19世纪自然科学的三大发现

19世纪自然科学的三大发现
19世纪自然科学的三大发现

19世纪自然科学的三大发现
1 细胞学说
　　 【简介】细胞学说是1838～1839年间由德国的植物学家施莱登（Schleiden）和动物学家施旺（Schwann）所提出,直到1858年才较完善.它是关于生物有机体组成的学说,主要内容有：
　　① 细胞是有机体, 一切动植物都是由单细胞发育而来, 即生物是由细胞和细胞的产物所组成；
　　② 所有细胞在结构和组成上基本相似；
　　③ 新细胞是由已存在的细胞分裂而来；
　　④ 生物的疾病是因为其细胞机能失常.
　　⑤.细胞是生物体结构和功能的基本单位.
　　⑥.生物体是通过细胞的活动来反映其功能的.
　　细胞学说的生物体意义是：
【历史】
　　在18世纪的德国 ,自然哲学非常盛行.这个体系的内容之一是描述他们认为是组成有机世界多样性的典型单位.歌德认为叶子是各种不同植物的典型单位结构,而奥肯则主张脊椎节是一般动物原型结构的基本单位.奥肯还进一步认为有机体由粘液囊泡或活的单位所组成,并在它们暂时所属的有机体死亡后继续生存着,形成另一个生物的一部分.在19世纪早期,这样一种观点相当流行,并且同对动植物结构的显微镜观察结合在一起,导致了细胞学说的发展.
　　在17世纪初胡克、马尔比基和列文胡克,都曾用显微镜看到了植物细胞,但是并没有被认为是植物世界的独立的、活的结构单位.
　　在19世纪初期,植物解剖的研究复活了,德国植物学家特雷维拉努斯和冯·莫尔认识到细胞是植物的结构单位.19世纪20年代, 意大利的亚米齐和其他人制成了改进的消色差显微镜,使人们得以观察到有机细胞的详细情况.一个伦敦医生罗伯特·布朗于1831年观察到植物细胞一般具有一个核,不过他对自己的发现并不怎样重视. 捷克人普金叶在1835年用显微镜观察了一个母鸡卵中的胚核,并指出动物的组织在胚胎中是由紧密裹在一起的细胞质块所组成,这些细胞质块与植物的组织很类似.
　　这些观察导致耶拿大学的植物学教授马提阿斯·施莱登于1838年宣布,细胞是一切植物结构的基本活动单位和一切植物借以发展的根本实体的学说.卢万大学的解剖学教授泰奥多尔·施旺于1839年把细胞说扩大到动物界.
　　19世纪40年代许多研究者纠正了他们其中的一些错误观点,特别是植物学家冯·莫尔,耐格里和霍夫迈斯特以及动物学家克里克尔、莱迪希和雷马克,他们证明新细胞是靠分裂形成的, 细胞核先在母细胞内分裂为二,然后是母细胞分裂为两个子细胞.
【意义】
　　细胞学说论证了整个生物界在结构上的统一性,以及在进化上的共同起源.这一学说的建立推动了生物学的发展,并为辩证唯物论提供了重要的自然科学依据.恩格斯曾把细胞学说誉为19世纪最重大的发现之一.
　　施莱登和施旺的细胞学说为19世纪细胞的研究指出了方向.然而,他们虽然正确地指出新的细胞可以由老的细胞产生,却提出了一个错误的概念即新细胞在老细胞的核中产生,由非细胞物质产生新细胞,并通过老细胞崩解而完成.由于这两位科学家的权威,使得这种错误观点统治了许多年.
　　许多研究者的观察表明,细胞的产生只能通过由原先存在的细胞经过分裂的方式来完成,1858年德国病理学魏尔肖概括为“一切细胞来自细胞”的著名论断,这不仅在更深的层次上揭示细胞作为生命活动的基本单位的本质,而且通常被认为是对细胞学说的重要补充,甚至有人认为直至于此细胞学说才全部完成.
　　尽管细胞学说的某些部分已成为历史的陈迹,然而其中心思想仍广泛而深刻地影响了后来生物学的发展,任何生物学的重要问题都必须从细胞中寻求最后的解答.
【主要贡献人】
　　在十九世纪以前许多学者的工作都着眼于细胞的显微结构方面,从事形态上的描述,而对各种有机体中出现细胞的意义一直没有作出理论的概括,直到19世纪30年代德国人施莱登Matthias Jacob Schleiden 、施旺Theodar Schwann提出：一切植物、动物都是由细胞组成的,细胞是一切动植物的基本单位.这一学说即“细胞学说（Cell Theory)”,在19世纪已有不少科学家的工作对细胞学说的创立做出了很大的贡献,如：
　　1. Jean-Baptiste de Lamark （1744~1829),获得性遗传理论的创始人,法国退伍陆军中尉,50岁成为巴黎动物学教授,1909年他认为只有具有细胞的机体,才有生命.
　　2. Charles Brisseau Milbel（1776~1854),法国植物学家,1802年认为植物的每一部分都有细胞存在.
　　3. Henri Dutrochet （1776~1847）,法国生理学家,1824年进一步描述了细胞的原理,他认为 “All organic tissues are actually globular cells of exceeding smallness,which appear to be united only by simple adhesive forces; thus all tissues, all animal (and plant) organs, are actually only a cellular tissue variously modified.This uniformity of finer structure proves that organs actually differ among themselves merely in the nature of the substances contained in the vesicular cells of which they are composed” .
　　4. Matthias Jacob Schleiden（1804~1881),德国植物学教授,1938年发表“植物发生论”(Beiträge zur Phytogenesis),认为无论怎样复杂的植物都有形形色色的细胞构成.他认识到了Brown发现细胞核的重要意义,这一点Brown本人并未做到,他试图重建细胞发育的过程,为此他聪明地选择了胚胎细胞作为他研究的起点,他还在细胞中发现了核仁.
　　5. Theodor Schwann（1810~1882),德国解剖学教授,一开始就研究Schleiden的细胞形成学说,他完全接受了这个学说,并把它扩展为所有生命现象的起源和基础的一般理论.他把Schleiden在植物中的发现应用到动物中去,并于1838年提出了“细胞学说”（Cell Theory)这个术语；1939年发表了“关于动植物结构和生长一致性的显微研究”.因此细胞学说的创立被认为归功于Schleiden和Sehwann两个人,而且年份也被定到1839年.
　　Schwann提出：
　　1) 有机体是由细胞构成的；
　　2) 细胞是构成有机体的基本单位.
　　1855 德国人R. Virchow 提出“一切细胞来源于细胞”（omnis cellula e cellula）的著名论断,进一步完善了细胞学说.
　　把细胞作为生命的一般单位,以及作为动植物界生命现象的共同基础的这种概念立即受到了普遍的接受.恩格斯将细胞学说誉为19世纪的三大发现之一.
　　
2 达尔文进化论
　　【生物进化论】简称进化论,是生物学最基本的理论之一.进化（Evolution）,是指生物在变异、遗传与自然选择作用下的演变发展,物种淘汰和物种产生过程.地球上原来无生命,大约在30多亿年前,在一定的条件下,形成了原始生命,其后,生物不断的进化,直至今天世界上存在着170多万个物种.生物进化论最早是由查尔斯·罗伯特·达尔文提出的,在其名著《物种起源》有详细的论述.
　　进化论有三大经典证据：比较解剖学、古生物学和胚胎发育重演律.
　　生物进化可以分成三个层次：微进化（生物群体中基因频率的改变）、新种生成和大进化（从一个类型到另一个类型的跃变,比如从鱼类进化到两栖类）.现代综合学说完美地解释了微进化和新种生成,并认为由微进化和新种生成的研究所得的结果可以进一步推广到大进化.但是一些生物学家对这个推论表示怀疑,他们认为生物大进化可能有属于自己的机理.按照他们的观点,生物新类型的产生是在生物胚胎发育过程中基因突变的结果.胚胎发育时的微小突变可以导致成体的巨大变化.最近发育生物学的研究似乎证明了这一点：如果在胚胎发育过程中,某种基因的表达速度变慢,就会使鱼鳍变成肢足.可以预见,随着发育生物学的发展,越来越多的大进化难题将被解决.
　　
3. 能量守恒与转化定律
　　定律内容　能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为别的形式,或者从一个物体转移到别的物体,在转化或转移的过程中其总量不变.能量守恒定律如今被人们普遍认同,但是并没有严格证明.
　　(1)自然界中不同的能量形式与不同的运动形式相对应：物体运动具有机械能、分子运动具有内能、电荷的运动具有电能、原子核内部的运动具有原子能等等.
　　(2)不同形式的能量之间可以相互转化：“摩擦生热是通过克服摩擦做功将机械能转化为内能；水壶中的水沸腾时水蒸气对壶盖做功将壶盖顶起,表明内能转化为机械能；电流通过电热丝做功可将电能转化为内能等等”.这些实例说明了不同形式的能量之间可以相互转化,且是通过做功来完成的这一转化过程.
　　(3)某种形式的能减少,一定有其他形式的能增加,且减少量和增加量一定相等．某个物体的能量减少,一定存在其他物体的能量增加,且减少量和增加量一定相等.
　　能量守恒的具体表达形式
　　保守力学系统：在只有保守力做功的情况下,系统能量表现为机械能（动能和位能）,能量守恒具体表达为机械能守恒定律.
　　热力学系统：能量表达为内能,热量和功,能量守恒的表达形式是热力学第一定律.
　　相对论性力学：在相对论里,质量和能量可以相互转变.计及质量改变带来能量变化,能量守恒定律依然成立.历史上也称这种情况下的能量守恒定律为质能守恒定律.
　　总的流进系统的能量必等于总的从系统中流出的能量加上系统内部能量的变化,能量能够转换,从一种形态转变成另一种形态.
　　系统中储存能量的增加等于进入系统的能量减去离开系统的能量
[编辑本段]　　能量守恒定律的重要意义
　　能量守恒定律,是自然界最普遍、最重要的基本定律之一.从物理、化学到地质、生物,大到宇宙天体.小到原子核内部,只要有能量转化,就一定服从能量守恒的规律.从日常生活到科学研究、工程技术,这一规律都发挥着重要的作用.人类对各种能量,如煤、石油等燃料以及水能、风能、核能等的利用,都是通过能量转化来实现的.能量守恒定律是人们认识自然和利用自然的有力武器.
——能量守恒和转化定律的发现
　　能量守恒和能量转化定律与细胞学说,进化论合称19世纪自然科学的三大发现.而其中能量守恒和转化定律的发现,却是和一个“疯子”医生联系起来的.
　　这个被称为“疯子”的医生名叫迈尔（1814~1878）,德国汉堡人,1840年开始在汉堡独立行医.他对万事总要问个为什么,而且必亲自观察,研究,实验.1840年2月22日,他作为一名随船医生跟着一支船队来到印度尼西亚.一日,船队在加尔各达登陆,船员因水土不服都生起病来,于是迈尔依老办法给船员们放血治疗.在德国,医治这种病时只需在病人静脉血管上扎一针,就会放出一股黑红的血来,可是在这里,从静脉里流出的仍然是鲜红的血.于是,迈尔开始思考：人的血液所以是红的是因为里面含有氧,氧在人体内燃烧产生热量,维持人的体温.这里天气炎热,人要维持体温不需要燃烧那么多氧了,所以静脉里的血仍然是鲜红的.那么,人身上的热量到底是从哪来的?顶多500克的心脏,它的运动根本无法产生如此多的热,无法光靠它维持人的体温.那体温是靠全身血肉维持的了,而这又靠人吃的食物而来,不论吃肉吃菜,都一定是由植物而来,植物是靠太阳的光热而生长的.太阳的光热呢?太阳如果是一块煤,那么它能烧4600年,这当然不可能,那一定是别的原因了,是我们未知的能量了.他大胆地推出,太阳中心约2750万度（现在我们知道是1500万度）.迈尔越想越多,最后归结到一点：能量如何转化（转移）?
　　他一回到汉堡就写了一篇《论无机界的力》,并用自己的方法测得热功当量为365千克米/千卡.他将论文投到《物理年鉴》,却得不到发表,只好发表在一本名不见经传的医学杂志上.他到处演说：“你们看,太阳挥洒着光与热,地球上的植物吸收了它们,并生出化学物质……”可是即使物理学家们也无法相信他的话,很不尊敬地称他为“疯子”,而迈尔的家人也怀疑他疯了,竟要请医生来医治他.他因不被人理解,终于跳楼自杀了.
　　和迈尔同时期研究能量守恒的还有一个英国人——焦耳（1818~1889）,他自幼在道尔顿门下学习化学、数学、物理,他一边经营父亲留下的啤酒厂,一边搞科学研究.1840年,他发现将通电的金属丝放入水中,水会发热,通过精密的测试,他发现：通电导体所产生的热量与电流强度的平方,导体的电阻和通电时间成正比.这就是焦耳定律.1841年10月,他的论文在《哲学杂志》上刊出.随后,他又发现无论化学能,电能所产生的热都相当于一定功,即460千克米/千卡.1845年,他带上自己的实验仪器及报告,参加在剑桥举行的学术会议.他当场做完实验,并宣布：自然界的力（能）是不能毁灭的,哪里消耗了机械力（能）,总得到相当的热.可台下那些赫赫有名的大科学家对这种新理论都摇头,连法拉第也说：“这不太可能吧.”更有一个叫威廉·汤姆孙（1824~1907）的数学教授,他8岁随父亲去大学听课,10岁正式考入该大学,乃是一位奇才,而今天听到一个啤酒匠在这里乱嚷一些奇怪的理论,就非常不礼貌地当场退出会场.
　　焦耳不把人们的不理解放在心上,他回家继续做着实验,这样一直做了40年,他把热功当量精确到了423.9千克米/千卡.1847年,他带着自己新设计的实验又来到英国科学协会的会议现场.在他极力恳求下,会议主席才给他很少的时间让他只做实验,不做报告.焦耳一边当众演示他的新实验,一边解释：“你们看,机械能是可以定量地转化为热的,反之一千卡的热也可以转化为423.9千克米的功……”突然,台下有人大叫道：“胡说,热是一种物质,是热素,他与功毫无关系”这人正是汤姆孙.焦耳冷静地回答到：“热不能做功,那蒸汽机的活塞为什么会动?能量要是不守恒,永动机为什么总也造不成?”焦耳平淡的几句话顿时使全场鸦雀无声.台下的教授们不由得认真思考起来,有的对焦耳的仪器左看右看,有的就开始争论起来.
　　汤姆孙碰了钉子后,也开始思考,他自己开始做试验,找资料,没想到竟发现了迈尔几年前发表的那篇文章,其思想与焦耳的完全一致!他带上自己的试验成果和迈尔的论文去找焦耳,他抱定负荆请罪的决心,要请焦耳共同探讨这个发现.
　　在啤酒厂里汤姆孙见到了焦耳,看着焦耳的试验室里各种自制的仪器,他深深为焦耳的坚韧不拔而感动.汤姆孙拿出迈尔的论文,说道：“焦耳先生,看来您是对的,我今天是专程来认错的.您看,我是看了这篇论文后,才感到您是对的.”焦耳看到论文,脸上顿时喜色全失：“汤姆孙教授,可惜您再也不能和他讨论问题了.这样一个天才因为不被人理解,已经跳楼自杀了,虽然没摔死,但已经神经错乱了.”
　　汤姆孙低下头,半天无语.一会儿,他抬起头,说道：“真的对不起,我这才知道我的罪过.过去,我们这些人给了您多大的压力呀.请您原谅,一个科学家在新观点面前有时也会表现得很无知的.”一切都变得光明了,两人并肩而坐,开始研究起实验来.
　　1853年,两人终于共同完成能量守恒和转化定律的精确表述.
　　能量的转化和守恒定律有三种表述：永动机不能造成,能量的转化和守恒定律及热力学第一定律.这三种表述在文献中是这样叙述的：“热力学第一定律就是能量守恒定律.”“根据能量守恒定律,……所谓永动机是一定造不成的.反过来,由永动机的造不成也可导出能量守恒定律.”