生物学的发展历程

第二节　生命科学

一、生命科学的产生与发展

生命科学的发展经历了萌芽时期、古代生物学时期、近代和现代生物学时期。

（一）萌芽时期

生命科学发展的萌芽时期是指人类产生（约300万年前）到阶级社会出现（约4 000年前）之间的一段时期。这时人类处于石器时代，原始人开始栽培植物、饲养动物，并有了原始的医术，这一切为生物学的发展奠定了基础。

（二）古代生物学时期

古代的生物学在欧洲以古希腊为中心，著名的学者有亚里士多德和古罗马的盖仑。

亚里士多德是古代知识的集大成者，又是第一个系统掌握生物学知识的人。他在动物分类、解剖、胚胎发育等方面做了大量工作，著有《动物志》、《动物的结构》、《动物的繁殖》和《论灵魂》等。亚里士多德的开创性研究使他被公认为生物学的创始人。

亚里士多德在植物学方面的著作没有留存下来。他的学生泰奥弗拉斯托斯对植物分类、植物解剖和植物生理做了许多研究，著有《植物志》和《论植物的本源》等。

生于小亚细亚帕加马、在罗马行医的盖仑，在古代生物学方面取得光辉成就。他把希腊解剖知识和医学知识系统化，并把一些医学学派统一起来，是古代解剖学、医学知识的集大成者，著有《解剖纲要》16卷及《人体各部分的功能》等，但他以猴体代替人体，有不少结论是错误的。盖伦的著作阐述清楚而有条理，但他用有神论的观点解释他的实验和观察，带有浓厚的宗教色彩。

他们的学说在生物学领域整整统治了1 000年。

（三）近代和现代生物学时期

近代和现代生物学的发展，大致可分为进化生物学、实验生物学和分子生物学三个阶段，从三个阶段的层递关系上，反映了人类对生命科学认识的逐渐深入。

1．进化生物学阶段

人们对生物进化的认识从神创论开始，到18世纪，法国博物学家布丰的《自然史》对自然界作了唯物主义的解释。拉马克提出“用进废退”和“获得性状遗传”两个观点，是进化论的第一次突破。

1859年11月《物种起源》出版，使进化论得到了越来越多的人的支持，生物进化论终于战胜了神创论。

这一时期支持和发展进化论的有两位重要的生物学家，一位是德国学者赫克尔，一位是德国动物学家魏斯曼，两人都是新达尔文主义的创始人。赫克尔解释了人类的进化来源，魏斯曼则将发育、细胞遗传和进化联系在一起，提出了“种质”论，影响和推动了进化论的向前发展。细胞学说和进化论是19世纪的重大发现，也是近代生物学的两大理论基石。17世纪罗伯特·胡克发现了细胞，19世纪以德国植物学家施莱登和德国解剖学家、生理学家施旺为代表的一组科学家建立了细胞学说。细胞学的研究先于生物的进化，然而在生物学发展的初期，二者并没有很好地结合，而是在各自的方向扩展。

进化论在于自然史和形态学分类研究，细胞学在于结构和物质的研究。染色体遗传学说（细胞遗传学）的建立，才使得细胞学的研究和遗传、进化的研究（遗传学）汇合在一起，这归功于新达尔文主义的贡献。同时，对于动物发育机制的研究又促成了细胞学和胚胎学的结合，形成了细胞胚胎学和组织胚胎学等发育生物学学科。遗传和发育在细胞学基础上的研究进展也促进了进化生物学的蓬勃发展。

2．实验生物学阶段

19世纪末和20世纪初是科学思想史上大动荡的时期。在生物学上，生物学家一改过去单纯形态观察的研究，努力采取物理和化学的手段进行生物学研究，结果发展了实验生物学。

对动物的结构和功能进行实验研究始于16世纪。这时正处于文艺复兴时期，科学的进步思潮在欧洲风行。著名画家达·芬奇摆脱了神学偏见，从事观察和解剖实验，研究了光学定律、眼睛构造、人体解剖的细节以及鸟雀的飞翔，绘制了精确的解剖图，提出人体运动是骨骼和肌肉的作用。他比较了动物与人体的结构，指出二者的同源现象。比利时解剖学家维萨里通过大量的人体解剖实验，发现了不少人体解剖描述的错误。1543年，出版了他的解剖学巨著《人体构造》，震惊了整个科学界和宗教界。他摒弃了加伦有关血液运行的观点，提出并用实验证明了肺循环的存在，被称为“近代解剖学之父”。被认为文艺复兴时期生物学上最重要的成就是英国医生、生理学家哈维建立的血液循环学说。意大利解剖学家马尔皮基开创了动物与植物的显微解剖工作。

1753年瑞典植物学家林奈发表《植物种志》，确立了双名制，此后与分类学进展相并行的实验植物学相继展开。荷兰的凡·海尔蒙通过著名的插栽柳枝试验证明植物从水中取得物质。1742年英国的海尔斯研究了植物的蒸腾作用、失水和与空气交换气体。1774年英国的普利斯特利观察到阳光下植物的放氧现象。1779年荷兰的印根浩兹、1804年瑞典的索苏尔进一步验证了气体营养和植物之间的关系。英国植物学家格鲁在显微镜下发现植物叶面有气孔及其功能，并揭示了植物体的花器构造，他的著作《植物解剖》一书作为植物学的解剖经典，流传了100多年。

19世纪中叶，德国赫尔姆霍兹倡导的医学唯物论把有机体看作一部复杂的机器，其活动可以用理化方法来研究分析，为典型的机械论。他们在方法论上的特点及其片面性对后来实验生物学的发展有深远的影响。施培曼发现“组织者”现象，对实验胚胎学的发展有很大的影响。1900年孟德尔定律的重新发现是遗传学发展中的一个转折点。他的分离和自由组合定律是动、植物界普遍遵循的遗传规律，孟德尔被誉为现代遗传学的奠基人。摩尔根以果蝇为材料，研究了伴性遗传、连锁和交换等现象，把遗传学和细胞学结合起来，确立发展了遗传的染色体学说。英国数学家哈迪和德国医生温伯格将生物统计方法应用于遗传分析、种群内基因进化，产生了群体遗传学（或进化遗传学）。

生理学是实验生物学中的一个最古老的学科。这一时期一个重要方向是对生理过程化学基础的研究，由此产生了生物化学。维生素、激素和酶的发现，以及肌肉收缩和呼吸过程的能量和物质代谢途径的阐明，代表着这一时期的生物化学成就。生物化学从早期对生物体的化学组成的静态分析进入对代谢过程的动态分析，然后又和细胞形态结构的研究结合起来，形成细胞化学、组织化学等新学科分支。

3．分子生物学阶段

20世纪特别是50年代后，生物学同化学、物理学及数学相互交叉渗透，取得了一系列划时代的科学成就，使它跻身于精确科学，成为当代成果最多和最吸引人的基础学科之一。

1944年，加拿大的爱威瑞用肺炎双球菌的转化实验，第一次证明了遗传的物质基础是脱氧核糖核酸（DNA）。1953年，美国的沃森和英国的克里克在《自然》杂志上发表了《核酸的分子结构》论文，揭示了遗传物质DNA是由四种核苷酸排列的双链螺旋结构，开创了分子生物学的研究领域，使生物学的发展从此进入一个崭新的迅猛发展的分子生物学阶段。1957年克里克提出著名的遗传信息流——“中心法则”，揭示了生物的遗传、发育和进化的内在联系。

1961年，法国巴黎巴斯德研究所的莫诺和雅各布提出了乳糖操纵子模型，探讨基因的调控原理。1966年，美国生物化学家尼伦伯格等用大肠杆菌无细胞体系实验破译了遗传密码的编码机制。1973年被称为基因工程元年，美国柯恩领导的小组开创了体外重组DNA并成功转化大肠杆菌的先河。1975年，柯勒和米尔斯坦成功地创立了淋巴细胞杂交瘤技术，在生物医学领域树起了一座新的里程碑。1997年，Dolly羊的克隆再一次震撼了人类社会。

1990年启动“人类基因组计划”，2000年6月六国科学家宣告人类基因组工作框架已经测序完成，2003年人类基因组序列草图完成。美国和英国科学家2006年5月18日在英国《自然》杂志网络版上发表了人类最后一个染色体——1号染色体的基因测序，至此解读人体基因密码的“生命之书”宣告完成。

20世纪后叶分子生物学的突破性成就使生命科学在自然科学中的位置发生了革命性的变化。生命科学的发展和进步也向数学、物理学、化学、信息、材料以及工程科学提出了很多新问题、新思路和新挑战，带动了其他学科的发展和提高，生命科学已成为21世纪的带头学科。

二、生命科学的研究对象

生命科学是研究生物体的生命现象和生命活动规律的科学。它的研究对象包括各种生物的生命活动、生物的发生与发展规律以及生物与生存环境之间的相互作用。整个物质世界可划分为非生物界和生物界，而生物学的研究对象包括整个生物界的高度复杂的各种生命物质形态，同时也涉及构成生物生存环境的一些非生物界的物质形态，所以从这个意义上讲，生命科学是研究领域最广泛的自然科学。

三、生命科学的分科

当我们研究生物界时，因研究对象、性质、研究角度和层次的不同，生命科学就有了许多的不同分支学科，呈现“多层蛋糕”结构。

（一）依据研究类群不同

依据研究类群不同，生命科学可划分为动物学、植物学、微生物学、人类学和古生物学。

动物学是研究动物的形态结构、生理机能、分类、生态分布、遗传和进化的科学。

植物学是研究植物的形态结构、生理机能、分类、生态分布、遗传和进化的科学。

微生物学是研究微生物，包括细菌、真菌、病毒等的形态结构、分类、生理生化、遗传变异等生命活动规律的科学。微生物学中还派生出细菌学、真菌学和病毒学。

人类学是研究人类体质特征、类型及其变化规律的科学。

古生物学是研究保存在地层中各种古代生物遗体和遗迹的科学。

（二）依据研究生命现象内容的不同

依据研究生命现象内容的不同，生命科学可划分为形态学、生理学、生态学、胚胎学、分类学、遗传学及进化论。

形态学研究生物形态结构特点和形成的规律，以及形态与周围环境相适应的关系。

生理学研究生物体生命活动的各种过程，以及这些过程在有机体个体发育和系统发育中，因生活条件不同而发生变化的规律性。

生态学研究生物与环境的相互关系，包括生物对环境的改变和环境对生物的影响等。

胚胎学研究动、植物的胚胎形成和发育的规律。

分类学研究不同生物的形态和性状的异同点，以及彼此的亲缘关系和进化线路。

遗传学研究生物的遗传和变异以及进化。

进化论研究生物发生、发展的规律，目前进化论的研究往往与分类学和遗传学密切相关。

（三）依据对生物研究的不同结构水平

依据对生物研究的不同结构水平，生命科学划分为分子生物学、细胞生物学、个体生物学、居群生物学、生物群落学及生态学。

分子生物学从分子水平上来研究生命现象的物质基础，现在主要研究核酸和蛋白质的结构和功能。

细胞生物学以细胞为研究对象，包括细胞结构、细胞化学成分和细胞的繁殖。

个体生物学以生物个体为研究对象，包括个体生物的生长、发育和繁殖的全过程。

居群生物学以某一物种的居群来研究它的迁入、迁出、出生和死亡等规律，并预测该居群的消长和分布格局。

生物群落学研究在一定空间内各个生物种群有规律的集合和群落演替规律。

生态学研究在一定空间内生物群落与非生命环境相互作用，其主要纽带是能量转化和物质循环，把生物与非生命环境紧密相连。

随着近代科学的发展，运用化学、物理学、数学等理论对生命现象进行了最本质的研究，从而建立了生物化学、生物物理学、生物数学等许多交叉学科。

四、生命科学与社会发展

生物与人类生活的许多方面都有着非常密切的关系。生命科学作为一门基础科学，一直是农学和医学的基础，涉及种植业、畜牧业、渔业、医疗、制药、卫生等多方面的研究。随着生物学理论与方法的不断发展，它的应用领域不断扩大。现在，生物学的影响已突破上述传统的领域，而扩展到食品、化工、环境保护、能源和冶金工业等领域，对提高人类健康水平、提高农牧业和工业产品质量，促进社会发展发挥着越来越大的作用。

人口问题是一个社会问题，也是一个生态学问题。在这方面生物学应该而且可能作出自己的贡献。内分泌学和生殖生物学的成就导致口服避孕药的发明，已促进了计划生育在世界范围内的推广。在人口问题中，除了数量剧增以外，遗传病也严重威胁人口质量。将基因工程应用于遗传病的治疗称为基因治疗，在实验动物上对几种遗传病的基因治疗已取得一些进展。随着基因工程技术的发展，基因治疗将为控制和治疗人类遗传病开辟广阔的前景。

和人口问题密切相关的是食物问题。食物匮乏是发展中国家长期以来未能解决的严重问题，当前世界上有几亿人口处于营养不良状态。人类食物的最终来源是植物的光合作用，但在陆地上扩大农业生产的土地面积是有限的，增加食物产量的主要道路是改进植物本身。过去，在发展科学的农业和“绿色革命”方面，生物学已作出了巨大的贡献。今天，人类在一定限度内定向改造植物，用基因工程、细胞工程培育优质、高产、抗旱、抗寒、抗涝、抗盐碱、抗病虫害的优良品种已经不是不切实际的遐想。

工业废水、废气和固体废物的大量排放，农用杀虫剂、除莠剂的广泛使用，使大面积的土地和水域受到污染，威胁着人类的生产和生活。现代生物学证明，微生物所具有的生物催化活性是极为广泛的，利用富集培养法几乎可以找到降解任何一种有机物的微生物，利用基因工程等技术还可以不断提高它们的降解作用。因此，有降解作用的微生物及其酶制剂就成为消除污染的有力手段。利用微生物防治害虫，以部分代替严重污染的有机杀虫剂也是大有前途的。在农业中尽快使用生物防治、生物固氮等新技术，改变农业过分依赖石油化工的局面，这是关系到恢复自然生态平衡的大事，也是农业发展的大势所趋。大量消耗资源的传统农业必将向以生物科学和技术为基础的生态农业转变。

全世界的化工能源（石油、煤等）储备总是有限的，总有一天会枯竭。自然界中的生物能大多是纤维素、半纤维素、木质素。将化学的、物理的和生物学的方法结合起来加工，就可以把纤维素转化为酒精，用作能源。沼气是利用生物质开发能源的另一产品。中国和印度利用农村废料进行厌氧发酵产生沼气已作出显著成绩。世界上已经出现了利用固定化细胞技术的工业化沼气厌氧反应器。一些单细胞藻类中含有与原油结构类似的油类，而且可高达总重的70%，这是另一个引人注目的可再生的生物能源。太阳能是人类可以利用的最强大的能源，而生物的光合作用则是将太阳能固定下来的最主要的途径，可以预测，利用生物学的理论和方法解决能源问题是大有希望的。

现代应用生物技术的发展受到了各界人士的普遍关注，更有许多专家将21世纪称为生命科学的世纪，现代应用生物技术产业也必将成为21世纪的朝阳产业。