【正文】 礎(chǔ)上發(fā)表了他舉世聞名的著作——《動(dòng)物心臟與血液運(yùn)動(dòng)的解剖學(xué)研究》。哈維的研究之所以獲得成功的重要原因，是他應(yīng)用了正確的研究方法——在觀察事實(shí)的基礎(chǔ)上提出假設(shè)，并通過實(shí)驗(yàn)來證實(shí)假設(shè)。血液循環(huán)的發(fā)現(xiàn)，標(biāo)志著建立在實(shí)驗(yàn)和精密測量基礎(chǔ)上的實(shí)驗(yàn)生理學(xué)的建立。正如恩格斯所說：“哈維由于發(fā)現(xiàn)了血液循環(huán)，而把生理學(xué)確立為科學(xué)。近代資本主義工業(yè)的巨大發(fā)展，使得科學(xué)實(shí)驗(yàn)又獲得了許多先進(jìn)的儀器設(shè)備。1661年，意大利解剖學(xué)家馬爾比基(Malpighi，1628—1694)利用顯微鏡看到了青蛙肺里連接靜脈和動(dòng)脈的“微血管”。馬爾比基之后，荷蘭生物學(xué)家列文虎克(Anthony van Leeuwenhoek，1632—1723)于1688年又在顯微鏡下看到了蝌蚪和青蛙腳蹼上的毛細(xì)血管，并描述了透過毛細(xì)血管薄壁所看到的紅細(xì)胞。1727年，英國生理學(xué)家黑爾茨(S．Hales，1677—1761)也運(yùn)用了對照實(shí)驗(yàn)，并首次運(yùn)用定量實(shí)驗(yàn)證實(shí)了葉子的蒸騰作用。黑爾茨還用定量實(shí)驗(yàn)的方法測定了動(dòng)物的血壓：他將一根銅管插入馬的頸動(dòng)脈的切口。黑爾茨指出，這是由于心臟搏動(dòng)產(chǎn)生的力量而造成的“血壓”，他還計(jì)算了血液從動(dòng)脈流出的量與血壓隨之下降的關(guān)系。在他撰寫的《植物靜力學(xué)》(1727年)和《血液靜力學(xué)》(1733年)中，黑爾茨運(yùn)用了大量的定量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，闡明了植物的蒸騰作用、生長速度以及氣體、日照與植物代謝的關(guān)系，還測定了左心室的容量和每分鐘排出量以及血液流動(dòng)速度和阻力。15世紀(jì)后半葉，化學(xué)從缺乏科學(xué)基礎(chǔ)的原始煉金術(shù)時(shí)期進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)期——醫(yī)藥化學(xué)時(shí)期。瑞士醫(yī)生、醫(yī)藥化學(xué)家巴拉塞爾蘇斯(P．A．Paracelsus，1493—1541)把化學(xué)知識應(yīng)用于醫(yī)藥實(shí)踐中，對人體生理提出了一個(gè)新的見解，他認(rèn)為，人體本質(zhì)上是一個(gè)化學(xué)系統(tǒng)，人體的生理功能就是一個(gè)化學(xué)過程。隨著化學(xué)方法和手段在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，人們又陸續(xù)證明了植物的光合作用和動(dòng)、植物的呼吸作用等一系列生理過程中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。19世紀(jì)，科學(xué)實(shí)驗(yàn)在生物學(xué)領(lǐng)域呈現(xiàn)了全面繁榮的局面。在這之后，實(shí)驗(yàn)方法被推廣到生物細(xì)胞的研究中。從此，觀察細(xì)胞學(xué)發(fā)展成為實(shí)驗(yàn)細(xì)胞學(xué)。他通過實(shí)驗(yàn)證明，發(fā)酵過程是由微生物的酵素實(shí)現(xiàn)的，每一種酵素只對某一特定的發(fā)酵過程起作用，而且受溫度、pH、基質(zhì)成分等影響。巴斯德在實(shí)驗(yàn)中嚴(yán)格控制無菌條件，以長曲頸瓶凈化和無菌肉湯接觸的空氣，證實(shí)了肉湯腐敗的原因是來自外界微生物的污染，而肉湯本身不能產(chǎn)生細(xì)菌，從而證明了生物“自然發(fā)生”的不可能性。在遺傳學(xué)的領(lǐng)域里，如果說，早期人們進(jìn)行的一些雜交工作還只是停留在由于育種需要而從事的實(shí)踐活動(dòng)，或者說是遺傳實(shí)驗(yàn)的萌芽，那么，奧地利遺傳學(xué)家盂德爾(Gregor Johann Mendel，822—1884)于1856年開始進(jìn)行的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)，就改變了以往為得到新品種而進(jìn)行的單純實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。將統(tǒng)計(jì)學(xué)原理運(yùn)用到遺傳實(shí)驗(yàn)研究中的還有美國科學(xué)家高爾頓{Galton，1822—1911}。1885年，在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，他創(chuàng)立了“優(yōu)生學(xué)”。德弗里斯(Hugo de vries，1848—1935)。德弗里斯將這個(gè)新變種的出現(xiàn)稱之為“突變”。德弗里斯的實(shí)驗(yàn)證明了新種的起源途徑，從而為以描述為主的進(jìn)化論提供了實(shí)驗(yàn)方法，使其具有了更為科學(xué)的特征。歸納起來，近代生物學(xué)實(shí)驗(yàn)有如下特點(diǎn)：1．生物學(xué)實(shí)驗(yàn)不再是對自然現(xiàn)象的觀察和描述，而是有目的的對生命本質(zhì)的探索。雖然生物學(xué)實(shí)驗(yàn)和自然觀察是緊密聯(lián)系在一起的，它們都是搜集事實(shí)、獲取感性材料的方法，然而自然觀察只是在自然狀態(tài)下去認(rèn)識對象，而生物學(xué)實(shí)驗(yàn)是在人為控制的條件下或在改變對象狀態(tài)的條件下，有目的地認(rèn)識對象，因此，生物學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驈母钊氲谋举|(zhì)對生命活動(dòng)進(jìn)行探索。但是生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)主要是解決人與自然的直接關(guān)系，其目的是獲取人類直接需要的物質(zhì)財(cái)富，如釀酒技術(shù)、發(fā)酵技術(shù)、養(yǎng)蠶技術(shù)、雜交育種技術(shù)等，而生物學(xué)實(shí)驗(yàn)則是以認(rèn)識生命及其規(guī)律為直接目的的探索活動(dòng)，其實(shí)驗(yàn)對象不是自然，而是從自然中抽取出來的典型環(huán)境中的事物，這就可以使事物的本質(zhì)得以表現(xiàn)，如哈維對血液循環(huán)動(dòng)力及血液循環(huán)方向的探索。第三節(jié) 現(xiàn)代生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展19世紀(jì)末，自然科學(xué)開始了全面的、革命性的發(fā)展，生物學(xué)實(shí)驗(yàn)也進(jìn)入了現(xiàn)代發(fā)展的階段。生物學(xué)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成為現(xiàn)代生物科學(xué)取得成果的重要基礎(chǔ)。1895年，德國物理學(xué)家倫琴（ , 1845——1923）在進(jìn)行陰極射線實(shí)驗(yàn)時(shí)，意外地發(fā)現(xiàn)了一種穿透力極強(qiáng)的射線，它能穿過密封的黑色紙使照相底片感光。后人稱之為“倫琴射線”。最早應(yīng)用X射線的是醫(yī)學(xué)外科。為此，倫琴獲得了名譽(yù)醫(yī)學(xué)博土的學(xué)位。勞厄(Von Laue，1879—1960)發(fā)現(xiàn)了X射線能被晶體所衍射，物質(zhì)的結(jié)晶越完善，衍射效果就越好，在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的X射線晶體衍射技術(shù)可以使人間接地觀察到分子中原子的位置。1937年，美國化學(xué)家鮑林(Pauling，1901一 )首次運(yùn)用X射線衍射技術(shù)研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，至1950年，終于成功地確定了蛋白質(zhì)的α螺旋結(jié)構(gòu)。美國遺傳學(xué)家沃森(J．Watson，1928一 )和英國物理學(xué)家克里克(F．H．C．Crick，1916一 )在此基礎(chǔ)上于1953年提出了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的分子模型。居里(P．Curie，1859—1906)和瑪麗放射性元素的發(fā)現(xiàn)推翻了“原子不可再分”的觀點(diǎn)，改變了自然科學(xué)家的思維。在短短幾個(gè)月中，人類得到了37種放射性同位素。放射性元素的發(fā)現(xiàn)及放射性同位素的獲得，開辟了現(xiàn)代生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的新途徑，一種新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)——同位素示蹤技術(shù)誕生了。最早在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用放射性同位素示蹤技術(shù)的是匈牙利化學(xué)家赫維西(Heresy，1885—1966)。1934年，人工制造放射性同位素獲得成功后，赫維西開始用以人工放射性磷標(biāo)記的磷酸鹽進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，了解了磷在動(dòng)、植物體內(nèi)的代謝蹤跡。赫維西之后，放射性同位素示蹤技術(shù)廣泛應(yīng)用于生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中。1898年，英國物理學(xué)家湯姆森(J．Thomson，1856—1940)發(fā)現(xiàn)并證實(shí)了“電子”的存在，這不僅打開了原子世界的大門，開創(chuàng)了物理學(xué)的新時(shí)代，也為現(xiàn)代生物學(xué)實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。德布羅意(Louis Victor de Broglie，1892—1987)證實(shí)了電子的波動(dòng)性，這就為用電子射線和電子透鏡制作顯微鏡提供了理論依據(jù)。由于用電子代替光源，電子顯微鏡的分辨率比光學(xué)顯微鏡提高了幾百倍甚至上千倍。又因?yàn)殡娮又荒芡ㄟ^很薄的物體，且通過電鏡觀察的又是生物體的超微結(jié)構(gòu)，因此，被觀察的物體切片必須做得很薄，于是，電子顯微鏡的問世又推動(dòng)了生物超薄切片技術(shù)及材料染色技術(shù)的不斷進(jìn)步。20世紀(jì)40年代以后發(fā)明的核磁共振技術(shù)，可以在液體狀態(tài)下測定生物大分子結(jié)構(gòu)，彌補(bǔ)了X射線銜射技術(shù)必須用結(jié)晶態(tài)樣品的不足；20世紀(jì)60年代，激光技術(shù)應(yīng)用于細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)中，可以在不損壞生物體周圍組織的條件下分別破壞細(xì)胞里的各個(gè)細(xì)胞器，以達(dá)到對這些細(xì)胞器生物功能進(jìn)行研究的目的；超速離心機(jī)及其在生物研究中的應(yīng)用已經(jīng)成為現(xiàn)代生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要設(shè)備與技術(shù)，可以分離、純化生物高分子；層析技術(shù)、電泳技術(shù)等對生物體組織、細(xì)胞和化合物組成的各成分的分離、鑒定都有十分重要的作用。1906年，俄國生理學(xué)家茨維特(Tsvet，1872—1919)發(fā)明了層析技術(shù)，并用此技術(shù)首次分離出多種類型的葉綠素和類胡蘿卜素。這二技術(shù)在生物學(xué)、化學(xué)與醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)研究中迅速得到廣泛應(yīng)用及發(fā)展。如今，掃描隧道電子顯微鏡已經(jīng)可以達(dá)到原子級的分辨率。分子生物學(xué)的建立，不僅對整個(gè)生物學(xué)及生物學(xué)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，而且對20世紀(jì)以來的技術(shù)革命也產(chǎn)生了不可估量的作用?，F(xiàn)代生物技術(shù)與古人在生產(chǎn)實(shí)踐中摸索出來的生產(chǎn)技術(shù)有著本質(zhì)的不同，它是應(yīng)用生物學(xué)和工程學(xué)原理，把生物材料定向地組建成生物新品種的綜合性技術(shù)，也稱生物工程，包括基因工程、細(xì)胞工程、酶工程、發(fā)酵工程。細(xì)胞工程是指用細(xì)胞生物學(xué)方法將一種細(xì)胞的染色體或細(xì)胞核等轉(zhuǎn)移到另一種細(xì)胞中去，從而獲得新的生物類型。酶工程是利用酶促反應(yīng)的高效性和高度專一性的特點(diǎn)，借助于工藝手段和生物反應(yīng)器來進(jìn)行某種產(chǎn)品生產(chǎn)的一種技術(shù)。生物工程中的各種工程之間是相互聯(lián)系的，其中以基因工程為基礎(chǔ)，只有通過基因工程才能達(dá)到對生物的改造，從而按人類愿望獲得新的生物產(chǎn)品，而基因工程、細(xì)胞工程、酶工程的成果，也要通過發(fā)酵工程才能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。例如，遺傳工程為細(xì)胞分化、腫瘤發(fā)生等有關(guān)生物學(xué)基礎(chǔ)理論的研究提供了有效的實(shí)驗(yàn)手段，也促使工業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥等生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)生重大變革。它不同于一般的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)工具和手段，不僅具有運(yùn)算速度快，精確度高等特點(diǎn)，可以將人從繁雜的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)中解放出來，還能模擬人腦，具有記憶和判斷的功能，可以幫助人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、整理資料、辨別結(jié)果差異。例如，環(huán)境對生物的影響是多因素綜合的；結(jié)果，人為進(jìn)行考察，往往很難嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)對象+條件等各種因素，而電子計(jì)算機(jī)可以通過模擬某一自然環(huán)境及其中的生物，分解各個(gè)獨(dú)立因素對生物的影響，也可以綜合各種因素對生物的整體影響，還可以模擬進(jìn)行生物對環(huán)境的作用的研究實(shí)驗(yàn)。4．生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中數(shù)學(xué)模型的建立現(xiàn)代生物學(xué)實(shí)驗(yàn)革命的另一個(gè)標(biāo)志，就是數(shù)學(xué)模型的建立。數(shù)學(xué)模型在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中的意義在于：(l)可以進(jìn)行很大數(shù)量的分析處理，從而克服了實(shí)際實(shí)驗(yàn)中只能對少部分生物進(jìn)行分析的局限。(3)能重復(fù)研究實(shí)驗(yàn)的各種信息、資料，而實(shí)際實(shí)驗(yàn)中很難做到。歸納起來，現(xiàn)代生物學(xué)實(shí)驗(yàn)有如下幾個(gè)方面的特征。19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，物理學(xué)和化學(xué)對生物學(xué)及其實(shí)驗(yàn)的影響越來越明顯，物理學(xué)和化學(xué)的手段在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)亮中的應(yīng)用改變了以往生物學(xué)實(shí)驗(yàn)手段的簡單和粗陋，為生物學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了電子顯微鏡、激光器、核磁共振儀、色譜儀等靈敏度高、可靠性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)裝置。正如恩格斯曾經(jīng)論斷的：“只有在這些統(tǒng)治著非生物界的運(yùn)動(dòng)形式的不同的知識部門達(dá)到高度的發(fā)展以后，才能有效地闡明各種顯示生命過程的運(yùn)動(dòng)進(jìn)程?！?《自然辯證法》)2．生物學(xué)實(shí)驗(yàn)與生物技術(shù)的關(guān)系日益緊密古代的生物技術(shù)只是為生活需要的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的積累，而現(xiàn)代生物技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到以理論為指導(dǎo)，并為新理論的產(chǎn)生提供研究方法的實(shí)踐活動(dòng)，它和生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的關(guān)系也日益緊密，其表現(xiàn)為：生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的成果迅速被運(yùn)用到生物技術(shù)中，而生物技術(shù)又迅速為生物學(xué)實(shí)驗(yàn)提出新的課題和新的手段。以往的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)大多局限在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，而現(xiàn)代生物學(xué)實(shí)驗(yàn)由于和生產(chǎn)技術(shù)的結(jié)合日益緊密，其實(shí)驗(yàn)場所并不局限在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，它的規(guī)模也日益擴(kuò)大。傳統(tǒng)的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的對象都是具體的實(shí)物?？傊?0世紀(jì)以來，生物學(xué)實(shí)驗(yàn)取得了突破性的進(jìn)展，生物科學(xué)也獲得巨大的發(fā)展。第二章 生物學(xué)實(shí)驗(yàn)概述從生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)生及發(fā)展的過程中，我們可以看出，對生命本質(zhì)進(jìn)行研究的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)對生命科學(xué)的發(fā)展是有著重要作用的。第一節(jié) 生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本要素一、什么是生物學(xué)實(shí)驗(yàn)一般的觀察是在保持自然狀態(tài)下對事實(shí)的考察，是對生命體的形態(tài)結(jié)構(gòu)或生命現(xiàn)象的記錄，而生物學(xué)實(shí)驗(yàn)則不同，它是在觀察的基礎(chǔ)上，運(yùn)用各種手段，運(yùn)用各種方法，通過人為干預(yù)某些因素，而對生命的發(fā)生、發(fā)展追根尋源的實(shí)踐過程。因此，兩者是相互聯(lián)系、相互補(bǔ)充、相互滲透、密不可分的。我們從俄國生理學(xué)家巴甫洛夫(Pavlov，1849—1936)所進(jìn)行的著名的“條件反射建立”的實(shí)驗(yàn)過程來分析生物學(xué)實(shí)驗(yàn)和生物學(xué)觀察的區(qū)別與聯(lián)系。這種發(fā)現(xiàn)完全是憑著一種自然觀察，即在自然狀態(tài)下所得到的，于是他做出一種與狗的唾液分泌無關(guān)的因素(腳步聲)和有關(guān)的因素(食物)之間存在著某種聯(lián)系的設(shè)想。這一系列的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)是在人為控制或干預(yù)的條件下進(jìn)行的，它不同于開始的自然觀察，但又是在最初的自然觀察的基礎(chǔ)上建立的。巴甫洛夫的“條件反射建立”的實(shí)驗(yàn)不僅使我們認(rèn)識了生物學(xué)實(shí)驗(yàn)與自然觀察的區(qū)別與聯(lián)系，也為我們提示了究竟什么是生物學(xué)實(shí)驗(yàn)。二、生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本要素從生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的概念中可以看出，生物學(xué)實(shí)驗(yàn)是人對生物體及生命現(xiàn)象的主動(dòng)認(rèn)識過程，因此，從認(rèn)識論的角度分析，生物學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)包括實(shí)驗(yàn)者、實(shí)驗(yàn)研究對象和實(shí)驗(yàn)手段等三種要素。有關(guān)方法問題，在后面還要進(jìn)行專題討論，因此，本節(jié)只從認(rèn)識論的角度來分析生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本要素。生物學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芊瘾@得預(yù)期的效果，能否成功，取決于實(shí)驗(yàn)者生物科學(xué)理論知識的水平和思維能力，也取決于實(shí)驗(yàn)者運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的技術(shù)水平，以及從實(shí)驗(yàn)過程中獲取信息的能力。2．實(shí)驗(yàn)研究對象生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究對象是生命及其各種形式的運(yùn)動(dòng)。辯證唯物主義認(rèn)為：生命是宇宙中的物質(zhì)從原始星云經(jīng)過物理演化和化學(xué)演化而進(jìn)化來的最高級最復(fù)雜的物質(zhì)形態(tài)，其運(yùn)動(dòng)變化也是自然界中最高級最復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)方式。(1)研究對象的客觀性。無論是微觀的超顯微結(jié)構(gòu)及其信息的復(fù)制和遺傳變異，還是宏觀的生物個(gè)體及其形成的生物種群和生物群落，這些都是客觀存在的，是在長期的物種進(jìn)化中形成的，同時(shí)，也是可以被人類通過生物學(xué)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識的。實(shí)驗(yàn)者通過實(shí)驗(yàn)過程認(rèn)識其研究對象，就在于揭示它們的微觀或宏觀的結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。生物學(xué)實(shí)驗(yàn)之所以區(qū)別于自然觀察，就在于實(shí)驗(yàn)本身的可控性，而對研究對象的控制和干預(yù)，是揭示生命本質(zhì)特征的重要手段。又如，在前提到的巴甫洛夫的生理實(shí)驗(yàn)，也是通過對研究對象的控制才可能成功的。實(shí)驗(yàn)的成功與否取決于控制的嚴(yán)密程度。(3)研究對象的主動(dòng)性和復(fù)雜性。這些都決定了生命體的主動(dòng)性。法國昆蟲學(xué)家法布爾(Fabre，1823—1915)曾經(jīng)做過這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：在雨夜中將一只雌蛾放在叢林中的黑屋里，并用紗籠罩住，盡管風(fēng)雨交加，但仍然有幾十只雄蛾冒雨頂風(fēng)前來尋找雌蛾交尾。植物對改變其生活環(huán)境也起著非常重要的作用，它可以調(diào)節(jié)溫度、濕度，改變空氣成分。當(dāng)然，這些研究對象的主動(dòng)性是與人的主動(dòng)性有著本質(zhì)的區(qū)別的。除此之外，生物的多樣性是任何非生命物質(zhì)所不能比擬的，每一種生物又有其適應(yīng)的生活環(huán)境，這就決定了研究對象的復(fù)雜性。3．實(shí)驗(yàn)手段生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的手段主要包括實(shí)驗(yàn)工具、儀器、實(shí)驗(yàn)裝置和設(shè)備等物質(zhì)手段。①工具類：主要有解剖器、解剖盤、解剖臺、注射器、溫度計(jì)、血壓計(jì)、骨剪、鉆孔器、捕蟲網(wǎng)、采集箱等。③大型設(shè)備類：主要有恒溫培養(yǎng)箱、接種箱、冰箱、電子顯微鏡、分光光度儀、電泳設(shè)備等。隨著一些物理、化學(xué)手段在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，生物學(xué)實(shí)驗(yàn)手段也越來越精確，越來越完善。①實(shí)驗(yàn)手段是實(shí)驗(yàn)者與研究對象的中介。這些都是實(shí)驗(yàn)手段對人的感官和肢體的延伸。②實(shí)驗(yàn)手段是實(shí)驗(yàn)者控制和純化研究對象及其環(huán)境的重要條件。如對細(xì)菌的研究，