不是靠有限几次突然灾变造成的，而是诸种自然原因复合作用的结果。各种地质作用所产生的效果是由一系列微小的、缓慢的变化积累起来的，而不是突变式的。有人把赖尔的这些观点概括为连续性法则、均一性法则和积累法则。

赖尔的地质渐变论进而导致物种可变的思想。既然地壳是逐渐形成的、不断变化的，那么在它上面生活的一切生物也必定是进化发展的。正如赫胥黎（T.H.Huxley，1825—1829）所说：赖尔“铺平了达尔文的道路”。达尔文（C.Darwin，1809—1882）自己也在自传中承认，是《地质学原理》引导他得到物种进化的结论的。但赖尔本人是拥护物种不变观点的，还批评过拉马克（J.B.Lamarck，1744—1829）的进化论。可见赖尔在方法上还是陷入了绝对化，他过分强调渐变，否定了激变的可能；他绝对化了自然规律的古今一致性，认为在地球上起作用的各种力量也是从来不变的。然而，世界上的事物大都是非绝对的。

原子—分子论的确立

化学是在近代兴起的一门学科，无数的科学先驱者为这门学科奠定了理论基础。1789年，拉瓦锡（A.L.Lavoisier，1743—1794）根据大量的化学实验建立了质量不灭定律，从此化学中能够使用天平进行精确的研究，也使化学得以进入定量研究阶段。1791年德国化学家李斯特已能作出预言：“化学是应用数学的一个分支。”定量化的方法使李斯特发现了“定比定律”——相互化合的元素间有固定的质量比。1799年法国化学家普鲁斯特（J.L.Proust，1754—1826）发现“定组成定律”——各种化合物都有确定的组成，与制备方法无关。

自学成才的英国物理学家、化学家约翰·道尔顿在对原子的研究方面取得了非凡的成果，成为近代原子学说的奠基人。他既具有敏锐的理论思维头脑，又具有卓越的实验才能，他是从气体的物理性质的研究开始构建其原子论的。在这里牛顿的粒子说和拉瓦锡的元素概念成为他的原子概念的基础。由于经常发现气体在水中的溶解和气体体积可被压缩等一些重要的物理化学现象，道尔顿发现了“倍比定律”，并且逐渐形成了一个概念，即物质内部不可能是连续的，应该由一些质点所组成。由此，他于1803年提出了新的原子论，其主要内容包括：元素由非常微小的不可再分的物质微粒——原子组成；原子在化学变化中保持其本性不变；同一元素原子的各种性质和重量都完全相同，不同元素原子的性质和重量不同；原子的重量是每一化学元素的重要特征。1808年，道尔顿又在《化学哲学的新体系》这本书里更加系统和充分地阐述了他的原子论思想。其要点是：（1）元素的最终组成称为“简单原子”，它们不可见、不可创生、不可消灭、不可分割，其在一切化学反应中保持本性不变；（2）同一元素的原子其形状、质量等各种性质均相同，而不同元素的原子则各不相同。原子量是元素的最基本特征；（3）不同元素的原子以简单整数比相结合而形成化合物，化合物的原子称为复杂原子。他的这部著作与拉瓦锡的《化学大纲》一起成为经典化学的两大名著。

但是在原子论建立的初期，化学家们宁愿采用元素的概念，也不愿使用原子概念；宁愿仍然采用元素当量，也不愿采用原子量。这是由于当时还没有办法准确确定参与化学过程的各种元素的原子数目，所以原子量很难准确断定；另一方面，道尔顿忽视了原子和分子的区别。他认为单质只是简单原子的组合，不存在分子状态，只有化合物才是复杂原子，是由分子组成的。所以当1811年意大利化学物理学家阿佛加德罗（A.Avogadro，1776—1856）提出分子概念，并认为单质物质的分子是由相同原子组成的简单分子，化合物分子是由不同原子组成的复合分子，“分子是物质存在的独立单元”时，道尔顿坚持认为，相同的原子要互相排斥，不可能结合成一个分子。直到1860年于德国召开的国际会议上，意大利化学家康尼查罗（S.Canizzaro，1826—1910）才说服化学家接受分子概念，澄清了半个多世纪以来理论上的混乱，为分子论和原子论统一为原子—分子论做出了巨大贡献。这说明，一个正确的理论，尤其是一个新概念，其提出是一回事，能否为大家接受又是一回事。

元素周期表

在化学教科书中，都附有一张“元素周期表”。这张表揭示了物质世界的秘密，把一些看来似乎互不相关的元素统一起来，组成了一个完整的自然体系。这张表的发明，是近代化学史上的一个创举，对于促进化学的发展，起了巨大的作用。这张表的最早发明者就是杰出的俄国化学家门捷列夫。1834年，门捷列夫（D.I.Mendeleev，1834—1907）生于俄国西伯利亚的托波尔斯克市，在那儿，一个政治流放者指导门捷列夫学习科学并使他对化学产生了兴趣。当时，关于自然界到底有多少元素；元素之间有什么异同和存在什么内部联系；新的元素应该怎样去发现这些问题，化学界正处在探索阶段。各国的化学家们进行了顽强的努力，但由于他们都没有把所有元素作为整体来概括，所以没有找到元素的正确分类原则。年轻的门捷列夫勇敢地冲进了这个领域，开始了艰难的探索工作。他不分昼夜地研究着，探求元素的化学特性和它们的一般原子特性，然后将每个元素记在一张小纸卡上。上面记载着元素的原子量、化合价、物理性质和化学性质，等等。他企图在元素全部的复杂的特性里，捕捉元素的共同性。他的研究一次又一次地失败了，可他屡败屡战，坚持不懈。

1869年，门捷列夫编制了一份包括当时已知的全部63种元素的周期表。他的结论是，按照原子量大小排列起来的元素，在性质上呈现明显的周期性。1871年，他对周期表作了进一步的修改，使之基本具备了现代周期表的形式。在这份周期表中，门捷列夫大胆地修正了一些元素的原子量。如把铀的原子量从当时认为的116改为240；对周期表中四个空位元素的性质他也作了极为详尽的预言。到1875年，发现了他预言的类铝“镓”，1880年，发现了类硼“钪”，1886年，发现类硅“锗”。它们的性质都和门捷列夫的预言十分接近。

门捷列夫是如何发现周期律的？其中有许多传说。有人说这是他在玩扑克牌游戏时偶然发现的；也有人说是他连续工作三天三夜没有睡觉，终于在梦中发现的。事实上，门氏是在1869年俄历2月17日（公历3月1日）这一天内发现元素周期律的。当时他正在编写《化学原理》第二卷，在结束这卷的第二章之后，必须确定在碱金属之后应该紧跟着叙述哪一族金属元素的问题。在他看来，似应叙述碱土金属，但又拿不出根据。恰巧，这一天他收到了一封信，便信手在信的空白处对化学性质不相似的钠族和类锌族的原子量的差值进行了计算。然后他对比了紧密相连的若干元素族，先编成了一张包含31个元素的表格，指导思想是使常见的不相似的各元素族紧密相连而原子量又最大限度的靠近，以至使各元素族间再也放不进元素。接着又列了第二个表。其中原子量的排列按竖行，不像第一次按横行。这个表包括了42个元素，为了编制当时已知63个元素的总表，门氏采用了“化学牌阵”的方法（即用卡片写上元素名，性质，原子量），把63个元素按研究程度和原子量轻重分成四堆，最后剩下7个元素，门氏试着把它们放在适当的位置，终于编成了一个元素周期律的草表。

门氏时代，虽然已知63个元素，但只占天然元素总数（92个）的2/3，而且有11个元素的原子量测得不对。虽然有不少元素已组成了自然族，但已组成的这些自然族里还有不少疑问，而且有一些元素还无法安置。在这种情况下，要想揭示化学元素的内在联系和一般规律也是不容易的。这时，门氏的逐步综合法又帮了他的大忙。所谓逐步综合法是指不断综合、逐级综合的方法，即只有先小综合，才能大综合；只有先把元素小综合成自然族，才能大综合成体系，否则把单个元素直接排在某一个体系里显然是困难的。门氏采用的比较方法则使他容易把握元素的内在联系。他自己也说过：“要全面地把握，就需要有比较的方法。”门氏对元素分族时，首先就要对各个化学元素的性质进行比较分析，只有对各个族的性质进行比较研究才能综合考察。他通过比较不相似的两类元素原子量的差值，发现了元素性质的变化是由原子量的大小决定的；他应用比较法预言了应该有过渡元素存在，为建立包括所有元素在内的周期表作了准备。

实践证实了门捷列夫的论断，也证明了周期律的正确性。在化学的系统化过程中，周期律的发现是一个重要的里程碑。这个定律的重要性不仅仅是总结了前人的工作，将许多似乎毫不相干的事实用一个规律联系起来，并且指明了研究方向。元素周期律经过后人的不断完善和发展，在人们认识自然、改造自然、征服自然的斗争中，发挥着越来越大的作用。

有机化学的诞生

化学原子论的确立，使无机化学奠定在监视的理论基础上，也为有机化学提供了示范。“有机化学”这一名词1806年首次由瑞典化学家贝采利乌斯（Jos　Jacob　Berzelius，1779—1848）提出。当时只是作为“无机化学”的对立物而命名的。

早在18世纪末，化学家们就开始提纯和分析有机化合物。例如，氧的发现人之一、瑞典化学家席勒（1742—1786）分离出了酒石酸、柠檬酸、苹果酸、乳酸、草酸等，他还通过用硝酸氧化蔗糖的方法制得了草酸。其他一些化学家还从有机物中分离出尿素（1773）、马尿酸（1829）、胆固醇（1815）、吗啡（1805）等有机物。这一段时间，对有机元素的分析也得到了迅速的发展，如，泰纳（Thenard，1777—1857）等人成功地分析了蔗糖、乳糖、淀粉、蜡等有机物，确定了它们所含氮、氢、氧等元素的百分比。瑞典化学大师贝采利乌斯在1815年系统分析了柠檬酸、酒石酸、琥珀酸等有机物的成分，并在1830年发现葡萄糖与酒石酸的组成成分相同。1830年，德国化学家李比希（Liebig，1803—1873）还制成了有机分析仪器——燃烧仪，从而把有机分析提高到精确定量阶段。

有机化学之所以能产生和发展，是和维勒（F.Wohler，1800—1882）的工作是分不开的。维勒是瑞典化学大师贝采利乌斯的得意门生。他早年在德国求学，获博士学位之后，去瑞典留学，跟着贝采利乌斯继续深造。1825年从瑞典回国，专门从事化学教学和研究工作。他在1828年，成功地人工合成了尿素，并发表了《论尿素的人工合成》，从而填平了有机物与无机物之间的鸿沟，打破了“生命力”的学说，解放了人们的思想，开拓了有机合成的新道路。19世纪初，许多化学家相信，在生物体内由于存在所谓“生命力”，才能产生有机化合物，而在实验室里是不能由无机化合物合成的。维勒的实验结果给予“生命力”学说第一次冲击，此后，乙酸等有机化合物相继由碳、氢等元素合成，“生命力”学说才逐渐被人们抛弃。维勒以后，有机合成物不断增加。1845年，德国化学家柯尔柏（Kolbe，1818—1884）人工合成了醋酸；1854年，法国化学家贝特罗（Berthelot，1827—1907）合成了油脂类物质；1861年，俄国化学家布特列洛夫（A.M.Butlerov，1828—1886）合成了糖类物质。

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（Jacobus　Henricus　vant　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.Carnot，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.Schleiden，1804—1881）和动物学家施旺（T.Schwann，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（C.W.Nageli，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。

他首先考察株的高矮这两种性状的遗传情况，结果发现，矮株的种子永远只能生出矮株，因此它属于纯种。高株则不同，约占高株总数1/3的高株属于纯种，一代代生育出的都是高株，其余高株的种子生出一部分高株、一部分矮株。高矮的比例大约总是1∶3。这说明高株有两类，一类是纯种的，一类是非纯种的。孟德尔将矮株与纯种高株杂交，吃惊地发现，杂交生出的全是高株，矮株的性状似乎全都消失了。但是，将这一代杂交出的高株进行自花授粉，结果新一代1/4是纯矮种，1/4是纯高种，1/2是非纯高种。

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1/4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。

命运的安排使他作为官方科学家，出现在“贝格尔号”船上，进行了5年的科学考察活动。1831年，英国皇家军舰“贝格尔号”要进行环球航行，目的是发现和测绘南美东西两岸和附近岛屿的水文地图，同时完成环球各地的时间测定工作以及寻找一些有商业价值的矿物，但船上缺一名医生。一开始这个机会并没有给达尔文，而是想给另外两个人，当那两个人拒绝去的时候，这个机会才落到达尔文的头上。当时达尔文已经24岁，他父亲不同意他去，但他的朋友亨斯罗（Henslow）和他的舅父韦奇伍德都支持他。后来，韦奇伍德说服了老达尔文，终于同意他去了。但这时“贝格尔号”的船长罗伊（R.F.Roy）又不大想用他。总之，达尔文最后终于能登上“贝格尔号”舰，一方面是他自己的爱好和坚持，另一方面也是一系列偶然事件促成的。

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》。

在发现生物进化、自然选择的过程中，英国博物学家华莱土（A.R.Wallace，1823—1913）也作出了很大贡献。华莱士曾把他自己发现的自然选择与生物进化的论文寄给达尔文。达尔文看了非常吃惊，因为，华莱士的观点与达尔文的观点非常一致，而且表达得非常明确清晰，这促使达尔文抓紧写作，又经过13个月零10天的努力，终于在1859年最后完成了《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。