【正文】 處積存的血液造成的，用一個指頭按壓突起以下的靜脈，把血往上擠，當把手指移開時，靜脈又被從下面來的血液充滿了(圖1—6)。他用帶子結(jié)扎了動脈管，發(fā)現(xiàn)在結(jié)扎處上部，即靠近心臟一端的動脈膨脹，并隨著心臟的跳動而蠕動；相反，在結(jié)扎處的下部，即離心臟較遠的地方，動脈很快癟下去，脈搏也消失了。當心臟劇烈跳動時，脈搏也加快，而當心臟停止跳動時，脈搏即消失。當時，解剖學家們普遍相信血管的收縮是靠它自身的力量。為了使自己的推測得以證實，哈維開始轉(zhuǎn)入長時間的實驗研究。哈維解剖過128種哺乳動物，并詳細地觀察它們心臟的搏動。真正開創(chuàng)以科學研究為主的生物學實驗的是英國生理學家、醫(yī)生威廉這就違背了蓋侖的血液運行學說。在書中，維薩里還科學地繪制了很多解剖圖(圖l—4)，這些圖很多被作為藝術(shù)品而保留至今。維薩里很早就提出：“我要從對人體本身的解剖來闡明人體的構(gòu)造。芬奇敢于對已經(jīng)寫進教義的理論持懷疑態(tài)度，他不顧教會的禁令，在物理學、化學、生理學等方面做了大量實驗，并親自解剖了10多具尸體，獲得了豐富的人體解剖的資料。芬奇(Leonardo da Vinci，1452—1519)不僅是藝術(shù)家，而且是數(shù)學家、解剖學家和生理學家。培根本人不惜重金購買了各種儀器，自己動手做了大量的實驗。培根（Roger Bacon，1214—1294)就成為倡導實驗的先驅(qū)。因為憑直覺觀察很難說明事物的本質(zhì)，所以人們要求在有控制的、人為的環(huán)境下進一步研究生命現(xiàn)象的真諦，探索生命活動的規(guī)律。一、生物學實驗的先驅(qū)在資產(chǎn)階級從封建社會里產(chǎn)生和發(fā)展的同時，新的生產(chǎn)方式的產(chǎn)生和發(fā)展也為科學的發(fā)展和科學實驗的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。第二，處在萌芽時期的生物學實驗，還沒有從以經(jīng)驗為主的勞動實踐中分化出來，其實驗的目的和內(nèi)容是直接獲取人類所需要的物質(zhì)，其技術(shù)手段是生產(chǎn)實踐中的經(jīng)驗積累。但是，一些錯誤的觀念，如蓋侖關(guān)于血液運行的理論和他的“三靈氣學說”，正好與中世紀的宗教教義相符合，被認為是基督教解釋自然和生命現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)，而被視為神圣不可動搖的經(jīng)典。同樣，蓋侖關(guān)于血液運行的認識也是錯誤的。像阿爾克邁翁、亞里士多德、蓋侖這樣，為了認識自然現(xiàn)象而自覺地通過簡陋的手段專門進行一些觀察和比較，可以看做是科學實驗的先驅(qū)。在解剖生理學方面，他的最大貢獻是在肌肉和腦神經(jīng)方面。如他研究了一種多刺的角鯊，發(fā)現(xiàn)它與其他的魚類將卵排入水中不同的是，卵在雌魚體內(nèi)發(fā)育成幼魚才出生(這種“胎生魚”直到19世紀才被再次發(fā)現(xiàn))。大約在公元前600年，古希臘生理學家阿爾克邁翁(Alcmaeon)即對人和動物的尸體進行了解剖。天官》中就有關(guān)于醯人的記載，醯人是負責掌管釀醋的人員，這說明當時釀醋生產(chǎn)有了相當?shù)囊?guī)模。至今，西方的釀酒仍然用麥芽糖化后再加入酵母進行酒精發(fā)酵兩道程序。“五齊”是指發(fā)酵過程中的五個主要階段：一是“泛齊”，這是發(fā)酵初始谷物吸水膨脹泛浮的階段；二是“醴齊”，即淀粉進行糖化作用階段；三是“盎齊”，即發(fā)酵時糖轉(zhuǎn)化為酒(即乙醇)和二氧化碳，冒出氣泡的階段；四是“醍齊”，在這個階段，酒的濃度逐漸增加，醪液顏色變深；第五個階段是發(fā)酵終止，酒糟下降，稱“沉齊”。有文字記載的是公元前1600年的殷代，人們用曲蘗制酒。然而，沒有原始人的各種實踐和嘗試，今天的“實驗”也就成為無源之水、無本之木。如果種植業(yè)可以被看做是人類最早期的探索實驗，那么其操作方式就是“刀耕火種”，最原始的工具是粗陋的石斧、石鋤等(圖1—1)。在西亞(今土耳其境內(nèi)的薩約呂一帶)發(fā)現(xiàn)有1萬年前種植小麥的遺跡，在我國浙江余姚也發(fā)現(xiàn)了六七千年前的大量炭化稻谷。隨著工具的改進和火的使用，人類主動地獵取各種動物以補充自己的食源。如果可以將這些稱之為原始的生物學，那么從某種意義上講，生物學是和人類及其實踐活動一起誕生的。嚴格地說，生物科學實驗是建立在近代自然科學發(fā)展的基礎(chǔ)上的，但建立的過程經(jīng)歷了早期人類的自然觀察到對生命活動的探索，研究等一系列實踐活動這條漫長的道路。第一節(jié) 早期人類的實踐活動人類是從古猿進化而來的。一、原始人的自然觀察在長達二三百萬年的人類歷史中，大約99％的時間是在原始社會中度過的。他們開始注意觀察不同動物的形態(tài)特征和生活習性，以便利用它們的弱點去更有效地捕獲它們?？梢韵胂?，人類在長期的自然觀察中，注意到有些植物的生長是靠著開花后結(jié)的種子落地而周而復(fù)始的，于是嘗試著將采集到的種子埋在土里，當小苗長出后細心侍候，最后他們得到了更多的果實和種子。原始人用石斧將樹木砍倒，然后曬干并放火燒掉，騰出空地挖坑播種，在收獲的季節(jié)，用石鐮將作物割下，用石碾加工為糧食。二、古代生物學實驗的萌芽原始人對生物的認識，僅僅是為了自身的生存，而進入文明社會以后，人們開始有目的地對各種生物的形態(tài)、習性進行理性的探索。曲是長了微生物的谷物，蘗是發(fā)了芽的谷物，在這里，蘗起淀粉糖化作用，曲起酒精發(fā)酵的作用，這是世界上利用曲霉最早的記錄?！拔妪R”的提出，是符合釀酒發(fā)酵的科學規(guī)律的。當時，我國不僅在釀酒技術(shù)上有很高的水平，在發(fā)酵技術(shù)方面也有很多突破，如用酸漿調(diào)節(jié)發(fā)酵，加醋或油以消除泡沫產(chǎn)生等。關(guān)于雜交實驗的最早記載，是公元121年我國東漢時期的許慎所著《說文》中提到的“贏，驢父馬母者也；馱騠，馬父贏子也，(贏即騾)。他提出的“腦是智力的器官”及“人腦具有理解力，而動物大腦只能覺察不能理解”的觀點，就是建立在他的動物解剖實驗的基礎(chǔ)上。他還對小雞在蛋殼中孵化的21天進行了詳細的觀察和記錄，發(fā)現(xiàn)小雞生命的第一個信號是在開始孵化后的第4天出現(xiàn)的一個跳動點，即心臟的搏動。通過動物解剖及實驗，他能認出7對腦神經(jīng)及其功能，并揭示出脊椎分段切割的作用，他還觀察了尿從腎臟流經(jīng)輸尿管至膀胱的途徑。在中國古代就曾有“神農(nóng)嘗百草，一日而遇七十毒”的傳說，這也可以看做是采用“試錯法”而進行的一種鑒別實驗。他甚至認為每一個器官都是為了一個目的而被神圣地制造出來，并主觀地認為，腸子里的食物由靜脈攜帶到肝臟，在那里吸取。因此，從公元2世紀到16世紀的長達1400年中，蓋侖的理論一直占有統(tǒng)治地位，以至于阻礙了生物學實驗的發(fā)展。第三，以探索為目的的生物學實驗還沒有完全擺脫原始的思辨，即還沒有完全從自然哲學中分化出來，如亞里士多德、益侖等進行的探索實驗，很多是依賴于對自然的想像，因此對觀察到的事實做出了很多錯誤的解釋。文藝復(fù)興時期是一個需要反封建并產(chǎn)生反封建強大思想武器的時期，是一個需要科學巨人并造就科學巨人的時期，是一個需要科學實驗并建立科學實驗的時期。因此，在生物學中，建立科學實驗已經(jīng)成為時代的要求。他提出：“應(yīng)當依靠實驗來弄懂自然科學、醫(yī)學、煉金術(shù)和天上地下的事情。例如，他科學地記錄了凹鏡和透鏡的焦點位置與散度，并提出運用其原理制造望遠鏡和顯微鏡的設(shè)想，但由于他的這些行為觸犯了宗教神學而被監(jiān)禁24年。他倡導科學實驗，首先開始了對古代人體解剖學說的改造。他繪制了750多幅人體解剖圖，還利用熱蠟注入腦室空腔，制作了世界上第一個腦室模型，并創(chuàng)立了研究軟組織的連續(xù)切片技術(shù)?！睘榇耍活櫧虝?，經(jīng)常在深夜到郊外無主墓地或刑場去取回殘骨或尸體進行解剖。維薩里的研究道路是艱難的，他最終被教會判處去“圣地”耶路撒冷贖罪，在歸途中由于船只失事而死于異國他鄉(xiāng)。塞爾維特在1553年出版的《基督教的復(fù)興》一書中，將自己的發(fā)現(xiàn)公布于眾，并批判了蓋侖的“靈氣說”。哈維(William Harvey，1578—1657)。心臟的跳動大約是每分鐘72次，進一步計算，1小時內(nèi)從左心室里排出的血量大約為245千克，相當于一般人體質(zhì)量的3—4倍！這么多的血，不可能在l小時內(nèi)由肝臟制造出來，也不可能這么快在肢體末端被吸收掉。他進行了大量的動物活體實驗，打開動物體腔，注視著動物的心臟，隨著有節(jié)奏的收縮和舒張心臟忽而蒼白，忽而泛紅，收縮時心臟壁變硬，舒張時又變得柔軟，將心臟切開一個小口時發(fā)現(xiàn)，收縮時，血液以噴射的方式排出心臟，而舒張時則緩緩流出。哈維認為，只有通過實驗證實才能下結(jié)論，于是，他著手對動脈進行研究。哈維將動物的一條動脈切開，發(fā)現(xiàn)心臟收縮時血液大量涌出，當血液枯竭時，脈搏也就沒有了。哈維切開結(jié)扎處下部，那里已經(jīng)沒有血了，而切開結(jié)扎處的上部時血液進射出來。哈維還在動物體內(nèi)做了另外的實驗，以證明血液流動的方向。在該部著作中，哈維將自己的實驗結(jié)果與塞爾維特的關(guān)于肺循環(huán)的發(fā)現(xiàn)相結(jié)合，論述了“在動物體內(nèi)，血液是在循環(huán)不息地流動著的”觀點，并對血液循環(huán)的途徑進行了一個完整的描述。不僅生理學，整個生物學不再是靠思辨的推理，而是進入了以實驗為依據(jù)的時代。顯微鏡的出現(xiàn)和改進，證實了哈維的推斷：動脈末梢與靜脈之間由極細小的血管分支或稱“組織孔”連接。意大利生物學家雷迪(Francesco Redi，1626—1697)于1688年首次運用對照實驗的手段證明腐肉中的蛆是來自蒼蠅在肉上產(chǎn)的卵，而不是自然發(fā)生的。馬即死去。哈維、黑爾茨等用物理學的方法來設(shè)計生物學的實驗，并對生物學的一些問題做出了科學的解釋。將化學手段引人生物學實驗，并以化學觀點解釋生命活動的典型代表，是比利時化學家、醫(yī)生赫爾蒙特(J．B．van Helmont，1580—1644)，“柳樹實驗”就是他著名的植物生理實驗，他以此闡明了水分是植物必需的營養(yǎng)物質(zhì)。1838—1839年，德國植物學家施萊登(Matthias Jacob Schlei den，1804—1881)和動物學家施旺(Theodor Schwann，1810—1882)在前人發(fā)現(xiàn)細胞及其結(jié)構(gòu)以及顯微鏡技術(shù)改進的基礎(chǔ)上，以正確的理論思維與顯微鏡觀察相結(jié)合，創(chuàng)立了細胞學說。實驗方法在微生物方面的應(yīng)用，是法國微生物學家巴斯德(Louis Pasteur，1822—1895)(圖1—7)于1857年進行的微生物酵素(酶)實驗。巴斯德為微生物的研究提供了科學的實驗方法和理論。高爾頓在達爾文思想的激勵下，著手研究遺傳學和優(yōu)生學，他設(shè)計了各種測定智力的儀器，統(tǒng)計了9000個受試者的數(shù)據(jù)，1869年發(fā)表了《天才的遺傳》，并提出，通過選擇育種可以從智力和體力上改良人種。1892年，德弗里斯著手實施一項植物培育實驗方案，他在實驗園中栽培了各種類型的月見草，經(jīng)過8年的努力，在他進行的雜交實驗中，他發(fā)現(xiàn)了全新的月見草變種以及這個變種在后代中的重現(xiàn)。四、近代生物學實驗的特點隨著資本主義生產(chǎn)方式的建立和發(fā)展，近代生物學實驗在經(jīng)歷了艱難、曲折和不屈的斗爭之后，終于從古代的生產(chǎn)實踐中分化出來，走上了科學的道路，并得以全面地發(fā)展。2．生物學實驗從原始的生產(chǎn)實踐中分化出來生物學實驗和生產(chǎn)實踐活動都是有目的的活動，并且都有活動對象以及作用于對象的手段，因此，生產(chǎn)實踐活動作為生物學實驗的萌芽，為生物學實驗的建立和發(fā)展奠定了技術(shù)和手段的基礎(chǔ)。同近代生物學實驗相比，現(xiàn)代生物學實驗的內(nèi)容更為深入和廣泛，設(shè)備、方法和手段更為完善和先進。當時，倫琴并不知道這是什么射線，因此命名為“X射線”。在發(fā)現(xiàn)X射線后的第4天，美國人就將其應(yīng)用于人體透視，以確定殘存在體內(nèi)的彈片的位置。X射線衍射技術(shù)很快被運用到生物學實驗的研究中。1896年，繼X射線的發(fā)現(xiàn)后，在對X射線源的探究中，法國物理學家貝克勒爾(Becquerel，1852—1908)發(fā)現(xiàn)了鈾的放射性，緊接著，法國物理學家皮埃爾1934年，意大利物理學家費米(Fermi，1901—1954)又開辟了人工制造放射性元素的途徑。將放射性同位素的原子標記到某種化合物上，以研究該物質(zhì)在生物代謝中的蹤跡和變化，或用于生物大分子結(jié)構(gòu)的分析，這種技術(shù)稱為同位素示蹤技術(shù)。為此，赫維西獲得了1943年的諾貝爾化學獎。1923年，法國物理學家路易20世紀40年代，科學家們又研制出掃描電子顯微鏡，使物像更加清晰，立體感更強，因此，電子顯微鏡被廣泛地應(yīng)用到生物學實驗的研究中。當然，這些物理學和化學的新技術(shù)應(yīng)用到生物學領(lǐng)域中，促進了現(xiàn)代生物學實驗的發(fā)展，反過來，現(xiàn)代生物學實驗的發(fā)展也對這些技術(shù)提出了越來越高的要求，從而促進了這些技術(shù)的發(fā)展與更新。電子顯微鏡也在不斷地發(fā)展、改進和升級，使人們對生物超顯微結(jié)構(gòu)有了更深人的認識。20世紀70年代，生物學實驗在微觀領(lǐng)域里實現(xiàn)了革命性的突破，那就是在分子生物學基礎(chǔ)上發(fā)展起來的現(xiàn)代生物技術(shù)。細胞融合、體細胞雜交、核移植、外源染色體導入、組織培養(yǎng)等技術(shù)都屬于細胞工程?，F(xiàn)代生物技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，是現(xiàn)代生物學實驗發(fā)展的必然結(jié)果，它標志著現(xiàn)代生物學實驗已經(jīng)擺脫了傳統(tǒng)模式，而直接將生命科學的理論和發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于生產(chǎn)實踐的探索。電子計算機還可以追蹤自然現(xiàn)象的動態(tài)發(fā)展，既可以做分解實驗，又可以模擬綜合。數(shù)學模型已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高級神經(jīng)活動的生理學、復(fù)雜的生物系統(tǒng)、遺傳學、生態(tài)學的研究中。二、現(xiàn)代生物學實驗的特點現(xiàn)代生物學實驗從內(nèi)容到手段、方法，乃至實驗?zāi)Ｊ剑及l(fā)生了巨大的變革。生物科學領(lǐng)域里很多重大成果的突破如DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)、生物工程的發(fā)展、克隆技術(shù)的突破等，都離不開物理學和化學的手段。3．生物學實驗傳統(tǒng)模式的變革；現(xiàn)代生物學實驗的模式與近代生物學實驗的模式相比，有了很大的變化，它表現(xiàn)在：(1)實驗場所的突破。電子計算機和數(shù)學模型的建立，使實驗對象可以變得抽象化、模型化，更便于實驗和研究。在深入研究生物學實驗之前，我們首先探討一下究竟什么是生物學實驗，它包括哪些要素，有哪些類型?？梢赃@樣概括：觀察是實驗的基礎(chǔ)，實驗是觀察的發(fā)展。為了證實這種設(shè)想，巴甫洛夫在狗進食過程中進行了某些控制，如設(shè)計了鈴聲、電光等與唾液分泌無關(guān)的因素的刺激，并在狗的頰部制造了唾液漏，以觀察和收集狗的唾液。生物學實驗是有一定的研究對象，并根據(jù)研究目的，運用一定手段(儀器、設(shè)備等)主動控制、干預(yù)研究對象，或控制環(huán)境、條件，即創(chuàng)造一種典型環(huán)境或特殊條件，并在其中進行的探索生命現(xiàn)象及其運動規(guī)律的實踐活動。1．實驗者實驗者是整個生物學實驗的認識主體，是實驗過程中最積極、最活躍的因素，因此，從生物學實驗各個環(huán)節(jié)的設(shè)計，對研究對象、環(huán)境、條件的控制，以及實驗過程中的具體運作和探索活動，直至得出結(jié)論，都應(yīng)體現(xiàn)認識主體的主觀能動性。究竟什么是生命?這是生物科學史上一直爭論的問題。盡管生命及其運動是特殊的、復(fù)雜的，但生物體和生命活動是有其自身的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和運動規(guī)律的。(2)研究對象的可控性。控制是生物學實驗的靈魂。生物學實驗的研究對象是具有生命的物質(zhì)，而生命和非生命