生物学实验的产生和发展

第一章生物学实验的产生和发展生物学是一门实验的科学，特别是现代生物学，离开了实验，几乎就不能发展。严格地说，生物科学实验是建立在近代自然科学发展的基础上的，但建立的过程经历了早期人类的自然观察到对生命活动的探索，研究等一系列实践活动这条漫长的道路。第一节早期人类的实践活动人类是从古猿进化而来的。无论是人类还是古猿，其生存都要和其他生物发生关系。人类告别了猿类之后即开始对自己赖以生存的各种生物进行有意识的认识，并通过自己的观察及实践活动收集和积累有关的知识。如果可以将这些称之为原始的生物学，那么从某种意义上讲，生物学是和人类及其实践活动一起诞生的。一、原始人的自然观察在长达二三百万年的人类历史中，大约99％的时间是在原始社会中度过的。人类真正有意识地认识生物，是从采集和狩猎开始的。人类通过长期观察和实践，对不同植物以及同一种植物的不同器官进行识别，并进一步认识哪些植物的哪些部分是可以充饥的、适口的，哪些是有毒害的，在什么季节可以釆到什么植物。随着工具的改进和火的使用，人类主动地猎取各种动物以补充自己的食源。他们开始注意观察不同动物的形态特征和生活习性，以便利用它们的弱点去更有效地捕获它们。从采集到狩猎，原始人并没有摆脱依赖天然食物而生活的历史，直到种植和驯养的出现，才标志着人类可以按照自己的需要在自然界中获取生存的必需品。据考证，大约从旧石器时代向新石器时代的过渡时期(约1万年前)开始，就有了种植业。在西亚(今土耳其境内的萨约吕一带)发现有1万年前种植小麦的遗迹，在我国浙江余姚也发现了六七千年前的大量炭化稻谷。可以想像，人类在长期的自然观察中，注意到有些植物的生长是靠着开花后结的种子落地而周而复始的，于是尝试着将采集到的种子埋在土里，当小苗长出后细心侍候，最后他们得到了更多的果实和种子。他们成功了，种植业也随即开始了。在种植的过程中，人们要不断地了解不同作物的生长习性，适时播种和管理，并逐步积累一定的经验。如果种植业可以被看做是人类最早期的探索实验，那么其操作方式就是“刀耕火种”，最原始的工具是粗陋的石斧、石锄等(图1—1)。原始人用石斧将树木砍倒，然后晒干并放火烧掉，腾出空地挖坑播种，在收获的季节，用石镰将作物割下，用石碾加工为粮食。当然，这些所谓的“实验”是我们现代人对它的命名，它距离今天意义上的“实验”相差甚远。原始人对生物的认识，更多的是靠着自然观察和在生活实践中的尝试。然而，没有原始人的各种实践和尝试，今天的“实验”也就成为无源之水、无本之木。二、古代生物学实验的萌芽原始人对生物的认识，仅仅是为了自身的生存，而进入文明社会以后，人们开始有目的地对各种生物的形态、习性进行理性的探索。公元前1000年，中国的《诗经》就有了大量关于动、植物知识的记载，不过，这些都是人们对自然观察的描述，酿造业可以说是古人们比较系统地进行“生物学实验”操作的典型代表。传说在大约公元前2000年的中国夏代，人们就已经知道酿酒了。有文字记载的是公元前1600年的殷代，人们用曲蘖制酒。曲是长了微生物的谷物，蘖是发了芽的谷物，在这里，蘖起淀粉糖化作用，曲起酒精发酵的作用，这是世界上利用曲霉最早的记录。以后，酿酒技术就在此基础上发展起来了。比较详细记录其操作程序的是《周礼》中的“五齐”。“五齐”是指发酵过程中的五个主要阶段：一是“泛齐”，这是发酵初始谷物吸水膨胀泛浮的阶段；二是“醴齐”，即淀粉进行糖化作用阶段；三是“盎齐”，即发酵时糖转化为酒(即乙醇)和二氧化碳，冒出气泡的阶段；四是“醍齐”，在这个阶段，酒的浓度逐渐增加，醪液颜色变深；第五个阶段是发酵终止，酒糟下降，称“沉齐”。“五齐”的提出，是符合酿酒发酵的科学规律的。大约到了汉朝，即公元前200多年，我国酿酒已经只用曲而不用蘖了。当时由于制曲的时候利用了某些条件，使曲里含有大量混杂生长的霉菌和酵母，分别起着淀粉糖化和酒精发酵的作用，使糖化和酒精发酵两个过程既连续而又交叉地进行，这种方法就是现代的复式发酵法，也是我国独特的酿酒方法。至今，西方的酿酒仍然用麦芽糖化后再加入酵母进行酒精发酵两道程序。当时，我国不仅在酿酒技术上有很高的水平，在发酵技术方面也有很多突破，如用酸浆调节发酵，加醋或油以消除泡沫产生等。在酿酒技术发展的同时，利用乳酸菌发酵来加工贮藏蔬菜，酿醋、制酱等技术也都有了很高的水乎。《周礼·天官》中就有关于醯人的记载，醯人是负责掌管酿醋的人员，这说明当时酿醋生产有了相当的规模。关于杂交实验的最早记载，是公元121年我国东汉时期的许慎所著《说文》中提到的“赢，驴父马母者也；驮騠，马父赢子也，，(赢即骡)。《说文》中还指出，雄驴和雌马交配，雄马和雌驴交配，其子代是有区别的。“驮骊”一词，早在秦朝以前即已出现，这说明当时已经育成了马父驴母的杂交骡。大约在公元前600年，古希腊生理学家阿尔克迈翁(Alcmaeon)即对人和动物的尸体进行了解剖。他提出的“脑是智力的器官”及“人脑具有理解力，而动物大脑只能觉察不能理解”的观点，就是建立在他的动物解剖实验的基础上。阿尔克迈翁的研究为人体解剖学和生理学开创了先河。被西方称为“生物学始祖”和“动物学之父”的古希腊哲学家、动物学家亚里士多德(Aristotle，公元前384一公元前322)曾对540种动物进行了分类，对其中50多种动物进行了活体解剖观察，并做了详细记录。如他研究了一种多刺的角鲨，发现它与其他的鱼类将卵排入水中不同的是，卵在雌鱼体内发育成幼鱼才出生(这种“胎生鱼”直到19世纪才被再次发现)。他还对小鸡在蛋壳中孵化的21天进行了详细的观察和记录，发现小鸡生命的第一个信号是在开始孵化后的第4天出现的一个跳动点，即心脏的搏动。亚里士多德不仅将观察到的现象描述下来，还绘制成图。古罗马医生盖仑(Galen，129—199)也曾经做过很多生理实验，以至于有些论著称盖仑为最早奠定生理学基础的学者。在解剖生理学方面，他的最大贡献是在肌肉和脑神经方面。通过动物解剖及实验，他能认出7对脑神经及其功能，并揭示出脊椎分段切割的作用，他还观察了尿从肾脏流经输尿管至膀胱的途径。盖仑还特别注意解剖的方法。在当时，罗马已经有了很多的解剖器械(图1—2)，盖仑在他的《论解剖操作》专著中论述了很多解剖、观察的方法。像阿尔克迈翁、亚里士多德、盖仑这样，为了认识自然现象而自觉地通过简陋的手段专门进行一些观察和比较，可以看做是科学实验的先驱。在中国古代就曾有“神农尝百草，一日而遇七十毒”的传说，这也可以看做是采用“试错法”而进行的一种鉴别实验。当然，古人们的这种探索实验由于其手段简单、工具简陋和方法的局限，有很多是不完善、不科学甚至是错误的。例如，亚里土多德通过解剖哺乳动物而得出“心脏的右腔大于左腔”和“动脉管里是空的，只是充满了空气”等错误结论，这是因为刚刚宰杀的动物心脏突然收缩，左边由于血液大部分射出而已经瘪下去，右边却常常还有部分充血，因此看上去左边比右边小。同样，盖仑关于血液运行的认识也是错误的。他甚至认为每一个器官都是为了一个目的而被神圣地制造出来，并主观地认为，肠子里的食物由静脉携带到肝脏，在那里吸取。自然灵气”(naturalspirit)而被制造成血液，这些血液一部分经过静脉到身体各部分被吸收，另一部分被送到心脏右腔，通过左、右腔之间“看不见的微孔”进入左腔，在那里接受“活力灵气”(vitalspirit)，从左腔流出的血液到达脑，在那里获得最高的“动物灵气”(animalspirit)(图l—3)。古人的这些错误是完全可以理解的，在那个年代，受各方面的局限，他们只能将自己看到的事实描述下来，或者按照自己的推断做出或对或错的结论。但是，一些错误的观念，如盖仑关于血液运行的理论和他的“三灵气学说”，正好与中世纪的宗教教义相符合，被认为是基督教解释自然和生命现象的理论基础，而被视为神圣不可动摇的经典。因此，从公元2世纪到16世纪的长达1400年中，盖仑的理论一直占有统治地位，以至于阻碍了生物学实验的发展。三、古代生物学实验的特点第一，以观察为主的手段和以描述事实为主的结论是古代生物学实验的一个主要特点。无论是对生物的分类，还是对生命的探索，都是对观察结果的描述。第二，处在萌芽时期的生物学实验，还没有从以经验为主的劳动实践中分化出来，其实验的目的和内容是直接获取人类所需要的物质，其技术手段是生产实践中的经验积累。第三，以探索为目的的生物学实验还没有完全摆脱原始的思辨，即还没有完全从自然哲学中分化出来，如亚里士多德、益仑等进行的探索实验，很多是依赖于对自然的想像，因此对观察到的事实做出了很多错误的解释。第二节近代生物学实验的建立与发展在西方，经历了科学上的漫长的黑暗和禁锢时期，到15世纪下半叶，终于进入了一个新的时期——文艺复兴时期。近代自然科学是从这样一个伟大的时代算起的。一、生物学实验的先驱在资产阶级从封建社会里产生和发展的同时，新的生产方式的产生和发展也为科学的发展和科学实验的产生创造了条件。文艺复兴时期是一个需要反封建并产生反封建强大思想武器的时期，是一个需要科学巨人并造就科学巨人的时期，是一个需要科学实验并建立科学实验的时期。近代自然科学之所以成为科学，是与科学实验研究方法分不开的。用实验方法去揭示生命规律，去证明古人在直观认识上所提出的一些思辨原理，并纠正古人由于观察的片面性而产生的错误认识，是生命科学发展本身的要求。因为凭直觉观察很难说明事物的本质，所以人们要求在有控制的、人为的环境下进一步研究生命现象的真谛，探索生命活动的规律。因此，在生物学中，建立科学实验已经成为时代的要求。然而，生物学实验在走向科学的道路上经历了艰难和曲折，那些以实验为手段，以事实为依据，探索生命科学的先驱，甚至付出了生命的代价。早在文艺复兴时期前的13世纪，英国学者罗吉尔·培根（RogerBacon，1214—1294)就成为倡导实验的先驱。他提出：“应当依靠实验来弄懂自然科学、医学、炼金术和天上地下的事情。”他认为，实验科学是完善的科学，无论推论多么有力，也不能提供确定性，除非得到实验的证明。罗吉尔·培根本人不惜重金购买了各种仪器，自己动手做了大量的实验。例如，他科学地记录了凹镜和透镜的焦点位置与散度，并提出运用其原理制造望远镜和显微镜的设想，但由于他的这些行为触犯了宗教神学而被监禁24年。文艺复兴时期的巨人之一—列奥纳多·达·芬奇(LeonardodaVinci，1452—1519)不仅是艺术家，而且是数学家、解剖学家和生理学家。他倡导科学实验，首先开始了对古代人体解剖学说的改造。在中世纪，在人体解剖学方面占统治地位的是古罗马医生盖仑的学说。达·芬奇敢于对已经写进教义的理论持怀疑态度，他不顾教会的禁令，在物理学、化学、生理学等方面做了大量实验，并亲自解剖了10多具尸体，获得了丰富的人体解剖的资料。他绘制了750多幅人体解剖图，还利用热蜡注入脑室空腔，制作了世界上第一个脑室模型，并创立了研究软组织的连续切片技术。他提出：“实验是一切自然现象研究工作所必须遵循的方法。”对古代人体解剖学说的改造做出最大贡献的是比利时医生维萨里(AndreasVesalius，1514—1564)。维萨里很早就提出：“我要从对人体本身的解剖来阐明人体的构造。”为此，他不顾教会禁令，经常在深夜到郊外无主墓地或刑场去取回残骨或尸体进行解剖。他以实际的人体解剖揭示的事实纠正了盖仑200多处错误，用实验材料驳斥了《圣经》上关于上帝造人的谬论，并在此基础上，于1543年出版了《人体的构造》一书。该书第一次在解剖实验的基础上全面、系统地揭示了人体内部的真实构造，揭开了人类认识自身的新篇章。在书中，维萨里还科学地绘制了很多解剖图(图l—4)，这些图很多被作为艺术品而保留至今。维萨里的研究道路是艰难的，他最终被教会判处去“圣地”耶路撒冷赎罪，在归途中由于船只失事而死于异国他乡。继维萨里之后，他的同学西班牙医生塞尔维特(Servetus，1511—1,553)又有许多新的发现，并从解剖学方面的观察逐步转移到对机体生理活动的研究上来。塞尔维特仔细研究了血液涌向肺脏的情况，他发现，血液从右心室流入左心房不是经过中膈