20世紀化學的發(fā)展可從本體論和認識論的角度分為兩大部分。第一部分是化學基礎(chǔ)理論的工作。主要在化學所積累的經(jīng)驗事實和來自物理學的有關(guān)經(jīng)驗事實（如光譜）的基礎(chǔ)上，密切結(jié)合20世紀物理學的成果，探討原子、分子的存在方式與變化規(guī)律，以解釋經(jīng)驗事實。此外還有化學動力學的研究。這些理論進展使化學大為深入。第二方面的工作大致沿著經(jīng)典化學的認識途徑，結(jié)合物理學的新技術(shù)（如X衍射），發(fā)現(xiàn)、認識并合成越來越復(fù)雜的化合物，逐漸步入生物大分子領(lǐng)域，從而大大開拓了化學的研究領(lǐng)域。此外還有無機化學等的進展。這兩部分研究的關(guān)系是，后一方面的探索為前一方面理論的研究積累資料，并提出問題，開拓可供理論發(fā)展的廣闊領(lǐng)域，并有待從理論上闡明自身。理論方面的工作則解釋經(jīng)驗事實，提出預(yù)言，指導拓展方面工作的進行。兩個方面發(fā)展的共同點是，研究對象都由低層次推進到高層次。但在同一時期，經(jīng)典化學的擴展與延伸所涉及對象的層次，通常要高于理論研究對象的層次。就此意義上說，這方面的工作走在理論研究的前面，在開拓未知領(lǐng)域時更多地是在摸索中前進。由于20世紀化學中的理論研究實質(zhì)上是物理理論向化學領(lǐng)域的滲透，因而在化學領(lǐng)域內(nèi)理論的滯后現(xiàn)象正說明現(xiàn)成的物理理論不能直接用于化學領(lǐng)域，必須加以改造。不過在30年代量子化學誕生并獲得迅速發(fā)展后，上述情況開始發(fā)生轉(zhuǎn)變，逐步顯示出理論的指導意義。
鑒于20世紀化學的發(fā)展可分為兩個部分，因而對其分期也有所不同。理論方面的發(fā)展因與物理學關(guān)系密切，故分期與之相應(yīng)，以1927年為界分為前后兩個時期，另一方面工作較多涉及生物學，可以20世紀50年代生物學革命而劃為兩個時期。
一、化學理論的深入由20世紀初至1927年是理論發(fā)展的第一階段，其核心是由經(jīng)典結(jié)構(gòu)理論到量子化學。
上節(jié)談到，物理學家在20世紀后開始對各種物質(zhì)形態(tài)感興趣，玻爾曾試圖以“電子對軌道”來建立簡單的分子模型?；瘜W家如路易斯于1916年建立靜止的立方體殼層模型，能較好地解釋原子間的化合，并且成功地將經(jīng)典結(jié)構(gòu)式中的短線翻譯成電子對。但由于量子力學尚未建立，同時也缺少光譜數(shù)據(jù)等實驗依據(jù)，物理學家的模型并不成功，而化學家的靜止模型也受到物理學家批評。
由20世紀20年代到1927年是一個過渡期。化學家發(fā)現(xiàn)分子中電子或鍵的流動，這意味著傳統(tǒng)的靜止結(jié)構(gòu)式的崩潰。美國化學學會主席班克勞夫特在1926寫道，“凱庫勒富有成果的概念對于我們的貨架來說，已經(jīng)沒有多少貨了”?；瘜W家要求一種“可塑的、伸縮自如的圖形?！蓖?，英果爾提出中介論，認為真實的分子是兩個或更多“極限結(jié)構(gòu)”間的中介狀態(tài)，表明化學家正在拋棄機械論觀念。聯(lián)系到在當時的物理學中，正是德波羅意提出物質(zhì)波概念，海森堡拋棄軌道概念以及玻爾提出互補原理。這是科學革命在人們思想上引起的變革，要求破除以往那種孤立地、靜止地看問題的方式，而要在聯(lián)系和發(fā)展中去把握對象?；靵y醞釀著突破，崩潰意味著革命?；瘜W家們意識到“好像正處于一個知識的轉(zhuǎn)變時期，處于另一個大發(fā)展的前夜”，期待物理學與化學的共同努力。1923年的一次重要的化學學術(shù)會議上，會議主席羅伯遜號召：“物理學家和化學家聯(lián)合起來”。
1927年是20世紀化學理論發(fā)展的轉(zhuǎn)折點，就整個化學由經(jīng)驗向理論過渡和化學家思想方式的變革而言，1927年同時也是整個化學的轉(zhuǎn)折點。考慮到物理學在這期間的作用，也可以認為，在物理學革命的誘發(fā)下于1927年發(fā)生了化學革命。
第二階段化學理論發(fā)展的主要特點是，正如量子論在原子結(jié)構(gòu)的“懷抱”中形成量子力學，量子力學則在分子結(jié)構(gòu)的懷抱中改造、發(fā)展其形式而形成量子化學，并以量子化學為核心建立現(xiàn)代化學理論。
量子化學的主要內(nèi)容是價鍵理論、分子軌道理論和配位場理論。1927年，海特勒和倫敦首次應(yīng)用共振概念來解氫分子離子和氫分子的薛定諤方程獲得初步成功。這表明在引進新概念后，量子力學從處理原子結(jié)構(gòu)開始進入分子領(lǐng)域——一門新的學科——量子化學正在形成。海特勒和倫敦的工作經(jīng)鮑林等人的努力而發(fā)展為價鍵理論。1931年，鮑林提出軌道雜化概念，將量子力學與碳四面體結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來。同年，他又對英果爾的中介理論進行改造，在量子化學的框架內(nèi)提出共振論。鮑林還對氫鍵理論作出重大貢獻，并于20世紀50年代前后得出蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。價鍵理論因與經(jīng)典化學結(jié)構(gòu)理論的淵源關(guān)系而受到許多化學家的歡迎，但在一些場合也遇到困難，特別在解釋共軛分子時要用多個結(jié)構(gòu)式，引入過多的經(jīng)驗因素，這在物理和化學理論性增強的潮流中不能令人滿意。
1919年，朗繆爾提出電子等價物概念，這是分子軌道概念的雛形。1926～1928年間，馬利肯和洪特提出理想的“聯(lián)合原子”和“分離原子”概念，初步得出選擇分子中電子量子數(shù)的規(guī)律，從而在另一個角度為量子化學奠基。分子軌道理論把分子視為一個整體，克服了價鍵理論的一些困難。在分子軌道理論的基礎(chǔ)上，伍德沃特和霍夫曼總結(jié)了大量實驗資料，于1965年提出分子軌道對稱性守恒原理，可用于指導設(shè)計化學反應(yīng)。
配位場理論與價鍵理論、分子軌道理論三足鼎立。維爾納在19世紀末開創(chuàng)了對絡(luò)合物的研究。1952年，歐格爾把晶體場理論與分子軌道理論結(jié)合起來，提出了配位場理論。1962年，合成了第一個惰氣化合物六氟鉑酸氙（XePtF6），改變了70年來認為惰性元素不參加反應(yīng)的觀念。
20世紀來，化學動力學也獲得很大進展。趨勢是，對反應(yīng)過程的時間劃分越來越細，現(xiàn)已達到微微秒級，同時對反應(yīng)物狀態(tài)的研究也越來越細，如分別觀察分子的振動、轉(zhuǎn)動、平動能態(tài)對反應(yīng)的貢獻，現(xiàn)已深入到研究態(tài)—態(tài)反應(yīng)，形成微觀反應(yīng)動力學。在研究中也應(yīng)用激光等先進技術(shù)。近年來，化學動力學已受到越來越多的重視，說明化學家的注意力由靜態(tài)的對象轉(zhuǎn)向動態(tài)，轉(zhuǎn)向過程，前述分子軌道對稱性守恒原理也表達了這一點。聯(lián)系到物理學中對恒星、元素、宇宙演化的研究，說明由研究確定的狀態(tài)到研究過程，這一轉(zhuǎn)化是20世紀科學發(fā)展的一大特點。有關(guān)內(nèi)容將在后面進一步述及。
這一時期，催化理論在量子化學、表面化學、動力學以及凝聚態(tài)物理學的共同推動下也得到很大發(fā)展，并促進了對生物大分子的研究。
以上回顧的各條線索均與量子化學關(guān)系密切，而對元素周期表認識的深入較多與物理學尤其是核物理有關(guān)。19世紀末，拉姆賽發(fā)現(xiàn)一系列惰性元素，對于完成周期表并為爾后提出原子模型有重要意義。1913年，摩斯萊發(fā)現(xiàn)原子序數(shù)定律，第一次將周期表與原子結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來。1924年，玻爾等提出原子結(jié)構(gòu)與周期律的關(guān)系即構(gòu)造原則，此后又提出了泡利里原理與洪特規(guī)則。隨著核物理的發(fā)展，人工合成的元素逐一填補了周期表中的空白。元素周期表不僅綜合了19世紀關(guān)于元素的知識，而且指導了20世紀的有關(guān)研究。
回顧上述發(fā)展過程，化學在對物質(zhì)結(jié)構(gòu)層次的研究方面，由20世紀前從化合物到原子到電子的認識過程，轉(zhuǎn)變?yōu)橛呻娮优c核到原子再到分子的認識過程，也就是由以分析為主到以綜合為主，在量子階梯上由下行到上升。從20世紀前主要回答“如何”與“是什么”即發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象與實體，到20世紀后要回答“為什么”，通過闡明實體間的關(guān)系來揭示現(xiàn)象的本質(zhì)。在如此徹底變革的時期，化學家思維方式的變革有一滯后過程。如果說1927年前的化學仍是19世紀的傳統(tǒng)，以及開始發(fā)生動搖與變化，那么在1927年后，化學家的思維方式逐步轉(zhuǎn)向辯證思維，化學由一門重分析歸納的描述性學科發(fā)展為以綜合、演繹為主導的重推理的學科。
上述變化具體表現(xiàn)在如下方面：首先，在教科書中，量子化學和結(jié)構(gòu)化學的地位越來越重要。無機化學減少了對各族元素的描述，增加了化學鍵理論等內(nèi)容；有機化學由按官能團講授到按電子軌道的類型講授。其次，實驗技術(shù)大大改進。在過去，“不搖試管的化學家不是化學家”；如今，儀器分析代替了重量、容量分析，尤其是計算機的廣泛應(yīng)用，使實驗的內(nèi)涵發(fā)生深刻變化。發(fā)生這些變化的原因則是科學革命，是物理學，主要是量子力學向化學領(lǐng)域的滲透。
二、化學研究領(lǐng)域的擴展與延伸進入20世紀以來，經(jīng)典化學的研究領(lǐng)域有了很大的擴展，尤其是沿著量子階梯向上延伸。前者主要指核化學、元素有機化學、星際化學以及無機化學自身的發(fā)展，后者意為化學逐步進入生物學領(lǐng)域。
20世紀初，發(fā)現(xiàn)許多元素具有放射性，在研究這些元素化學性質(zhì)之時必然會涉及它們的放射性，于是化學便涉足核的世界。早在1815年，化學家普勞特就已提出氫是所有元素“母質(zhì)”的普勞特假說。20世紀初，索迪提出同位素概念，勞厄說，“普勞特假說這個睡美人蘇醒了”。1919年，盧瑟福首次實現(xiàn)人工核反應(yīng)，從而使“現(xiàn)代煉金術(shù)”變?yōu)楝F(xiàn)實。核物理與核化學家正尋找及制備“超重核穩(wěn)定島”的元素，由此可認識更復(fù)雜的原子結(jié)構(gòu)與核外電子的運動規(guī)律。近年來，由于同基本粒子物理的滲透形成所謂奇導原子化學，如正電子素和介子素化學，這將有惠于雙方的研究。
20世紀無機化學的發(fā)展在理論上直接與凝聚態(tài)物理學有關(guān)，在實際應(yīng)用上要滿足各部門對特殊材料的要求。具體來說發(fā)展了氟化學、硼烷化學等，這兩個分支在量子化學理論上有特殊意義。還有稀有元素化學，它同時推動了分析化學前進。
目前，由于天文學與航天技術(shù)的發(fā)展，在天文學與化學的結(jié)合點上形成了一門新的學科；星際化學（或天體化學、宇宙化學）。通過對星際物質(zhì)的研究，既推動了宇宙學的發(fā)展，也拓展了化學的研究領(lǐng)域。
早在18世紀就有人制得元素有機物，20世紀初制得了重要的格氏試劑和用于防爆的四乙基鉛。1951年合成了二茂鐵，標志著元素有機化學形成。這類化合物中特殊的化學鍵對于配位場理論有重要意義，對它們的研究也將大大推進對生命體內(nèi)各種酶的認識。有人認為，這一“無機化學和有機化學的雜交物”代表了未來化學的方向。
20世紀初，在物理學向化學滲透時，化學也正向生物學領(lǐng)域延伸?；瘜W與生物學的聯(lián)系源遠流長，在古代有煉丹術(shù)，近代有醫(yī)療化學。19世紀后，由于有機化學的發(fā)展，化學家開始接觸越來越多的生物大分子研究蛋白質(zhì)與核酸?；瘜W家已認識了原子結(jié)構(gòu)，原子與原子的結(jié)合方式，現(xiàn)在的問題是揭示蛋白質(zhì)與核酸的結(jié)構(gòu)。然而面對如此復(fù)雜易變的生物大分子，經(jīng)典化學先分解、分析、后合成的方法已難以勝任。1912年來，布拉格父子等人逐步發(fā)展了X射線結(jié)構(gòu)分析法。40年代末，量子化學家開始用電子計算機處理由X線衍射等方法得到的數(shù)據(jù)。1949年，克勞弗得用新方法直接測定了青霉素的結(jié)構(gòu)，顯示了量子化學與新技術(shù)結(jié)合所產(chǎn)生的威力。生物大分子結(jié)構(gòu)的測定反過來也為量子化學提供新的研究領(lǐng)域。新的理論與技術(shù)的結(jié)合使這一領(lǐng)域的研究有了突破。
1950年，鮑林提出蛋白質(zhì)的a與γ螺旋結(jié)構(gòu)。1953年，克里克與華生提出DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。一門新的學科——分子生物學已經(jīng)奠基。20世紀，化學在沿量子階梯上升的道路上又躍上了一個新的臺階。
50年代后的發(fā)展大致沿著以下方向進行：首先是結(jié)構(gòu)的研究。繼續(xù)發(fā)現(xiàn)新的蛋白質(zhì)、核酸，研究其結(jié)構(gòu)，并協(xié)助生物學家闡明它們的生物功能。其次是人工合成生物大分子，這不僅是對所推測結(jié)構(gòu)的檢驗，而且是人工合成生命的前奏。1965年，我國在世界上首次全人工合成具有生命活力的結(jié)晶牛胰島素。1970年，美國柯蘭納小組將化學方法與生物方法相結(jié)合，合成了由77個核苷酸組成的核酸片斷。第三條線索是對生命起源的研究。19世紀，巴斯德的實驗結(jié)束了生生說與自然發(fā)生說之爭。20世紀30年代，奧巴林重又開始研究生命起源，后為?？怂顾l(fā)展。1953年，在華生與克里克揭示DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的同一年，米勒的實驗表明，在原始地球上可能發(fā)生生成氨基酸等有機物的過程，在科學界引起廣泛興趣。生物學家、化學家、地質(zhì)學家、天文學家和物理學家紛紛投身其中，生命起源問題成為科學的前沿?，F(xiàn)在要求將生命起源的研究置于更為廣闊深遠的時空背景，即地球、太陽系、銀河系以至于宇宙起源與演化的背景之中進行。第四，目前化學家開始對腦中起各種生理、心理作用的物質(zhì)發(fā)生濃厚興趣，設(shè)法提煉之并研究其結(jié)構(gòu)與功能，從而試圖由生命領(lǐng)域再跨入更高級的意識活動領(lǐng)域。化學向生物學的延伸還有一些其他分支，如生物無機化學、化學仿生學等。
對于化學向生物學滲透的前景，主要是人工合成更復(fù)雜的生物大分子以至生命，目前已從各個角度提出疑問。首先是在合成過程中遇到難以想象的困難，退一步說，即使合成了也不可能用于生產(chǎn)。其次，耗散結(jié)構(gòu)理論認為，單用化學方法合成生命類似于超運算問題，即理論上可能而實際上不可能。在這種狀況下，已經(jīng)有不少科學家成功地用酶促合成及基因模板合成的方法合成了以全人工方法無法得到的物質(zhì)。不能指望由分解現(xiàn)存的生命然后重組的方法來合成生命。生命是在歷史的長河中形成的，有一個漫長的完善與進化的過程，因而正確的路線應(yīng)循著自然史中生命起源的路線進行。必須改革“合成”的含義，引進歷史的方法?；瘜W家在20世紀初經(jīng)歷了觀念的變革，在他們越來越深入地踏進生命殿堂之時，還必須在觀念上作進一步的更新。
第三節(jié) 由生物學到生命科學一、孟德爾的重新發(fā)現(xiàn)如前述，20世紀前，化學的認識途徑是由現(xiàn)象揭示實體，由實體解釋現(xiàn)象，對現(xiàn)象的研究和對實體的探索這兩方面的工作緊密結(jié)合、不可分割。在生物學中總的情況也是如此，即可區(qū)分為對現(xiàn)象和實體的研究兩條線索，但又與化學有所不同。首先，生命運動遠較化學運動復(fù)雜，生命運動有三個主要方面，即新陳代謝、發(fā)育以及遺傳與進化，分別由生理學、胚胎學以及遺傳和進化論來研究。其次，在20世紀前，生物學家所面對實體是宏觀可見的，如個體、器官、細胞等，至少用顯微鏡即可見因而不必如化學那樣通過現(xiàn)象來揭示實體，而是由解剖學的發(fā)展而逐層深入。一旦揭示實體，即以此來解釋現(xiàn)象，大致是解剖學進展到什么程度，就作出相應(yīng)的解釋。如在17、18世紀揭示了若干器官后，就作出機械的解釋，而在19世紀認識了細胞后即提出細胞的國家等。
19世紀下半葉，進化論一時成為注意的中心?；蛟S只有一個人例外，他就是孟德爾。孟德爾認為，僅由生物外觀的變化并不能說明進化。他從1865年開始用碗豆通過實驗的方法研究遺傳，提出以他的名字命名的孟德爾法則和遺傳因子概念，表明在遺傳中有某種不變的單元，在生物學史上第一次試圖由現(xiàn)象來揭示實體。然而，孟德爾的工作淹沒在進化論思潮中不為人知。1875年首次發(fā)現(xiàn)染色體，爾后又認識到染色體在遺傳中不變。19世紀80與90年代，魏斯曼設(shè)想，“遺傳的實質(zhì)，就是傳遞特殊分子結(jié)構(gòu)的核物質(zhì)”或“決定子”，染色體即是遺傳物質(zhì)的載體。1900年，在物理學革命的風暴中重新發(fā)現(xiàn)了孟德爾的工作，大大刺激了遺傳學的發(fā)展，遺傳學成為20世紀生物學的主流。遺傳因子或決定子概念也為化學、物理學向生物學的滲透作了準備。
可以以1953為界把20世紀生物學的發(fā)展區(qū)分為前后兩個階段。第一階段是從各種現(xiàn)象揭示蛋白質(zhì)與DNA并闡明其結(jié)構(gòu)；第二階段力圖由DNA出發(fā)解釋各種生命現(xiàn)象。
二、DNA——生物學之所趨孟德爾工作的重新發(fā)現(xiàn)揭開了20世紀生物學的第一階段，生物學家從信念中清醒過來，回到實際之中。在哲學家接過進化思想的同時，遺傳則更多地占據(jù)了生物學家的心。尋找遺傳中的代代相傳者，這不僅是近代科學由現(xiàn)象揭示實體的傳統(tǒng)，更是2000年來哲學的傳統(tǒng)——在變化之中追求不變物。20世紀上半葉生物學發(fā)展的狀況是，以遺傳學為主，結(jié)合對細胞生化過程的研究，再加上化學與物理學的參與，揭示出遺傳物質(zhì)并確定其結(jié)構(gòu)。DNA雙螺旋模型的建立是遺傳學派、生化學派和結(jié)構(gòu)學派共同研究的成果。
在遺傳學方面，摩爾根以果蠅為實驗對象取得了一系列成果，于1928年發(fā)表了總結(jié)性的《基因論》，確定把“基因定位于染色體上”。20世紀40年代，以德爾伯里克為首的噬菌體小組開展了遺傳學研究。1944年，艾弗里等人以實驗證明DNA即基因，是遺傳信息的載體。然而，由于歷來認為蛋白質(zhì)是生命中最重要的成分，誤以為是蛋白質(zhì)具有遺傳功能；再者，當時人們認為DNA由四種核苷酸有規(guī)則的單調(diào)重復(fù)，不可能帶有遺傳所需的大量信息。蛋白質(zhì)則復(fù)雜得多，可以攜帶大量信息，于是對艾弗里的工作仍持懷疑態(tài)度。1952年，查可夫證明，核酸中四種核苷酸可以含量不等，任意排列，從而清除了上述疑慮。同年，噬菌體和同位素的實驗再度表明DNA是遺傳物質(zhì)，在科學界產(chǎn)生直接和巨大的影響，各個學派把注意力集中到DNA的結(jié)構(gòu)上。
生化學派也有很大發(fā)展。20世紀20年代，繆勒等人設(shè)想，細胞核有控制細胞代謝的作用。1940年，比德爾與塔杜姆關(guān)于紅色面包霉的研究揭示，基因的變化會導致相應(yīng)的酶消失。這一工作標志生化學派和遺傳學派開始結(jié)合起來。次年，他們宣布，“基因與酶的特性是同一序列的”。1946年，塔杜姆提出“一個基因一個酶”的假說。生化學派的工作揭示了DNA在生命運動中的另一方面功能。
20世紀上半葉，在通往DNA的征途上的主力軍是結(jié)構(gòu)學派。摩爾根寫道，“像物理學家和化學家假設(shè)看不見的原子和電子一樣，遺傳學者也假設(shè)了看不見的要素——基因”。他在1928年預(yù)言，基因“代表著一個有機化學實體”。物理學家和化學家開始進入生物學領(lǐng)域。上一節(jié)已經(jīng)部分述及化學家的有關(guān)工作。30年代初，玻爾在“光與生命”一文中指出，化學家和物理學家進入生命領(lǐng)域時必須在思想方法和實驗方法上作重大改進。1936與1937年，包括玻爾、薛定諤、德爾伯里克等人在內(nèi)的物理學家，有機化學家、晶體學家、遣傳學家等兩次聚會討論基因的結(jié)構(gòu)。1944年，薛定諤發(fā)表《生命是什么？》一書，提出非有序晶體、負熵、遺傳密碼等一系列新概念，對生物學的發(fā)展產(chǎn)生了深遠影響。結(jié)構(gòu)學派的主要成員華生、克里克和維爾金斯即由此而從事DNA結(jié)構(gòu)的研究。其時，新的實驗技術(shù)也開始在這一領(lǐng)域發(fā)揮作用。阿斯特伯里于1938年首次研究DNA的X射線衍射圖，認為DNA纖維具有周期性。
通往雙螺旋模型的最后一步，是將遺傳、生化和結(jié)構(gòu)學派的成果結(jié)合起來。華生原屬遺傳學派，后與結(jié)構(gòu)學派的克里克合作。華生從生物的遺傳、復(fù)制、配對等現(xiàn)象認識到DNA應(yīng)由兩條鏈組成，而不是如鮑林所設(shè)想的三條鏈。查哥夫的工作則為確定雙螺旋結(jié)構(gòu)中十分關(guān)鍵的“堿基配對原則”奠定了化學方面的基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)學派的富蘭克琳所拍攝的DNA的X衍射照片和有關(guān)見解具有重要作用。于是，三方面的努力結(jié)合起來，終于在1953年獲得成功。
DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的揭示在生物學史上具有劃時代意義。從此，對生物的新陳代謝、發(fā)育以及遺傳與進化的研究，都將在DNA的基礎(chǔ)上進行。如同原子結(jié)構(gòu)提供給化學的那樣，DNA分子結(jié)構(gòu)也給生物學提供了一整套說明現(xiàn)象的極其多樣性和說明事物組合的極其多樣性的原理和性質(zhì)。
三、DNA——生物學之所由20世紀50年代后，生物學的發(fā)展大致沿以下線索進行：深入研究DNA、RNA和各種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)；由DNA來理解各種生命現(xiàn)象；探索生命起源；研究更高級的運動，即開展對大腦及意識的研究。在上述過程中，提出或應(yīng)用一些新的理論，如系統(tǒng)論、耗散結(jié)構(gòu)理論、超循環(huán)理論等。
上一節(jié)中已經(jīng)提及化學家在結(jié)構(gòu)方面的工作，這一領(lǐng)域已很難區(qū)分化學家和生物學家的貢獻。隨著對生物的研究深入到分子水平，古老的生物分類學有了新的依據(jù)。
生化方面的工作是由DNA出發(fā)闡明新陳代謝過程。1954年，伽莫夫首次提出“三聯(lián)密碼說”。1961年，尼龍貝格揭示了第一個密碼，引起轟動。至1966年，64種密碼全部破譯。在信息流動的中心法則提出后不久，20世紀70年代又發(fā)現(xiàn)“逆轉(zhuǎn)錄酶”和反中心法則，同期雅可布·莫諾等人的工作揭示了生命運動中分子與生物大分子水平復(fù)雜的調(diào)控過程。
進化必須在遺傳的基礎(chǔ)上進行，由偶然的突變方能發(fā)生，因而必須采用統(tǒng)計方法。1894年，畢爾生的工作奠定了生物統(tǒng)計學的基礎(chǔ)。20世紀20年代，物理學中哥本哈根學派與愛因斯坦關(guān)于概率決定與嚴格決定的爭論也波及生物學領(lǐng)域。1953年，DNA結(jié)構(gòu)的揭示為進化論注入新的活力。
將生物的進化沿時間的長河回溯即面對生命起源問題。米勒1953年的實驗引起各專業(yè)科學家的濃厚興趣。到70年代中期，已能模仿原始地球的環(huán)境合成蛋白質(zhì)所需的20種氨基酸，以及組成核酸的小分子。下一個問題是，這些生命的基石如何進一步組織起來形成生物大分子。由于星際化學的發(fā)展，科學家日益強烈地意識到，必須在地球起源、太陽起源以至宇宙起源的背景上開展對生命起源的研究。
與進化論和生命起源問題有關(guān)的還有發(fā)育問題，因其極端復(fù)雜而進展不大。有人提出將?？藸柕纳镏匮萋赏浦练肿铀?，同時要求在建立DNA模型之后的今天建立染色體模型。
在化學逐步進入生物學領(lǐng)域之際，生物學也悄然踏進心理學的門坎，如用微電極測定單個腦細胞的活動。1960年，有人提出核酸是記憶的物質(zhì)基礎(chǔ)，即關(guān)于記憶的分子假說?，F(xiàn)代生物學還通過它的分支進入社會科學領(lǐng)域，例如社會生物學，研究動物的“社會行為和它的生物學基礎(chǔ)”；再如人類生物學，研究人類的起源、地理分布、人口平衡等。
在闡述20世紀50年代后生物學的發(fā)展時，還必須提及與此密切相關(guān)的耗散結(jié)構(gòu)理論。在本章第一節(jié)中對此已有所提及。科學家發(fā)現(xiàn)，在生物進化與熱力學第二定律之間似乎存在巨大的矛盾，普里高津在非平衡態(tài)熱力學的基礎(chǔ)上經(jīng)多年努力，于1969年提出具有里程碑意義的耗散結(jié)構(gòu)理論。該理論揭示，在體系從無序走向有序的過程中，體系內(nèi)部隨機漲落、遠離平衡態(tài)，以及環(huán)境等因素的重要性。耗散結(jié)構(gòu)理論不僅在本體論上揭示出自然界中所發(fā)生的自發(fā)過程，而且在認識論與實踐論上給人以深刻啟示。
四、由生物學到生命科學19世紀末20世紀初，生物學領(lǐng)域機械論和還原論盛行。隨著物理學革命的深入，新思想逐步取代傳統(tǒng)觀念?？茖W家們開始認識到，還原只是一種方法，而不應(yīng)成為一種主義。還原使我們得到了知識，但由此也失去甚至更重要的部分，這失去部分只有通過其他方法獲得。玻爾指出，“生物系統(tǒng)的復(fù)雜性具有基本的意義”。針對還原論，科學家提出機體論，教階理論和發(fā)生論等。玻爾以元素為例說明了這一點：“雖然有關(guān)于游離的質(zhì)子、中子和電子的知識，然而我們并不能在此基礎(chǔ)上預(yù)言元素的性質(zhì)。相反，對元素性質(zhì)的研究倒教給我們許多關(guān)于質(zhì)子、中子和電子的性質(zhì)。”亞里士多德在2000多年前就精辟指出：“潛在的東西，它的完全的現(xiàn)實性就是運動，運動（即新的運動方式）只發(fā)生在完全的現(xiàn)實性存在的時候，既不遲，也不早?！鄙飳W史專家艾倫指出，20世紀生物學家觀念的變化，“……不僅是一個復(fù)雜的理論取代了一個較簡單的理論，而且是一種……哲學為另一種哲學所取代，機械唯物主義為辯證唯物主義所取代”。
思潮的上述變革直接體現(xiàn)在具體方法上。研究生命起源的權(quán)威?？怂箯娏曳磳υ谶@一領(lǐng)域所采用的“重組”（reassemble）方法，認為這一研究雖然使我們獲得知識，但并未告訴我們在自然史中生命起源和進化的真實情況，生命的特征如何一步一步發(fā)生，實際上是將經(jīng)億萬年進化的現(xiàn)存的生物及它們的DNA，蛋白質(zhì)等同于混沌初開時的原始形式，簡言之，沒有貫徹歷史的觀點。他主張，對生命起源的研究應(yīng)遵循“由古及今，從簡到繁的路線”。
觀念變革的另一個表現(xiàn)就是由離體的研究轉(zhuǎn)向體內(nèi)的研究。長期來在生物學領(lǐng)域的實驗中，都是把研究對象或環(huán)節(jié)從生物體的全部生命過程中孤立出來作離體的研究。從近代科學興起之時的解剖學，到19世紀末對酶的生化研究，以及20世紀巴甫洛夫從事條件反射研究的有關(guān)實驗，等等。隨著研究的深入，生物學家們越來越認識到，不同于物理學或化學領(lǐng)域，在生物體內(nèi)、在細胞內(nèi)，所有成分和各個環(huán)節(jié)都彼此相關(guān)，形成統(tǒng)一的整體和不可分割的過程。離體實驗并未告訴我們真實的生命過程。由此可以回想起第五章所述及的在生理學興起初期教士們反對作血液流動的實驗，認為這種實驗違背自然，猶如把受驚的母雞趕向錯誤的方向。在認識的初期，必須采用分析方法，而到了一定階段，認識就將轉(zhuǎn)為以綜合為主。
有必要將1953年開始的生物學革命推向前進。與物理學革命相比，生物學革命遠為艱巨。在前者發(fā)生后的30多年中，量子力學解釋了核與電子形成原子的過程，量子化學開始理解原子與原子怎樣形成分子。生物學革命開始至今已半個世紀，人們還不清楚分子何以生成生物大分子，仍在探索生命起源的奧秘。在物理學革命中，科學家可以成功地由原子結(jié)構(gòu)推知元素的性質(zhì)，由分子結(jié)構(gòu)推測分子的性質(zhì)；然而在生物學揭示了蛋白質(zhì)和DNA的結(jié)構(gòu)后，至今仍未能以此闡明全部生命現(xiàn)象。華生與克里克所揭示的只是DNA晶體，而不是存在于生命過程中的物質(zhì)。要揭示生命的奧秘，還必須考慮到細胞中的全部成分，它們之間的復(fù)雜關(guān)系和變化過程以及細胞與環(huán)境間的相互作用。這就有待于生物學家和物理學家、化學家等的共同努力。
在生物學的深入發(fā)展中，在其他學科向生物學的滲透中，一門新的學科——生命科學正在形成之中。生命起源的研究和對生命本質(zhì)的理解都需要各門學科的共同參與。生命科學的形成除了前面已述及的方面外，還具有以下因素：首先，生命問題歷來是科學家和哲學家所關(guān)注的對象。與物理學的前沿問題相比較而言，生命問題因其與人類，與社會的密切關(guān)系而倍受青睞。同時，物理學前沿的理論在目前階段還很難得到應(yīng)用，生命科學的成果則較易物化。其次，在物理學、化學等學科日漸抽象之時，生命科學至少在現(xiàn)階段還較易理解。第三，更重要的是，正是在生命科學領(lǐng)域中孕育了許多新的思想，例如系統(tǒng)論、超循環(huán)理論等，其他新理論如信息論、控制論、耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同學等也都在這一領(lǐng)域得到卓有成效的應(yīng)用。這一點也引起眾多科學家的興趣。最后，從本質(zhì)上說，20世紀來科學沿量子階梯朝著兩個方向發(fā)展，一端探索宇宙的起源，另一頭則指向生命。生命作為高級運動形式，包含了所有的低級運動形式，因而物理學家、天文學家、化學家、地質(zhì)學家和生物學家等組成的集團共同研究生命起源與生命本質(zhì)是科學發(fā)展的必然趨勢。生命科學在未來的發(fā)展必然如同它的研究對象一樣富于生命力。
第四節(jié) 地質(zhì)學、生態(tài)學一、地質(zhì)學沿革早在1620年，F·培根就發(fā)現(xiàn)南美洲東海岸和非洲西海岸可以像玩具拼板那樣準確地拼起來。1912年，在19世紀地質(zhì)學成就的基礎(chǔ)上魏格納提出大陸漂移說，引起地質(zhì)學界爭議。后來又出現(xiàn)海底擴張說，于1963年得到證實。1965年，威爾遜首次把大陸漂移和海底擴張說聯(lián)系起來，提出板塊學說，其中還涉及板塊的俯沖等垂直方向的運動。于是，人們就從19世紀地質(zhì)學關(guān)于地球的表層以及局部的理解發(fā)展到研究地球的內(nèi)部和整體的運動。
在將現(xiàn)象聯(lián)系起來的同時，地質(zhì)學家也著手研究地殼變動的原因。20世紀初，瑞利爵士等通過理論研究第一次提出，在一個下方受熱的粘度均勻的地層上會發(fā)生對流現(xiàn)象，這一見解現(xiàn)已得到普遍贊同。目前，正在應(yīng)用高壓技術(shù)對地幔深處的地質(zhì)作用進行模擬，同時也開展計算機模擬。這些工作表明，在地質(zhì)學中也開始使用實驗方法和計算機。
然而進一步的研究指出，對流運動并不對稱，黏度并不均一，有必要從兩個途徑即宏觀和微觀上深入了解地球內(nèi)部的組成和結(jié)構(gòu)。地質(zhì)學家通過地震波探索地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了地核（又分內(nèi)核與外核）、地幔等多層結(jié)構(gòu)。化學家與礦物學家則研究地幔和地核物質(zhì)的微觀組成?，F(xiàn)在，這兩個方向的研究正在結(jié)合起來，闡明由外層到內(nèi)層隨著壓力的增大礦物形態(tài)的變化。
現(xiàn)在已普遍接受“地球是一受內(nèi)熱驅(qū)動的發(fā)動機”的觀點。但是內(nèi)熱又來自何方？內(nèi)熱可能來自地球形成之時宇宙塵埃碰撞所產(chǎn)生的熱，來自地球本身的引力收縮，以及來自地球內(nèi)部的放射性物質(zhì)等。于是，如同宇宙學和生命科學，地質(zhì)學的研究也歸結(jié)到起源問題。再者，對地球演化的研究認為，在地球的演變中存在非線性過程。19世紀居維葉的突變論在20世紀的地質(zhì)學中重新找到它的位置。
顯然，唯有立足于太陽系才能說明地球的起源與演變；地質(zhì)學家要求對其他行星的“地質(zhì)”作比較的研究，由于航天技術(shù)和遙感技術(shù)的發(fā)展，這一設(shè)想正在變?yōu)楝F(xiàn)實，“比較地質(zhì)學”正在形成之中。
二、生態(tài)學的2000年與40年生態(tài)學這一名詞最早由?？藸栐?/span>1869年提出，實際研究由來已久。中國古語“螳螂捕蟬，黃雀在后”即是對生態(tài)關(guān)系的形象描述。古希臘哲學家泰奧法拉斯特注意到植物與環(huán)境的關(guān)系，被認為是第一個生態(tài)學家。在近代，布豐、馬爾薩斯、達爾文等都在生態(tài)學領(lǐng)域有所建樹。1935年，坦斯列提出生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)平衡概念，并從物質(zhì)循環(huán)和能量流動的角度加以研究。此后，林德曼細致考察了沼澤中的生態(tài)系統(tǒng)?？偟恼f來，到20世紀50年代，是生態(tài)學逐步形成的歷史。
20世紀40年代后期，貝塔朗菲的系統(tǒng)論思想開始為科學界接受，也成為研究生態(tài)學的指導思想。1953年，奧多姆大大發(fā)展了生態(tài)系統(tǒng)的思想。生態(tài)學也開始應(yīng)用先進的技術(shù)對群體進行研究。由個體生態(tài)學發(fā)展到群體生態(tài)學，這正類似于生物學中由離體實驗到體內(nèi)實驗的發(fā)展。計算機也進入生態(tài)學領(lǐng)域，用以摸擬生態(tài)系統(tǒng)。新思想和新方法的形成與應(yīng)用，標志古老的生態(tài)學進入了新的發(fā)展階段。
目前，由于環(huán)境危機，環(huán)境科學受到格外重視。古代即有研究人與自然環(huán)境關(guān)系的地理學、氣象學等，由于人類未曾大規(guī)模改造自然，因而這些學科并沒有涉及改變了的環(huán)境反作用于人這樣的環(huán)境問題。隨著工業(yè)革命興起，發(fā)生水和空氣的污染并發(fā)展了相應(yīng)的技術(shù)，但并未形成理論。恩格斯敏銳地覺察到這一問題，警告要當心大自然的報復(fù)。20世紀50年代后，一方面由于環(huán)境危機的加深，另一方面也由于各門科學技術(shù)的發(fā)展，因而有必要也有可能形成環(huán)境科學。現(xiàn)在，環(huán)境科學既要研究微觀世界中離子、原子、分子與細胞、微生物那種局部而短暫的相互關(guān)系，又要從宏觀上，從人類的形成及演變、從全球以至更大范圍這樣的時空尺度上理解環(huán)境問題，需要各門學科，并關(guān)系到社會學、經(jīng)濟學等社會科學領(lǐng)域。
為了人類與自然界的協(xié)調(diào)發(fā)展，生態(tài)學和環(huán)境科學將日益顯示其重要性。
