细胞学说与进化论

在恩格斯总结的19世纪三大科学发现中，除了能量守恒属于热力学范畴，另外两大发现，即细胞学说和进化论，都属于生物学领域。如果说17世纪奠定了高等数学和经典物理学的基础，18世纪奠定了化学的基础，那么19世纪则奠定了生物学的基础。

自古以来，人类就试图搞清楚两件事：我们所生活的宇宙的构成，以及我们自身的构成。有趣的是，人类对外部世界的了解似乎比对自身的了解更多。到了19世纪，人类已经了解了构成宇宙的星系和构成世界的物质，却对构成生物生命的基本单元所知甚少。

最早系统地研究生物学的学者当属亚里士多德，他依据外观和属性对植物进行了简单的分类整理。中国明朝的李时珍通过研究植物的药用功能，对不少植物做了分类，但是其研究也仅限于植物的某些药物特性。对外观、生物特征和一些物理化学特性的研究，属于生物学研究的第一个阶段，即表象的研究。当然，表象的研究通常只能得到表象的结论。按照今天的标准来衡量，无论是亚里士多德还是李时珍，对动植物的研究都有很多不科学、不准确的地方。

对生物第二个层面的研究是通过探究生物体内部的结构，以及内部各部分（如器官）的功能，了解整个生物体的活动，乃至生命的原理，这就要依赖解剖学了。尽管从出土文物和一些文字记载来看，早在美索不达米亚文明和古埃及文明时期，人类就开始了解剖学的研究，但是由于缺乏对细节的记载，我们无法判断当时解剖学的研究水平。

人类真正取得一些解剖学的成就，是在古希腊时期。今天，一些书中将希波克拉底（前460—前370）作为解剖学的鼻祖，其实在他所处的年代，古希腊的解剖学已经比较普及，只不过希波克拉底记载了当时的解剖学成就，如古希腊人对人的运动系统，包括骨骼和肌肉的研究。事实上，在希波克拉底前后的几十年间，古希腊的雕塑水平有了质的飞跃，这和解剖学的进步密切相关。此外，古希腊人还通过解剖学了解了人和动物一些器官的功能，比如肾脏的功能、心脏中三尖瓣等组织的功能等。不过，总的来说，人体解剖在古希腊属于一种禁忌，大量解剖人体是不可能的。

到了古罗马帝国中期，古代医学理论家盖仑绕开人体解剖的禁忌，通过解剖狗等动物来间接了解人的器官和它们的作用。盖仑的这种想法很聪明，但是狗的生理结构和人的毕竟不完全一样，因此，盖仑的理论有很多谬误。所幸的是，盖仑对每一次的研究和诊断都有详细记录，据说一生写了上千万字的医学文献，这些资料后来传到了阿拉伯，又传回到欧洲，对后来的医学研究有非常大的价值。因为即使盖仑的结论错了，大家也能够从他的手稿中找到原因。虽然手稿在传播的过程中丢失了很多，有些因为翻译错误无法还原他当初的文字，但是到19世纪，依然保留下300多万字的文稿。莱比锡的医生兼医学史家库恩（Karl Gottlob Kühn，1754—1840）花了十多年时间，整理和出版了盖仑的122卷医学手稿——《盖仑文库》。《盖仑文库》被分成22卷，超过2万页，其中经过整理后的仅索引就多达600多页。今天一些人嘲笑盖仑的手稿中存在一些常识性错误，但是当我们面对这残存的122卷手稿时，不得不对这位一生孜孜不倦、严谨治学的学者表示由衷的敬佩。

在古罗马帝国分裂之后，世界医学的中心从欧洲转移到了阿拉伯帝国及其周围地区。当时这些地区对人和动物器官功能的研究比古希腊和古罗马时期又进了一步。

文艺复兴之后，生理学研究的中心又转回欧洲，包括达·芬奇等科学先驱在内，很多科学家偷偷地进行解剖学的研究，从而对人类自身和动物（比如鸟类）的结构有了比较准确的了解。但是，真正开创近代解剖学的是生活在布鲁塞尔的尼德兰医生安德雷亚斯·维萨里（Andreas Weselius，1514—1564），他于1543年完成了解剖学经典著作《人体的构造》（De humani corporis fabrica）一书，系统地介绍了人体的解剖学结构。在书中，维萨里亲手绘制了很多插图。为了绘制得真实，他甚至直接拿着人的骨头在纸上描。这本书让后来的学者对人体的结构和器官功能有了直观的了解，维萨里也因此被誉为“解剖学之父”。

虽然在解剖学的基础上，现代医学建立了起来，但是通过肉眼只能观察到器官，看不到更微观的生物组织结构（如细胞），更不用说搞清楚生物生长、繁殖和新陈代谢的原理了。这就需要通过仪器的帮助，进入第三个层面的研究，即深入到组织细胞。

1665年，英国科学家胡克利用透镜的光学特性，发明了早期的显微镜。通过显微镜，胡克观察了软木塞的薄切片，发现里面是一个个的小格子，并且把他的所见画了下来。当时胡克并不知道自己发现了细胞（更准确地说是死亡细胞的细胞壁），因此就把它称为小格子（cell），这就是英文细胞一词的来历。虽然胡克看到的只是细胞壁，而没有看到里面的生命迹象，但是人们还是将细胞的发现归功于他。

真正发现活细胞的是我们在前面提到的荷兰生物学家、显微镜的制造商列文虎克。1674年，列文虎克用显微镜观察雨水，发现里面有微生物，这是人类历史上第一次（有记载的）发现有生命的细胞（细菌）。之后，他又用显微镜看到了动物的肌肉纤维和毛细血管中流动的血液。

▲图6.12 胡克观察到的软木细胞

列文虎克虽然看到了细胞，但是并没有想到它们就是组成生物体的基本单位。直到19世纪初，法国博物学家（现在叫生物学家）拉马克（Jean-Baptiste Lamarck，1744—1829）才提出生物所有的器官都是细胞组织的一般产物这样一个假说，但是拉马克无法证实自己的假说。

1838年，德国科学家施莱登（Matthias Schleiden，1804—1881）通过对植物的观察，证实了细胞是构成所有植物的基本单位。第二年，和施莱登交流密切的德国科学家施旺（Theodor Schwann，1810—1882）将这个结论推广到动物界。之后他们一同创立了细胞学说。细胞学说首先在植物上得到验证是有原因的，因为植物有细胞壁，容易在显微镜下观察到，而观察动物细胞就相对难一些。直到后来，施旺在高倍数的显微镜下才发现了动物细胞的细胞核和细胞膜，以及两者之间的液状物质（细胞质）。施旺还得出一个结论：细胞中最重要的是细胞核，而不是外面的细胞壁。这个结论也得到了施莱登的认可。但是为什么细胞核重要，施旺和施莱登也只是猜想而已，他们认为，从老细胞核中能长出一个新细胞。后来，施莱登的朋友内格里（Carl Nageli，1817—1891）用显微镜观察了植物新细胞的形成过程和动物受精卵的分裂过程，发现老的细胞会分裂出新的细胞。在此基础上，1858年，德国的魏尔肖（Rudolf Virchow，1821—1902）总结出，“细胞通过分裂产生新细胞”。

对生物第四个层面的研究则是在细胞内部了。随着生物知识的积累以及显微镜的不断改进，人类能够了解到构成细胞的有机物，包括它的遗传物质。因此，20世纪之后，生物学从细胞生物学进入分子生物学的阶段。生物学的历史虽然很长，但是它的发展到了19世纪后才突然加速。这里面有两个主要原因：一个是前面提到的仪器的进步，特别是显微镜的进步和普及；另一个则是学术界此时普遍开始自觉运用科学方法论。人们在研究生物的过程中，懂得了要了解一个整体，需要先将它分解成部分单独进行研究，然后再从对局部的认识上升到对整体的认识，也就是认识论中分析与综合的两个过程。

在生物学中，还有两个根本的问题没有解决，那就是为什么一些物种之间存在高度的相似性，以及所有的物种从何而来。早在18世纪末，月光社的成员伊拉斯谟斯·达尔文（老达尔文）就提出了进化论的初步想法，但是当时只是假说而已。1809年，拉马克提出了用进废退和获得性遗传的假说，即生物体的器官经常使用就会变得发达，不经常使用就会逐渐退化，而生物后天获得的特征是可以遗传的。比如为什么长颈鹿长着长脖子，因为它们为了吃到树上的树叶，就不断伸长脖子，于是脖子就越用越长，并且长颈鹿将这个特征传给了后代。

拉马克的学说很容易理解，然而却有很多破绽，容易被证伪，比如，将老鼠的尾巴切掉，它们的后代依然长着尾巴。这说明后天的获得性特征是无法遗传的。那么，有没有更好的理论能够解释生物之间的相似性和进化的原因呢？伊拉斯谟斯·达尔文的孙子查尔斯·达尔文最终完成了这项伟大的工作。

达尔文从小对博物学感兴趣，在大学期间接触到拉马克关于生物演化的主张，毕业后他和一些同学一起前往马德拉群岛研究热带博物学。达尔文发现，在那些与世隔绝的海岛上，昆虫自身形态和大陆上的昆虫有巨大的差异。他经过分析得出的结论是，存活下来的昆虫是为了在海岛特定的环境中生存而改变了自身的特征。这个发现非常重要，导致了他后来进化论中“自然选择”和“适者生存”两个理论的提出。为了进一步研究博物学和地质学，达尔文打算以志愿者的身份跟随小猎犬号的船长、科学家罗伯特·菲兹罗伊（Robert FitzRoy，1805—1865）前往南美洲探险考察。达尔文的父亲认为这纯粹是浪费时间，反对他的计划，不过被达尔文的舅舅韦奇伍德二世（月光社成员、瓷器大王韦奇伍德的儿子）说服，同意达尔文参与了这次导致19世纪最重大发现的探险之旅。后来，韦奇伍德二世还成了达尔文的岳父。

1831年12月，达尔文以博物学家的身份参加了小猎犬号军舰的环球考察。达尔文每到一处都会做认真的考察和研究。他在途中跋山涉水，采集矿物和动植物标本，挖掘了生物化石，发现了很多从来没有记载的新物种。通过对比各种动植物标本和化石，达尔文发现，从古至今，很多旧的物种消失了，很多新的物种产生了，并且随着地域的不同而不断变化。

1836年，达尔文回到英国。整个考察过程历时5年之久，远比原来想象的两年要长得多。在考察中，达尔文积累了大量的资料和物种化石，可以说如果没有这些第一手资料，达尔文后来不可能提出进化论。回国之后，他又花了几年时间整理这些资料，并寻找理论根据。6年后，也就是1842年，达尔文写出了《物种起源》的提纲。

但是在接下来的十几年里，达尔文却只字未写，这又是为什么呢？因为达尔文深知他的理论一旦发表，将颠覆整个基督教立足的根本。直到1858年，一件事让达尔文不得不立即完成并发表了《物种起源》一书。

这一年，英国一个年轻学者阿尔弗雷德·拉塞尔·华莱士（Alfred Russel Wallace，1823—1913）经过自己在世界各地的考察研究，也发现了进化论，他写了一篇论文寄给达尔文。达尔文收到论文后发现有人也提出了和他类似的理论，非常震惊，不知所措。他咨询了皇家学会的朋友，朋友建议他将自己的想法也写成一篇论文，两篇论文同时在皇家学会的刊物上发表。达尔文将这个建议和自己的论文也寄给华莱士征求意见，华莱士不仅欣然同意，而且表示非常荣幸能与达尔文的论文一同发表。华莱士为了表示对达尔文的支持，便在后来的著作中以“达尔文主义”的提法来讲述进化论。达尔文和华莱士的交往也成了科学史上的一段佳话。

1858年，两篇讲述进化论的论文在皇家学会的会刊上发表了。1859年，达尔文出版了人类历史上最具震撼力的科学巨著《物种起源》。达尔文在书中提出了完整的进化论思想，指出物种是在不断地变化之中，是由低级到高级、由简单到复杂的演变过程。对于进化的原因，达尔文用4条根本的原理进行了合理的解释：

·过度繁殖。

·生存竞争。

·遗传变异。

·适者生存。

达尔文的理论一发表，就在全世界引起了轰动。达尔文的理论说明，这个世界是演变和进化来的，而不是神创造的。进化论对基督教产生的冲击，远大于哥白尼的日心说。当时的教会，无论是罗马教廷还是新教派都狂怒了，对达尔文群起而攻之，但是在这狂怒的背后则是恐慌。这种恐慌用今天大数据的观点其实很好解释。哥白尼的理论更像是单纯的假说，当时并没有什么数据支持，大家对它是将信将疑，甚至漠不关心。但是达尔文的进化论不同，它有大量的数据支持，结论又合乎逻辑，因此达尔文的理论从一开始就被很多人接受了。

和教会态度相反的，是以赫胥黎（Thomas Henry Huxley，1825—1895）为代表的进步学者，他们积极宣传和捍卫达尔文的学说。赫胥黎指出，进化论解开了对人们思想的禁锢，让人们从宗教迷信中走出来。进化论和神创论的官司在全世界一直打了上百年，直到21世纪，美国最后几个保守的州明确规定，中学教学中要讲授进化论。2014年，教皇方济各公开承认进化论和《圣经》并不矛盾，进化论才算是取得了决定性的胜利，这时离达尔文去世已经过去130多年了。

达尔文的进化论对世界的影响，不仅仅在于回答了物种的起源和进化的问题，而且告诉人们，世界的万物都是可以演变和进化的。这是在牛顿之后，又一次让人类认识到需要用发展的眼光来看待我们的世界。

能量守恒定律、细胞学说和进化论被恩格斯称为19世纪的三大科学发现，它们不仅对物理学、生物学和医学本身有重大的意义，而且确立了唯物论的科学基础。