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博文

第八章 20世纪科学革命(中)化学 生物学…… 精选

已有 2610 次阅读 2017-3-3 09:40 |个人分类:科技史|系统分类:论文交流|关键词:科学 文化 20世纪 化学 生命科学 地质学 生态学

第二节  化学的深入与扩展

20世纪化学的发展可从本体论和认识论的角度分为两大部分。第一部分是化学基础理论的工作。主要在化学所积累的经验事实和来自物理学的有关经验事实(如光谱)的基础上,密切结合20世纪物理学的成果,探讨原子、分子的存在方式与变化规律,以解释经验事实。此外还有化学动力学的研究。这些理论进展使化学大为深入。第二方面的工作大致沿着经典化学的认识途径,结合物理学的新技术(X衍射),发现、认识并合成越来越复杂的化合物,逐渐步入生物大分子领域,从而大大开拓了化学的研究领域。此外还有无机化学等的进展。这两部分研究的关系是,后一方面的探索为前一方面理论的研究积累资料,并提出问题,开拓可供理论发展的广阔领域,并有待从理论上阐明自身。理论方面的工作则解释经验事实,提出预言,指导拓展方面工作的进行。两个方面发展的共同点是,研究对象都由低层次推进到高层次。但在同一时期,经典化学的扩展与延伸所涉及对象的层次,通常要高于理论研究对象的层次。就此意义上说,这方面的工作走在理论研究的前面,在开拓未知领域时更多地是在摸索中前进。由于20世纪化学中的理论研究实质上是物理理论向化学领域的渗透,因而在化学领域内理论的滞后现象正说明现成的物理理论不能直接用于化学领域,必须加以改造。不过在30年代量子化学诞生并获得迅速发展后,上述情况开始发生转变,逐步显示出理论的指导意义。

鉴于20世纪化学的发展可分为两个部分,因而对其分期也有所不同。理论方面的发展因与物理学关系密切,故分期与之相应,以1927年为界分为前后两个时期,另一方面工作较多涉及生物学,可以20世纪50年代生物学革命而划为两个时期。

一、化学理论的深入

20世纪初至1927年是理论发展的第一阶段,其核心是由经典结构理论到量子化学

上节谈到,物理学家在20世纪后开始对各种物质形态感兴趣,玻尔曾试图以“电子对轨道”来建立简单的分子模型。化学家如路易斯于1916年建立静止的立方体壳层模型,能较好地解释原子间的化合,并且成功地将经典结构式中的短线翻译成电子对。但由于量子力学尚未建立,同时也缺少光谱数据等实验依据,物理学家的模型并不成功,而化学家的静止模型也受到物理学家批评。

20世纪20年代到1927年是一个过渡期。化学家发现分子中电子或键的流动,这意味着传统的静止结构式的崩溃。美国化学学会主席班克劳夫特在1926写道,“凯库勒富有成果的概念对于我们的货架来说,已经没有多少货了”。化学家要求一种“可塑的、伸缩自如的图形。”同年,英果尔提出中介论,认为真实的分子是两个或更多“极限结构”间的中介状态,表明化学家正在抛弃机械论观念。联系到在当时的物理学中,正是德波罗意提出物质波概念,海森堡抛弃轨道概念以及尔提出互补原理。这是科学革命在人们思想上引起的变革,要求破除以那种孤立地、静止地看问题的方式,而要在联系和发展中去把握对象。混乱酝酿着突破,崩溃意味着革命。化学家们意识到“好像正处于一个知识的转变时期,处于另一个大发展的前夜”,期待物理学与化学的共同努力。1923年的一次重要的化学学术会议上,会议主席罗伯逊号召:“物理学家和化学家联合起来”。

1927年是20世纪化学理论发展的转折点,就整个化学由经验向理论过渡和化学家思想方式的变革而言,1927年同时也是整个化学的转折点。考虑到物理学在这期间的作用,也可以认为,在物理学革命的诱发下于1927年发生了化学革命。

第二阶段化学理论发展的主要特点是,正如量子论在原子结构的“怀抱”中形成量子力学,量子力学则在分子结构的怀抱中改造、发展其形式而形成量子化学,并以量子化学为核心建立现代化学理论。

量子化学的主要内容是价键理论、分子轨道理论和配位场理论。1927年,海特勒和伦敦首次应用共振概念来解氢分子离子和氢分子的薛定谔方程获得初步成功。这表明在引进新概念后,量子力学从处理原子结构开始进入分子领域——一门新的学科——量子化学正在形成。海特勒和伦敦的工作经鲍林等人的努力而发展为价键理论。1931年,鲍林提出轨道杂化概念,将量子力学与碳四面体结构联系起来。同年,他又对英果尔的中介理论进行改造,在量子化学的框架内提出共振论。鲍林还对氢键理论作出重大贡献,并于20世纪50年代前后得出蛋白质的结构。价键理论因与经典化学结构理论的渊源关系而受到许多化学家的欢迎,但在一些场合也遇到困难,特别在解释共轭分子时要用多个结构式,引入过多的经验因素,这在物理和化学理论性增强的潮流中不能令人满意。

1919,朗缪尔提出电子等价物概念,这是分子轨道概念的雏形。19261928年间,马利肯和洪特提出理想的“联合原子”和“分离原子”概念,初步得出选择分子中电子量子数的规律,从而在另一个角度为量子化学奠基。分子轨道理论把分子视为一个整体,克服了价键理论的一些困难。在分子轨道理论的基础上,伍德沃特和霍夫曼总结了大量实验资料,于1965年提出分子轨道对称性守恒原理,可用于指导设计化学反应。

配位场理论与价键理论、分子轨道理论三足鼎立。维尔纳在19世纪末开创了对络合物的研究。1952年,欧格尔把晶体场理论与分子轨道理论结合起来,提出了配位场理论。1962年,合成了第一个惰气化合六氟铂酸氙XePtF6),改变了70年来认为惰性元素不参加反应的观念。

20世纪来,化学动力学也获得很大进展。趋势是,对反应过程的时间划分越来越细,现已达到微微秒级,同时对反应物状态的研究也越来越细,如分别观察分子的振动、转动、平动能态对反应的贡献,现已深入到研究态—态反应,形成微观反应动力学。在研究中也应用激光等先进技术。近年来,化学动力学已受到越来越多的重视,说明化学家的注意力由静态的对象转向动态,转向过程,前述分子轨道对称性守恒原理也表达了这一点。联系到物理学中对恒星、元素、宇宙演化的研究,说明由研究确定的状态到研究过程,这一转化是20世纪科学发展的一大特点。有关内容将在后面进一步述及。

这一时期,催化理论在量子化学、表面化学、动力学以及凝聚态物理学的共同推动下也得到很大发展,并促进对生物大分子的研究。

以上回顾的各条线索均与量子化学关系密切,而对元素周期表认识的深入较多与物理学尤其是核物理有关。19世纪末,拉姆赛发现一系列惰性元素,对于完成周期表并为后提出原子模型有重要意义。1913年,摩斯莱发现原子序数定律,第一次将周期表与原子结构联系起来。1924年,玻尔等提出原子结构与周期律的关系即构造原则,此后又提出了泡利原理与洪特规则。随着核物理的发展,人工合成的元素逐一填补了周期表中的空白。元素周期表不仅综合了19世纪关于元素的知识,而且指导20世纪的有关研究。

回顾上述发展过程,化学在对物质结构层次的研究方面,由20世纪前从化合物到原子到电子的认识过程,转变为由电子与核到原子再到分子的认识过程,也就是由以分析为主到以综合为主,在量子阶梯上由下行到上升。从20世纪前主要回答“如何”与“是什么”即发现现象与实体,到20世纪后要回答“为什么”,通过阐明实体间的关系揭示现象的本质。在如此彻底变革的时期,化学家思维方式的变革有一滞后过程。如果说1927年前的化学仍是19世纪的传统,以及开始发生动摇与变化,那么在1927年后,化学家的思维方式逐步转向辩证思维,化学由一门重分析归纳的描述性学科发展为以综合、演绎为主导的重推理的学科。

上述变化具体表现在如下方面:首先,在教科书中,量子化学和结构化学的地位越来越重要。无机化学减少了对各族元素的描述,增加了化学键理论等内容有机化学由按官能团讲授到按电子轨道的类型讲授。其次,实验技术大大改进。在过去,“不摇试管的化学家不是化学家”;如今,仪器分析代替了重量容量分析,尤其是计算机的广泛应用,使实验的内涵发生深刻变化。发生这些变化的原因则是科学革命,是物理学,主要是量子力学向化学领域的渗透。

二、化学研究领域的扩展与延伸

进入20世纪以来,经典化学的研究领域有了很大的扩展,尤其是沿着量子阶梯向上延伸。前者主要指核化学、元素有机化学、星际化学以及无机化学自身的发展,后者意为化学逐步进入生物学领域。

20世纪初,发现许多元素具有放射性,在研究这些元素化学性质之时必然会涉及它们的放射性,于是化学便涉足核的世界。早在1815年,化学家普劳特就已提出氢是所有元素“母质”的普劳特假说。20世纪初,索迪提出同位素概念,劳厄说,“普劳特假说这个睡美人苏醒了”。1919年,卢瑟福首次实现人工核反应,从而使“现代炼金术”变为现实。核物理与核化学家正寻找及制备“超重核稳定岛”的元素,由此可认识更复杂的原子结构与核外电子的运动规律。近年来,由于同基本粒子物理的渗透形成所谓奇导原子化学,如正电子素和介子素化学,这将有惠于双方的研究。

20世纪无机化学的发展在理论上直接与凝聚态物理学有关,在实际应用上要满足各部门对特殊材料的要求。具体来说发展了氟化学、硼烷化学等,这两个分支在量子化学理论上有特殊意义。还有稀有元素化学,它同时推动了分析化学前进。

目前由于天文学与航天技术的发展,在天文学与化学的结合点上形成了一门新的学科;星际化学(或天体化学、宇宙化学)。通过对星际物质的研究,既推动宇宙学的发展,也拓展了化学的研究领域。

早在18世纪就有人制得元素有机物,20世纪初制得了重要的格氏试剂和用于防爆的四乙基铅。1951年合成了二茂铁,标志元素有机化学形成。这类化合物中特殊的化学键对于配位场理论有重要意义,对它们的研究也将大大推进对生命体内各种酶的认识。有人认为,这一“无机化学和有机化学的杂交物”代表了未来化学的方向。

20世纪初,在物理学向化学渗透时,化学也正向生物学领域延伸。化学与生物学的联系源远流长,在古代有炼丹术,近代有医疗化学。19世纪后,由于有机化学的发展,化学家开始接触越来越多的生物大分子研究蛋白质与核酸。化学家已认识了原子结构,原子与原子的结合方式,现在的问题是揭示蛋白质与核酸的结构。然而面对如此复杂易变的生物大分子,经典化学先分解、分析、后合成的方法已难以胜任。1912年来,布拉格父子等人逐步发展X射线结构分析法。40年代末,量子化学家开始用电子计算机处理由X线衍射等方法得到的数据。1949年,克劳弗得用新方法直接测定了青霉素的结构,显示了量子化学与新技术结合所产生的威力。生物大分子结构的测定反过来也为量子化学提供新的研究领域。新的理论与技术的结合使这一领域的研究有了突破。

1950年,鲍林提出蛋白质a与γ螺旋结构。1953年,克里克与华生提DNA的双螺旋结构。一门新的学科——分子生物学已经奠基。20世纪,化学在沿量子阶梯上升的道路上又跃上了一个新的台阶。

50年代后的发展大致沿着以下方向进行:首先是结构的研究。继续发现新的蛋白质、核酸,研究其结构,并协助生物学家阐明它们的生物功能。其次是人工合成生物大分子,这不仅是对所推测结构的检验,而且是人工合成生命的前奏。1965年,我国在世界上首次全人工合成具有生命活力的结晶牛胰岛素。1970年,美国柯兰纳小组将化学方法与生物方法相结合,合成了由77个核苷酸组成的核酸片断。第三条线索是对生命起源的研究。19世纪,巴斯德的实验结束了生生说与自然发生说之争。20世纪30年代,奥巴林重又开始研究生命起源,后为福克斯所发展。1953年,在华生与克里克揭示DNA双螺旋结构的同一年,米勒的实验表明,在原始地球上可能发生生成氨基酸等有机物的过程,在科学界引起广泛兴趣。生物学家化学家地质学家、天文学家和物理学家纷纷投身其中,生命起源问题成为科学的前沿。现在要求将生命起源的研究置于更为广阔深远的时空背景,即地球、太阳系、银河系以至于宇宙起源与演化的背景之中进行。第四,目前化学家开始对脑中起各种生理、心理作用的物质发生浓厚兴趣,设法提炼之并研究其结构与功能,从而试图由生命领域再跨入更高级的意识活动领域。化学向生物学的延伸还有一些其他分支,如生物无机化学、化学仿生学等。

对于化学向生物学渗透的前景,主要是人工合成更复杂的生物大分子以至生命,目前已从各个角度提出疑问。首先是在合成过程中遇到难以想象的困难,退一步说,即使合成了也不可能用于生产。其次,耗散结构理论认为,单用化学方法合成生命类似于超运算问题,即理论上可能而实际上不可能。在这种状况下,已经有不少科学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无法得到的物质。不能指望由分解现存的生命然后重组的方法来合成生命。生命是在历史的长河中形成的,有一个漫长的完善与进化的过程,因而正确的路线应循着自然史中生命起源的路线进行。必须改革“合成”的含义,引进历史的方法。化学家在20世纪初经历了观念的变革,在他们越来越深入地踏进生命殿堂之时,还必须在观念上作进一步的更新。

第三节  由生物学到生命科学一、孟德尔的重新发现

如前述,20世纪前,化学的认识途径是由现象揭示实体,由实体解释现象,对现象的研究和对实体的探索这两方面的工作紧密结合、不可分割。在生物学中总的情况也是如此,即可区分为对现象和实体的研究两条线索,但又与化学有所不同。首先,生命运动远较化学运动复杂,生命运动有三个主要方面,即新陈代谢、发育以及遗传与进化,分别由生理学、胚胎学以及遗传和进化论来研究。其次,在20世纪前,生物学家所面对实体是宏观可见的,如个体、器官、细胞等,至少用显微镜即可见因而不必如化学那样通过现象来揭示实体,而是由解剖学的发展而逐层深入。一旦揭示实体,即以此来解释现象,大致是解剖学进展到什么程度,就作出相应的解释。如在1718世纪揭示了若干器官后,就作出机械的解释,而在19世纪认识了细胞后即提出细胞的国家等。

19世纪下半叶,进化论一时成为注意的中心。或许只有一个人例外,他就是孟德尔。孟德尔认为,仅由生物外观的变化并不能说明进化。他从1865年开始用碗豆通过实验的方法研究遗传,提出以他的名字命名的孟德尔法则和遗传因子概念,表明在遗传中有某种不变的单元,在生物学史上第一次试图由现象来揭示实体。然而,孟德尔的工作淹没在进化论思潮中不为人知。1875年首次发现染色体,尔后又认识到染色体在遗传中不变。19世纪8090年代,魏斯曼设想,“遗传的实质,就是传递特殊分子结构的核物质”或“决定子”,染色体即是遗传物质的载体。1900年,在物理学革命的风暴中重新发现了孟德尔的工作,大大刺激了遗传学的发展,遗传学成为20世纪生物学的主流。遗传因子或决定子概念也为化学、物理学向生物学的渗透作了准备。

可以以1953为界把20世纪生物学的发展区分为前后两个阶段。第一阶段是从各种现象揭示蛋白质与DNA并阐明其结构;第二阶段力图由DNA出发解释各种生命现象。

二、DNA——生物学之所趋

孟德尔工作的重新发现揭开了20世纪生物学的第一阶段,生物学家从信念中清醒过来,回到实际之中。在哲学家接过进化思想的同时,遗传则更多地占据了生物学家的心。寻找遗传中的代代相传者,这不仅是近代科学由现象揭示实体的传统,更是2000年来哲学的传统——在变化之中追求不变物。20世纪上半叶生物学发展的状况是,以遗传学为主,结合对细胞生化过程的研究,再加上化学与物理学的参与,揭示出遗传物质并确定其结构。DNA双螺旋模型建立是遗传学派生化学派和结构学派共同研究的成果。

遗传学方面,摩尔根以果蝇为实验对象取得了一系列成果,于1928年发表了总结性的《基因论》,确定把“基因定位于染色体上”。20世纪40年代,以德尔伯里克为首的噬菌体小组开展了遗传学研究。1944年,艾弗里等人以实验证明DNA即基因,是遗传信息的载体。然而,由于历来认为蛋白质是生命中最重要的成分,误以为是蛋白质具有遗传功能;再者,当时人们认为DNA由四种核苷酸有规则的单调重复,不可能带有遗传所需的大量信息。蛋白质则复杂得多,可以携带大量信息,于是对艾弗里的工作仍持怀疑态度。1952年,查可夫证明,核酸中四种核苷酸可以含量不等,任意排列,从而清除了上述疑虑。同年,噬菌体和同位素的实验再度表明DNA是遗传物质,在科学界产生直接和巨大的影响,各个学派把注意力集中到DNA的结构上。

生化学派也有很大发展。20世纪20年代,缪勒等人设想,细胞核有控制细胞代谢的作用。1940年,比德尔与塔杜姆关于红色面包霉的研究揭示,基因的变化会导致相应的酶消失。这一工作标志生化学派和遗传学派开始结合起来。次年,他们宣布“基因与酶的特性是同一序列的”。1946年,塔杜姆提出“一个基因一个酶”的假说。生化学派的工作揭示了DNA在生命运动中的另一方面功能。

20世纪上半叶,在通往DNA的征途上的主力军是结构学派。摩尔根写道,“像物理学家和化学家假设看不见的原子和电子一样,遗传学者也假设了看不见的要素——基因”。他在1928年预言,基因“代表着一个有机化学实体”。物理学家和化学家开始进入生物学领域。上一节已经部分述及化学家的有关工作。30年代初,玻尔在“光与生命”一文中指出,化学家和物理学家进入生命领域时必须在思想方法和实验方法上作重大改进。19361937年,包括玻尔、薛定谔、德尔伯里克等人在内的物理学家,有机化学家晶体学家遣传学家等两次聚会讨论基因的结构。1944年,薛定谔发表《生命是什么?》一书,提出非有序晶体负熵、遗传密码等一系列新概念,对生物学的发展产生深远影响。结构学派的主要成员华生、克里克和维尔金斯即由此而从事DNA结构的研究。其时,新的实验技术也开始在这一领域发挥作用。阿斯特伯里于1938年首次研究DNAX射线衍射图,认为DNA纤维具有周期性。

通往双螺旋模型的最后一步,是将遗传、生化和结构学派的成果结合起来。华生原属遗传学派,后与结构学派的克里克合作。华生从生物的遗传、复制、配对等现象认识到DNA应由两条链组成,而不是如鲍林所设想的三条链。查哥夫的工作则为确定双螺旋结构中十分关键的“碱基配对原则”奠定了化学方面的基础。结构学派的富兰克琳所拍摄的DNAX衍射照片和有关见解具有重要作用。于是,三方面的努力结合起来,终于在1953年获得成功。

DNA双螺旋结构的揭示在生物学史上具有划时代意义。从此,对生物的新陈代谢、发育以及遗传与进化的研究,都将在DNA的基础上进行。如同原子结构提供给化学的那样,DNA分子结构也给生物学提供了一整套说明现象的极其多样性和说明事物组合的极其多样性的原理和性质。

三、DNA——生物学之所由

20世纪50年代后,生物学的发展大致沿以下线索进行:深入研究DNARNA和各种蛋白质的结构;由DNA来理解各种生命现象;探索生命起源;研究更高级的运动,即开展对大脑及意识的研究。在上述过程中,提出或应用一些新的理论,如系统论、耗散结构理论、超循环理论等。

上一节中已经提及化学家在结构方面的工作,这一领域已很难区分化学家和生物学家的贡献。随着对生物的研究深入到分子水平,古老的生物分类学有了新的依据。

生化方面的工作是由DNA出发阐明新陈代谢过程。1954年,伽莫夫首次提出“三联密码说”。1961年,尼龙贝格揭示了第一个密码,引起轰动。至1966年,64种密码全部破译。在信息流动的中心法则提出后不久,20世纪70年代又发现“逆转录酶”和反中心法则,同期雅可布·莫诺等人的工作揭示了生命运动中分子与生物大分子水平复杂的调控过程。

进化必须在遗传的基础上进行,由偶然的突变方能发生,因而必须采用统计方法。1894年,毕尔生的工作奠定了生物统计学的基础。20世纪20年代,物理学中哥本哈根学派与爱因斯坦关于概率决定与严格决定的争论也波及生物学领域1953年,DNA结构的揭示为进化论注入新的活力。

将生物的进化沿时间的长河回溯即面对生命起源问题。米勒1953年的实验引起各专业科学家的浓厚兴趣。到70年代中期,已能模仿原始地球的环境合成蛋白质所需的20种氨基酸,以及组成核酸的小分子。下一个问题是,这些生命的基石如何进一步组织起来形成生物大分子。由于星际化学的发展,科学家日益强烈地意识到,必须在地球起源、太阳起源以至宇宙起源的背景上开展对生命起源的研究。

与进化论和生命起源问题有关的还有发育问题,因其极端复杂而进展不大。有人提出将海克尔的生物重演律推至分子水平,同时要求在建立DNA模型之后的今天建立染色体模型。

在化学逐步进入生物学领域之际,生物学也悄然踏进心理学的门坎,如用微电极测定单个脑细胞的活动。1960年,有人提出核酸是记忆的物质基础,即关于记忆的分子假说。现代生物学还通过它的分支进入社会科学领域,例如社会生物学,研究动物的“社会行为和它的生物学基础”;再如人类生物学,研究人类的起源、地理分布、人口平衡等。

在阐述20世纪50年代后生物学的发展时,还必须提及与此密切相关的耗散结构理论。在本章第一节中对此已有所提及。科学家发现,在生物进化与热力学第二定律之间似乎存在巨大的矛盾,普里高津在非平衡态热力学的基础上经多年努力,于1969年提出具有里程碑意义的耗散结构理论。该理论揭示,在体系从无序走向有序的过程中,体系内部随机涨落、远离平衡态,以及环境等因素的重要性。耗散结构理论不仅在本体论上揭示出自然界中所发生的自发过程,而且在认识论与实践论上给人以深刻启示。

四、由生物学到生命科学

19世纪末20世纪初,生物学领域机械论和还原论盛行。随着物理学革命的深入,新思想逐步取代传统观念。科学家们开始认识到,还原只是一种方法,而不应成为一种主义。还原使我们得到了知识,但由此也失去甚至更重要的部分,这失去部分只有通过其他方法获得。玻尔指出,“生物系统的复杂性具有基本的意义”。针对还原论,科学家提出机体论,教阶理论和发生论等。玻尔以元素为例说明了这一点:“虽然有关于游离的质子、中子和电子的知识,然而我们并不能在此基础上预言元素的性质。相反,对元素性质的研究倒教给我们许多关于质子、中子和电子的性质。”亚里士多德在2000多年前就精辟指出:“潜在的东西,它的完全的现实性就是运动,运动(即新的运动方式)只发生在完全的现实性存在的时候,既不迟,也不早。”生物学史专家艾伦指出,20世纪生物学家观念的变化,“……不仅是一个复杂的理论取代了一个较简单的理论,而且是一种……哲学为另一种哲学所取代,机械唯物主义为辩证唯物主义所取代”。

思潮的上述变革直接体现在具体方法上。研究生命起源的权威福克斯强烈反对在这一领域所采用的“重组”reassemble方法,认为这一研究虽然使我们获得知识,但并未告诉我们在自然史中生命起源和进化的真实情况,生命的特征如何一步一步发生,实际上是将经亿万年进化的现存的生物及它们的DNA,蛋白质等同于混沌初开时的原始形式,简言之,没有贯彻历史的观点。他主张,对生命起源的研究应遵循“由古及今,从简到繁的路线”。

观念变革的另一个表现就是由离体的研究转向体内的研究。长期来在生物学领域的实验中,都是把研究对象或环节从生物体的全部生命过程中孤立出来作离体的研究。从近代科学兴起之时的解剖学,到19世纪末对酶的生化研究,以及20世纪巴甫洛夫从事条件反射研究的有关实验等等。随着研究的深入,生物学家们越来越认识到,不同于物理学或化学领域,在生物体内在细胞内,所有成和各个环节都彼此相关,形成统一的整体和不可分割的过程。离体实验并未告诉我们真实的生命过程。由此可以回想起第五章所述及的在生理学兴起初期教士们反对作血液流动的实验,认为这种实验违背自然,犹如把受惊的母鸡赶向错误的方向。在认识的初期,必须采用分析方法,而到了一定阶段,认识就将转为以综合为主。

有必要将1953年开始的生物学革命推向前进。与物理学革命相比,生物学革命远为艰巨。在前者发生后的30多年中,量子力学解释了核与电子形成原子的过程,量子化学开始理解原子与原子怎样形成分子。生物学革命开始至今已半个世纪,人们还不清楚分子何以生成生物大分子,仍在探索生命起源的奥秘。在物理学革命中,科学家可以成功地由原子结构推知元素的性质,由分子结构推测分子的性质;然而在生物学揭示了蛋白质和DNA的结构后,至今仍未能以此阐明全部生命现象。华生与克里克所揭示的只是DNA晶体,而不是存在于生命过程中的物质。要揭示生命的奥秘,还必须考虑到细胞中的全部成分,它们之间的复杂关系和变化过程以及细胞与环境间的相互作用。这就有待于生物学家和物理学家、化学家等的共同努力。  

在生物学的深入发展中,在其他学科向生物学的渗透中,一门新的学科——生命科学正在形成之中。生命起源的研究和对生命本质的理解都需要各门学科的共同参与。生命科学的形成除了前面已述及的方面外,还具有以下因素首先,生命问题历来是科学家和哲学家所关注的对象。与物理学的前沿问题相比较而言,生命问题因其与人类,与社会的密切关系而倍受青睐。同时,物理学前沿的理论在目前阶段还很难得到应用,生命科学的成果则较易物化。其次,在物理学、化学等学科日渐抽象之时,生命科学至少在现阶段还较易理解。第三,更重要的是,正是在生命科学领域中孕育了许多新的思想,例如系统论、超循环理论等,其他新理论如信息论、控制论、耗散结构理论、协同学等也都在这一领域得到卓有成效的应用。这一点也引起众多科学家的兴趣。最后,从本质上说,20世纪来科学沿量子阶梯朝着两个方向发展,一端探索宇宙的起源,另一头则指向生命。生命作为高级运动形式,包含了所有的低级运动形式,因而物理学家、天文学家、化学家、地质学家和生物学家等组成的集团共同研究生命起源与生命本质是科学发展的必然趋势。生命科学在未来的发展必然如同它的研究对象一样富于生命力。

第四节  地质学、生态学一、地质学沿革  

早在1620年,F·培根就发现南美洲东海岸和非洲西海岸可以像玩具拼板那样准确地拼起来。1912年,在19世纪地质学成就的基础上魏格纳提出大陆漂移说,引起地质学界争议。后来又出现海底扩张说,于1963年得到证实。1965年,威尔逊首次把大陆漂移和海底扩张说联系起来,提出板块学说,其中还涉及板块的俯冲等垂直方向的运动。于是,人们就从19世纪地质学关于地球的表层以及局部的理解发展到研究地球的内部和整体的运动。

在将现象联系起来的同时,地质学家也着手研究地壳变动的原因。20世纪初,瑞利爵士等通过理论研究第一次提出,在一个下方受热的粘度均匀的地层上会发生对流现象,这一见解现已得到普遍赞同。目前,正在应用高压技术对地幔深处的地质作用进行模拟,同时也开展计算机模拟。这些工作表明,在地质学中也开始使用实验方法和计算机。

然而进一步的研究指出,对流运动并不对称,度并不均一,有必要从两个途径即宏观和微观上深入了解地球内部的组成和结构。地质学家通过地震波探索地球的内部结构,发现了地核(又分内核与外核)、地幔等多层结构。化学家与矿物学家则研究地幔和地核物质的微观组成。现在,这两个方向的研究正在结合起来,阐明由外层到内层随着压力的增大矿物形态的变化。

现在已普遍接受“地球是一受内热驱动的发动机”的观点。但是内热又来自何方?内热可能来自地球形成之时宇宙尘埃碰撞所产生的热,来自地球本身的引力收缩,以及来自地球内部的放射性物质等。于是,如同宇宙学和生命科学,地质学的研究也归结到起源问题。再者,对地球演化的研究认为,在地球的演变中存在非线性过程。19世纪居维叶的突变论在20世纪的地质学中重新找到它的位置

显然,唯有立足于太阳系才能说明地球的起源与演变;地质学家要求对其他行星的“地质”作比较的研究,由于航天技术和遥感技术的发展,这一设想正在变为现实,“比较地质学”正在形成之中。

二、生态学的2000年与40

生态学这一名词最早由海克尔在1869年提出,实际研究由来已久。中国古语“螳螂捕蝉,黄雀在后”即是对生态关系的形象描述。古希腊哲学家泰奥法拉斯特注意到植物与环境的关系,被认为是第一个生态学家。在近代,布丰、马尔萨斯、达尔文等都在生态学领域有所建树。1935年,坦斯列提出生态系统和生态平衡概念,并从物质循环和能量流动的角度加以研究。此后,林德曼细致考察了沼泽中的生态系统。总的说来,到20世纪50年代,是生态学逐步形成的历史。

20世纪40年代后期,贝塔朗菲的系统论思想开始为科学界接受,也成为研究生态学的指导思想。1953年,奥多姆大大发展了生态系统的思想。生态学也开始应用先进的技术对群体进行研究。由个体生态学发展到群体生态学,这正类似于生物学中由离体实验到体内实验的发展。计算机也进入生态学领域,用以摸拟生态系统。新思想和新方法的形成与应用,标志古老的生态学进入了新的发展阶段。

目前,由于环境危机,环境科学受到格外重视。古代即有研究人与自然环境关系的地理学气象学等,由于人类未曾大规模改造自然,因而这些学科并没有涉及改变了的环境反作用于人这样的环境问题。随着工业革命兴起,发生水和空气的污染并发展了相应的技术,但并未形成理论。恩格斯敏锐地觉察到这一问题,警告要当心大自然的报复。20世纪50年代后,一方面由于环境危机的加深,另一方面也由于各门科学技术的发展,因而有必要也有可能形成环境科学。现在,环境科学既要研究微观世界中离子、原子、分子与细胞、微生物那种局部而短暂的相互关系,又要从宏观上,从人类的形成及演变、从全球以至更大范围这样的时空尺度上理解环境问题,需要各门学科,并关系到社会学、经济学等社会科学领域。

为了人类与自然界的协调发展,生态学和环境科学将日益显示其重要性。



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