生物学实验的产生和发展.doc

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11)。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，129199)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12)，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l3)。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（Roger Bacon，12141294)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(Leonardo da Vinci，14521519)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(Andreas Vesalius，15141564)。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l4)，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，15111,553)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上的孔，而是经过肺脏作了一番“旅行”，转变成新鲜的血再回到左心房。这就违背了盖仑的血液运行学说。塞尔维特在1553年出版的基督教的复兴一书中，将自己的发现公布于众，并批判了盖仑的“灵气说”。由于他的观点触犯了教义，亵渎了圣经，1553年10月27日，宗教法庭判处他死刑。二、生物学实验的建立维萨里、塞尔维特等作为科学实验倡导者的先驱，为探索生命的本质而献身，而他们最初的探索，还是没有完全摆脱以“考察事实”为主的解剖实验。真正开创以科学研究为主的生物学实验的是英国生理学家、医生威廉哈维(William Harvey，15781657)。在前人研究的基础上，哈维通过自己的科学实验明确提出人体血液循环理论。首先，哈维通过计算血液量的办法推断出血液只能是循环不息的。哈维解剖过128种哺乳动物，并详细地观察它们心脏的搏动。他估计左心室的容量大约是0.057千克，心脏的跳动大约是每分钟72次，进一步计算，1小时内从左心室里排出的血量大约为245千克，相当于一般人体质量的34倍！这么多的血，不可能在l小时内由肝脏制造出来，也不可能这么快在肢体末端被吸收掉。盖仑关于血流运行的理论显然是错误的。那么，惟一可能的是血液在全身做一种闭合的循环流动。为了使自己的推测得以证实，哈维开始转入长时间的实验研究。他进行了大量的动物活体实验，打开动物体腔，注视着动物的心脏，随着有节奏的收缩和舒张心脏忽而苍白，忽而泛红，收缩时心脏壁变硬，舒张时又变得柔软，将心脏切开一个小口时发现，收缩时，血液以喷射的方式排出心脏，而舒张时则缓缓流出。于是哈维得出了他关于血液循环的第一个结论：心脏是一个泵，当它收缩时，将血液泵出；舒张时，又将血液吸满。为了证实血液从心脏射向血管时血管的作用，哈维又进行了一系列的实验。当时，解剖学家们普遍相信血管的收缩是靠它自身的力量。哈维认为，只有通过实验证实才能下结论，于是，他着手对动脉进行研究。他仔细地观察血管伴随心脏的收缩、舒张而发生的变化：当心脏收缩时，动脉充满了血，同时扩张；当心脏舒张时，动脉管壁又弹回。哈维把动脉的这种扩张与弹回的运动称为“脉搏”。当心脏剧烈跳动时，脉搏也加快，而当心脏停止跳动时，脉搏即消失。哈维将动物的一条动脉切开，发现心脏收缩时血液大量涌出，当血液枯竭时，脉搏也就没有了。根据这些实验现象，哈维认为，动脉扩张是由于心脏收缩时射出的血液使得动脉被填充而形成的，动脉自身没有力量形成脉搏，脉搏是由于心脏的运动造成血流的冲击而产生的。哈维进一步又做了血管结扎的实验。他用带子结扎了动脉管，发现在结扎处上部，即靠近心脏一端的动脉膨胀，并随着心脏的跳动而蠕动；相反，在结扎处的下部，即离心脏较远的地方，动脉很快瘪下去，脉搏也消失了。哈维切开结扎处下部，那里已经没有血了，而切开结扎处的上部时血液进射出来。哈维用同样的方法对静脉进行结扎，出现的结果与上述相反。为了进一步证实静脉的作用，他又认真研究了心脏瓣膜和静脉瓣膜，他发现，在心脏每一侧，心房与心室的瓣膜都是单向结构，这与静脉瓣膜结构相同，因此确认这些瓣膜是控制血流方向的。哈维在自己的身上做了如下的实验，以证实瓣膜的作用：用手握住一根木棒，并用绷带绑住这只胳膊，在绷带以下沿着可见的浅表静脉会出现一些突起，这些突起是静脉瓣膜处积存的血液造成的，用一个指头按压突起以下的静脉，把血往上挤，当把手指移开时，静脉又被从下面来的血液充满了(图16)。哈维还在动物体内做了另外的实验，以证明血液流动的方向。他将一根细金属针插进动物的静脉，追踪它的前进路线，发现很难将金属针向静脉的支脉推进，而当他把金属针从静脉下方向心脏端推进时，瓣膜则像闸门一样打开。哈维将上述一系列实验的现象和结果经过一番推论，得出了如下的结论：动脉把血从心脏带出，而静脉把血送回心脏。1628年，哈维在经历了13年的大量实验研究的基础上发表了他举世闻名的著作动物心脏与血液运动的解剖学研究。在该部著作中，哈维将自己的实验结果与塞尔维特的关于肺循环的发现相结合，论述了“在动物体内，血液是在循环不息地流动着的”观点，并对血液循环的途径进行了一个完整的描述。哈维的研究之所以获得成功的重要原因，是他应用了正确的研究方法在观察事实的基础上提出假设，并通过实验来证实假设。这种方法可以说是近代科学的一种研究方法。血液循环的发现，标志着建立在实验和精密测量基础上的实验生理学的建立。不仅生理学，整个生物学不再是靠思辨的推理，而是进入了以实验为依据的时代。正如恩格斯所说：“哈维由于发现了血液循环，而把生理学确立为科学。”三、生物学实验的发展哈维之后，生物学实验开始在生理学、微生物学、细胞学、遗传学等领域迅速发展起来，同时又推动了这些领域的发展。近代资本主义工业的巨大发展，使得科学实验又获得了许多先进的仪器设备。显微镜的出现和改进，证实了哈维的推断：动脉末梢与静脉之间由极细小的血管分支或称“组织孔”连接。1661年，意大利解剖学家马尔比基(Malpighi，16281694)利用显微镜看到了青蛙肺里连接静脉和动脉的“微血管”。在微血管中，他看到血在“极其细小的溪流中”从动脉流向静脉。马尔比基之后，荷兰生物学家列文虎克(Anthony van Leeuwenhoek，16321723)于1688年又在显微镜下看到了蝌蚪和青蛙脚蹼上的毛细血管，并描述了透过毛细血管薄壁所看到的红细胞。意大利生物学家雷迪(Francesco Redi，16261697)于1688年首次运用对照实验的手段证明腐肉中的蛆是来自苍蝇在肉上产的卵，而不是自然发生的。1727年，英国生理学家黑尔茨(SHales，16771761)也运用了对照实验，并首次运用定量实验证实了叶子的蒸腾作用。他选择了两盆用铅板围住以防止水分从植物以外蒸发的向日葵，一盆保留其叶子，另一盆摘去叶片，经过一个白天即12小时以后，分别测量两盆的水分质量，前者减少了0.85千克，后者减少了0.057千克，因此证明了植物体水分的蒸发与植物的叶子有关。黑尔茨还用定量实验的方法测定了动物的血压：他将一根铜管插入马的颈动脉的切口，血液在管子中上升了2.4米。当管子里的血液不到0.6米时，马即死去。黑尔茨指出，这是由于心脏搏动产生的力量而造成的“血压”，他还计算了血液从动脉流出的量与血压随之下降的关系。黑尔茨用同样的方法测定了植物的“根压”。在他撰写的植物静力学(1727年)和血液静力学(1733年)中，黑尔茨运用了大量的定量实验结果，阐明了植物的蒸腾作用、生长速度以及气体、日照与植物代谢的关系，还测定了左心室的容量和每分钟排出量以及血液流动速度和阻力。哈维、黑尔茨等用物理学的方法来设计生物学的实验，并对生物学的一些问题做出了科学的解释。15世纪后半叶，化学从缺乏科学基础的原始炼金术时期进入了一个新时期医药化学时期。由于医药学与人体生理学有着必然的联系，这就使一些研究药物的化学家尝试着对人体生理学进行研究，进而将化学方法引入整个生物学实验。瑞士医生、医药化学家巴拉塞尔苏斯(PAParacelsus，14931541)把化学知识应用于医药实践中，对人体生理提出了一个新的见解，他认为，人体本质上是一个化学系统，人体的生理功能就是一个化学过程。将化学手段引人生物学实验，并以化学观点解释生命活动的典型代表，是比利时化学家、医生赫尔蒙特(JBvan Helmont，15801644)，“柳树实验”就是他著名的植物生理实验，他以此阐明了水分是植物必需的营养物质。随着化学方法和手段在生物学实验中的应用，人们又陆续证明了植物的光合作用和动、植物的呼吸作用等一系列生理过程中物质的转化。1821年，由法国生理学家马真迪(FrancoisMagendi，17831855)创办的实验生理学杂志正式创刊，这是生物学史上第一本以实验研究为内容的杂志，它的诞生，促进了实验生理学的发展及实验方法在生物学研究中的应用。19世纪，科学实验在生物学领域呈现了全面繁荣的局面。18381839年，德国植物学家施莱登(Matthias Jacob Schlei den，18041881)和动物学家施旺(Theodor Schwann，18101882)在前人发现细胞及其结构以及显微镜技术改进的基础上，以正确的理论思维与显微镜观察相结合，创立了细胞学说。在这之后，实验方法被推广到生物细胞的研究中。18751900年，德国胚胎学家赫特维奇(Hrtwing，18491922)、杜里舒(Driesch，18671941)等将实验方法应用于海胆受精作用的研究，并证明了受精作用中精、卵细胞核的结合以及细胞核是遗传的基础。从此，观察细胞学发展成为实验细胞学。实验方法在微生物方面的应用，是法国微生物学家巴斯德(Louis Pasteur，18221895)(图17)于1857年进行的微生物酵素(酶)实验。他通过实验证明，发酵过程是由微生物的酵素实现的，每一种酵素只对某一特定的发酵过程起作用，而且受温度、pH、基质成分等影响。1864年，他还完成了一个著名的肉汤灭菌实验。巴斯德在实验中严格控制无菌条件，以长曲颈瓶净化和无菌肉汤接触的空气，证实了肉汤腐败的原因是来自外界微生物的污染，而肉汤本身不能产生细菌，从而证明了生物“自然发生”的不可能性。巴斯德为微生物的研究提供了科学的实验方法和理论。在遗传学的领域里，如果说，早期人们进行的一些杂交工作还只是停留在由于育种需要而从事的实践活动，或者说是遗传实验的萌芽，那么，奥地利遗传学家盂德尔(Gregor Johann Mendel，8221884)于1856年开始进行的豌豆杂交实验，就改变了以往为得到新品种而进行的单纯实验活动。他开始了对生物遗传本质的探索，同时还运用数学中的数理统计和概率分析，为研究生物遗传的规律提供了新的思想和方法。将统计学原理运用到遗传实验研究中的还有美国科学家高尔顿Galton，18221911。高尔顿在达尔文思想的激励下，着手研究遗传学和优生学，他设计了各种测定智力的仪器，统计了9000个受试者的数据，1869年发表了天才的遗传，并提出，通过选择育种可以从智力和体力上改良人种。1885年，在实验研究的基础上，他创立了“优生学”。在进化论的研究中，达尔文的自然选择学说自l9世纪60年代起已经开始在生物学家中得到承认，但真正通过实验而得以论证还应归功于荷兰植物学家雨果德弗里斯(Hugo de vries，18481935)。1892年，德弗里斯着手实施一项植物培育实验方案，他在实验园中栽培了各种类型的月见草，经过8年的努力，在他进行的杂交实验中，他发现了全新的月见草变种以及这个变种在后代中的重现。德弗里斯将这个新变种的出现称之为“突变”。德弗里斯还提出了前进性突变和退行性突变之间的差异，并指出前进性突变能促进物种进化。德弗里斯的实验证明了新种的起源途径，从而为以描述为主的进化论提供了实验方法，使其具有了更为科学的特征。四、近代生物学实验的特点随着资本主义生产方式的建立和发展，近代生物学实验在经历了艰难、曲折和不屈的斗争之后，终于从古代的生产实践中分化出来，走上了科学的道路，并得以全面地发展。归纳起来，近代生物学实验有如下特点：1生物学实验不再是对自然现象的观察和描述，而是有目的的对生命本质的探索。盖仑依靠推论和揣想方法所创立的“灵气说”之所以能统治十几个世纪，就是因为缺乏科学的实验。虽然生物学实验和自然观察是紧密联系在一起的，它们都是搜集事实、获取感性材料的方法，然而自然观察只是在自然状态下去认识对象，而生物学实验是在人为控制的条件下或在改变对象状态的条件下，有目的地认识对象，因此，生物学实验能够从更深入的本质对生命活动进行探索。2生物学实验从原始的生产实践中分化出来生物学实验和生产实践活动都是有目的的活动，并且都有活动对象以及作用于对象的手段，因此，生产实践活动作为生物学实验的萌芽，为生物学实验的建立和发展奠定了技术和手段的基础。但是生产实践活动主要是解决人与自然的直接关系，其目的是获取人类直接需要的物质财富，如酿酒技术、发酵技术、养蚕技术、杂交育种技术等，而生物学实验则是以认识生命及其规律为直接目的的探索活动，其实验对象不是自然，而是从自然中抽取出来的典型环境中的事物，这就可以使事物的本质得以表现，如哈维对血液循环动力及血液循环方向的探索。3建立了生物学实验的方法和手段生物学实验摆脱了古人的单纯观察或是借助简单工具进行解剖观察的方法，而是运用“观察事实一思维想像一提出假说一设计实验一实验检验一归纳总结一做出结论”等一系列的研究方法，这就使得生物学实验走上了科学的道路；在生物学实验向生物学各分支领域发展的过程中，不仅借助了物理学和化学的研究成果及其手段、仪器、设备等，还进一步运用了“对照”、“析因”、“定性”、定量、模拟”等不同类型的实验方法。第三节 现代生物学实验的发展19世纪末，自然科学开始了全面的、革命性的发展，生物学实验也进入了现代发展的阶段。同近代生物学实验相比，现代生物学实验的内容更为深入和广泛，设备、方法和手段更为完善和先进。生物学实验已经成为现代生物科学取得成果的重要基础。一、现代生物学实验的发展现状1现代生物学实验方法的巨大变革现代生物学实验方法的巨大变革，是与19世纪末至20世纪初物理学、化学上的一系列新成就分不开的。1895年，德国物理学家伦琴（W.K.Rontgen , 18451923）在进行阴极射线实验时，意外地发现了一种穿透力极强的射线，它能穿过密封的黑色纸使照相底片感光。当时，伦琴并不知道这是什么射线，因此命名为“X射线”。后人称之为“伦琴射线”。X射线虽然是科学史上的一次偶然发现，但是它为整个自然科学的研究带来了巨大的变革。最早应用X射线的是医学外科。在发现X射线后的第4天，美国人就将其应用于人体透视，以确定残存在体内的弹片的位置。为此，伦琴获得了名誉医学博土的学位。1912年，德国化学家冯劳厄(Von Laue，18791960)发现了X射线能被晶体所衍射，物质的结晶越完善，衍射效果就越好，在此基础上发展起来的X射线晶体衍射技术可以使人间接地观察到分子中原子的位置。X射线衍射技术很快被运用到生物学实验的研究中。1937年，美国化学家鲍林(Pauling，1901一 )首次运用X射线衍射技术研究蛋白质的结构，至1950年，终于成功地确定了蛋白质的-螺旋结构。1951年，英国生物物理学家威尔金斯(MWilkins，1916一 )将X射线衍射技术应用到对DNA结构的研究中，获得了突破性的进展。美国遗传学家沃森(JWatson，1928一 )和英国物理学家克里克(FHCCrick，1916一 )在此基础上于1953年提出了DNA双螺旋结构的分子模型。1896年，继X射线的发现后，在对X射线源的探究中，法国物理学家贝克勒尔(Becquerel，18521908)发现了铀的放射性，紧接着，法国物理学家皮埃尔居里(PCurie，18591906)和玛丽居里(MCurie，18671934)夫妇又发现了钍、钋、镭等放射性元素。放射性元素的发现推翻了“原子不可再分”的观点，改变了自然科学家的思维。1934年，意大利物理学家费米(Fermi，19011954)又开辟了人工制造放射性元素的途径。在短短几个月中，人类得到了37种放射性同位素。今天，人工制造的放射性同位素已达1000多种，几乎每种元素都有了放射性同位数。放射性元素的发现及放射性同位素的获得，开辟了现代生物学实验的新途径，一种新的实验技术同位素示踪技术诞生了。将放射性同位素的原子标记到某种化合物上，以研究该物质在生物代谢中的踪迹和变化，或用于生物大分子结构的分析，这种技术称为同位素示踪技术。最早在生物学实验中运用放射性同位素示踪技术的是匈牙利化学家赫维西(Heresy，18851966)。1913年，赫维西运用天然放射性铅作示踪元素研究植物根部对铅盐的吸收速度，获得成功，但由于铅是非生理性物质，可影响植物的正常代谢，所以该成果未被重视。1934年，人工制造放射性同位素获得成功后，赫维西开始用以人工放射性磷标记的磷酸盐进行实验，了解了磷在动、植物体内的代谢踪迹。为此，赫维西获得了1943年的诺贝尔化学奖。赫维西之后，放射性同位素示踪技术广泛应用于生物学实验中。1940年，放射性同位素碳l4被分离出来，其半衰期约为5700年，由于它比较安全而成为生物学实验中应用最广泛的一种示踪同位素。1898年，英国物理学家汤姆森(JThomson，18561940)发现并证实了“电子”的存在，这不仅打开了原子世界的大门，开创了物理学的新时代，也为现代生物学实验奠定了基础。1923年，法国物理学家路易德布罗意(Louis Victor de Broglie，18921987)证实了电子的波动性，这就为用电子射线和电子透镜制作显微镜提供了理论依据。1933年，德国物理学家鲁斯卡(Ruska，1906一 )制造了一台透射式电子显微镜。由于用电子代替光源，电子显微镜的分辨率比光学显微镜提高了几百倍甚至上千倍。20世纪40年代，科学家们又研制出扫描电子显微镜，使物像更加清晰，立体感更强，因此，电子显微镜被广泛地应用到生物学实验的研究中。又因为电子只能通过很薄的物体，且通过电镜观察的又是生物体的超微结构，因此，被观察的物体切片必须做得很薄，于是，电子显微镜的问世又推动了生物超薄切片技术及材料染色技术的不断进步。随着现代物理学、化学的发展，越来越多的新技术被引入现代生物学实验中。20世纪40年代以后发明的核磁共振技术，可以在液体状态下测定生物大分子结构，弥补了X射线衔射技术必须用结晶态样品的不足；20世纪60年代，激光技术应用于细胞学实验中，可以在不损坏生物体周围组织的条件下分别破坏细胞里的各个细胞器，以达到对这些细胞器生物功能进行研究的目的；超速离心机及其在生物研究中的应用已经成为现代生物学实验的重要设备与技术，可以分离、纯化生物高分子；层析技术、电泳技术等对生物体组织、细胞和化合物组成的各成分的分离、鉴定都有十分重要的作用。当然，这些物理学和化学的新技术应用到生物学领域中，促进了现代生物学实验的发展，反过来，现代生物学实验的发展也对这些技术提出了越来越高的要求，从而促进了这些技术的发展与更新。1906年，俄国生理学家茨维特(Tsvet，18721919)发明了层析技术，并用此技术首次分离出多种类型的叶绿素和类胡萝卜素。1941年，英国生物化学家马丁(Martin，1910一 )和辛格(Synge，1914一 )在研究羊毛蛋白质的氨基酸组成时，发展了茨维特的吸附层析技术，改用滤纸作为固定相，将含有各种氨基酸或肽的羊毛蛋白质水解液作为流动相，从而达到分离目的。这二技术在生物学、化学与医学实验研究中迅速得到广泛应用及发展。电子显微镜也在不断地发展、改进和升级，使人们对生物超显微结构有了更深人的认识。如今，扫描隧道电子显微镜已经可以达到原子级的分辨率。2生物学技术革命对现代生物学实验的影响DNA的发现，标志着分子生物学的诞生。分子生物学的建立，不仅对整个生物学及生物学实验产生了深远的影响，而且对20世纪以来的技术革命也产生了不可估量的作用。20世纪70年代，生物学实验在微观领域里实现了革命性的突破，那就是在分子生物学基础上发展起来的现代生物技术。现代生物技术与古人在生产实践中摸索出来的生产技术有着本质的不同，它是应用生物学和工程学原理，把生物材料定向地组建成生物新品种的综合性技术，也称生物工程，包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程。基因工程是把一种生物的遗传物质DNA片段(即目标基因)从细胞中分离出来，在体外利用“化学剪裁”的办法与载体(如细菌的质粒)重新组合，再移植到另一种生物细胞中去，使后者含有目标基因，从而改变这种生物的遗传物质结构，创造出人类所需要的新的生物类型(图18)。细胞工程是指用细胞生物学方法将一种细胞的染色体或细胞核等转移到另一种细胞中去，从而获得新的生物类型。细胞融合、体细胞杂交、核移植、外源染色体导入、组织培养等技术都属于细胞工程。酶工程是利用酶促反应的高效性和高度专一性的特点，借助于工艺手段和生物反应器来进行某种产品生产的一种技术。发酵工程也称微生物工程，是指利用微生物的发酵作用，通过现代工程技术手段来获得所需要品种的一种技术。生物工程中的各种工程之间是相互联系的，其中以基因工程为基础，只有通过基因工程才能达到对生物的改造，从而按人类愿望获得新的生物产品，而基因工程、细胞工程、酶工程的成果，也要通过发酵工程才能转化为产品。现代生物技术的产生和发展，是现代生物学实验发展的必然结果，它标志着现代生物学实验已经摆脱了传统模式，而直接将生命科学的理论和发现应用于生产实践的探索。例如，遗传工程为细胞分化、肿瘤发生等有关生物学基础理论的研究提供了有效的实验手段，也促使工业、农业和医药等生产领域发生重大变革。3电子计算机对生物学实验的重大影响电子计算机在生物学实验领域中的应用，从根本上改变了生物学实验的面貌。它不同于一般的生物学实验工具和手段，不仅具有运算速度快，精确度高等特点，可以将人从繁杂的计算和统计中解放出来，还能模拟人脑，具有记忆和判断的功能，可以帮助人进行实验设计、整理资料、辨别结果差异。电子计算机还可以追踪自然现象的动态发展，既可以做分解实验，又可以模拟综合。例如，环境对生物的影响是多因素综合的；结果，人为进行考察，往往很难严格控制实验对象+条件等各种因素，而电子计算机可以通过模拟某一自然环境及其中的生物，分解各个独立因素对生物的影响，也可以综合各种因素对生物的整体影响，还可以模拟进行生物对环境的作用的研究实验。因此，电子计算机可以使生物学实验的周期大大缩短，而且使实验的准确度大大提高。4生物学实验中数学模型的建立现代生物学实验革命的另一个标志，就是数学模型的建立。数学模型已经广泛应用于高级神经活动的生理学、复杂的生物系统、遗传学、生态学的研究中。数学模型在生物学实验中的意义在于：(l)可以进行很大数量的分析处理，从而克服了实际实验中只能对少部分生物进行分析的局限。(2)能够将复杂的多因素以独立的形式进行分析，而实际实验很难做到。(3)能重复研究实验的各种信息、资料，而实际实验中很难做到。二、现代生物学实验的特点现代生物学实验从内容到手段、方法，乃至实验模式，都发生了巨大的变革。归纳起来，现代生物学实验有如下几个方面的特征。1物理学和化学的新成果、新技术为生物学实验提供了日益完善和精密的实验手段近代物理学和化学的很多思想和手段应用于生物学，促进了生物学的发展。19世纪末到20世纪初，物理学和化学对生物学及其实验的影响越来越明显，物理学和化学的手段在生物学实验亮中的应用改变了以往生物学实验手段的简单和粗陋，为生物学实验提供了电子显微镜、激光器、核磁共振仪、色谱仪等灵敏度高、可靠性强的实验装置。生物科学领域里很多重大成果的突破如DNA双螺旋结构的发现、生物工程的发展、克隆技术的突破等，都离不开物理学和化学的手段。正如恩格斯曾经论断的：“只有在这些统治着非生物界的运动形式的不同的知识部门达到高度的发展以后，才能有效地阐明各种显示生命过程的运动进程。对这些运动进程的阐明，是随着力学、物理学和化学的进步而前进的。”(自然辩证法)2生物学实验与生物技术的关系日益紧密古代的生物技术只是为生活需要的生产经验的积累，而现代生物技术已经发展到以理论为指导，并为新理论的产生提供研究方法的实践活动，它和生物学实验的关系也日益紧密，其表现为：生物学实验的成果迅速被运用到生物技术中，而生物技术又迅速为生物学实验提出新的课题和新的手段。3生物学实验传统模式的变革；现代生物学实验的模式与近代生物学实验的模式相比，有了很大的变化，它表现在：(1)实验场所的突破。以往的生物学实验大多局限在实验室内，而现代生物学实验由于和生产技术的结合日益紧密，其实验场所并不局限在实验室内，它的规模也日益扩大。(2)对实验对象的突破。传统的生物学实验的对象都是具体的实物。电子计算机和数学模型的建立，使实验对象可以变得抽象化、模型化，更便于实验和研究。总之，20世纪以来，生物学实验取得了突破性的进展，生物科学也获得巨大的发展。21世纪，生物科学将成为整个科学的前沿学科，生物学实验的作用也将越来越重大。第二章 生物学实验概述从生物学实验的产生及发展的过程中，我们可以看出，对生命本质进行研究的生物学实验对生命科学的发展是有着重要作用的。在深入研究生物学实验之前，我们首先探讨一下究竟什么是生物学实验，它包括哪些要素，有哪些类型。第一节 生物学实验的基本要素一、什么是生物学实验一般的观察是在保持自然状态下对事实的考察，是对生命体的形态结构或生命现象的记录，而生物学实验则不同，它是在观察的基础上，运用各种手段，运用各种方法，通过人为干预某些因素，而对生命的发生、发展追根寻源的实践过程。但是；两者又是有着紧密联系的，生物学实验和生物学观察都是搜集科学事实、获取感性材料的基本方法，是形成、发展和检验生物科学理论的实践基础。因此，两者是相互联系、相互补充、相互渗透、密不可分的。可以这样概括：观察是实验的基础，实验是观察的发展。我们从俄国生理学家巴甫洛夫(Pavlov，18491936)所进行的著名的“条件反射建立”的实验过程来分析生物学实验和生物学观察的区别与联系。巴甫洛夫在对狗的消化生理进行研究的过程中意外地发现，饲养员的脚步声可以引起狗的口水流出。这种发现完全是凭着一种自然观察，即在自然状态下所得到的，于是他做出一种与狗的唾液分泌无关的因素(脚步声)和有关的因素(食物)之间存在着某种联系的设想。为了证实这种设想，巴甫洛夫在狗进食过程中进行了某些控制，如设计了铃声、电光等与唾液分泌无关的因素的刺激，并在狗的颊部制造了唾液漏，以观察和收集狗的唾液。这一系列的实验活动是在人为控制或干预的条件下进行的，它不同于开始的自然观察，但又是在最初的自然观察的基础上建立的。正是由于这些控制活动，才创造了纯化无关刺激与有关刺激的环境，从而建立了条件反射的概念，并创立了高级神经活动学说。巴甫洛夫的“条件反射建立”的实验不仅使我们认识了生物学实验与自然观察的区别与联系，也为我们提示了究竟什么是生物学实验。生物学实验是有一定的研究对象，并根据研究目的，运用一定手段(仪器、设备等)主动控制、干预研究对象，或控制环境、条件，即创造一种典型环境或特殊条件，并在其中进行的探索生命现象及其运动规律的实践活动。二、生物学实验的基本要素从生物学实验的概念中可以看出，生物学实验是人对生物体及生命现象的主动认识过程，因此，从认识论的角度分析，生物学实验应包括实验者、实验研究对象和实验手段等三种要素。又因为生物学实验是通过人的主动控制而进行的实践活动，所以，从方法论的角度分析，生物学实验还应包括观察、假设、预测、控制、操作、记录、析因、推理、结论等一系列环节。有关方法问题，在后面还要进行专题讨论，因此，本节只从认识论的角度来分析生物学实验的基本要素。1实验者实验者是整个生物学实验的认识主体，是实验过程中最积极、最活跃的因素，因此，从生物学实验各个环节的设计，对研究对象、环境、条件的控制，以及实验过程中的具体运作和探索活动，直至得出结论，都应体现认识主体的主观能动性。生物学实验能否获得预期的效果，能否成功，取决于实验者生物科学理论知识的水平和思维能力，也取决于实验者运用实验手段进行实验操作的技术水平，以及从实验过程中获取信息的能力。在中学生物学实验的教学中，进行实验操作的学生就是认识的主体，因此，通过生物学实验对学生进行信息的获取、操作技能的训练、思维的发展及创造力等方面的培养，是发挥他们主体性的重要方面。2实验研究对象生物学实验的研究对象是生命及其各种形式的运动。究竟什么是生命?这是生物科学史上一直争论的问题。辩证唯物主义认为：生命是宇宙中的物质从原始星云经过物理演化和化学演化而进化来的最高级最复杂的物质形态，其运动变化也是自然界中最高级最复杂的运动方式。因此，作为生物学实验的研究对象，是不同于物理学、化学等学科的。(1)研究对象的客观性。尽管生命及其运动是特殊的、复杂的，但生物体和生命活动是有其自身的形态、结构和运动规律的。无论是微观的超显微结构及其信息的复制和遗传变异，还是宏观的生物个体及其形成的生物种群和生物群落，这些都是客观存在的，是在长期的物种进化中形成的，同时，也是可以被人类通过生物学实验认识的。例如，生的进化的历程是按照从简单到复杂、从低等到高等、从水生到陆生的规律进化发展的，这些虽然是在人类诞生之前经历的过程，现代人类是无法直接观察到的，但是从胚胎学、比较解剖学和生物化石中是可以找到线索并得到证明的。实验者通过实验过程认识其研究对象，就在于揭示它们的微观或宏观的结构及其运动规律。(2)研究对象的可控性。生物学实验之所以区别于自然观察，就在于实验本身的可控性，而对研究对象的控制和干预，是揭示生命本质特征的重要手段。例如对植物光合作用的研究，首先就是对研究对象的控制，包饥饿处理、遮光对照、酒精脱色及碘液反应等一系列对研究对象控制，最后，间接地揭示出绿色植物这一生理过程。又如，在前提到的巴甫洛夫的生理实验，也是通过对研究对象的控制才可能成功的。控制是生物学实验的灵魂。实验的成功与否取决于控制的严密程度。如上述光合作用的实验，如果饥饿处理不够，就会使遮光的叶片体内残存淀粉，而影响对照效果。(3)研究对象的主动性和复杂性。生物学实验的研究对象是具有生命的物质，而生命和非生命的区别就在于生命体有应激性，能够生长繁殖，有遗传变异的特性，可以进行新陈代谢，能与环境交换物质与能量，还可以适应一定的环境。这些都决定了生命体的主动性。这种主动性决定了它们有主动趋向或主动逃避某一环境或某一因素的行为，特别在动物中，表现更为明显。法国昆虫学家法布尔(Fabre，18231915)曾经做过这样一个实验：在雨夜中将一只雌蛾放在丛林中的黑屋里，并用纱笼罩住，尽管风雨交加，但仍然有几十只雄蛾冒雨顶风前来寻找雌蛾交尾。植物虽然不能像动物一样奔跑飞翔，但也有明显的感性运动。植物对改变其生活环境也起着非常重要的作用，它可以调节温度、湿度，改变空气成分。这些都显示了生物不同于非生命体的主动；性。当然，这些研究对象的主动性是与人的主动性有着本质的区别的。人的主动性是有意识的，是自觉的行动，而其他生物却是本能。除此之外，生物的多样性是任何非生命物质所不能比拟的，每一种生物又有其适应的生活环境，这就决定了研究对象的复杂性。因此在对研究对象进行控制时，要周密地分析影响生