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第27章 与生物学家相约(2)

列文·虎克的报告使一些自命不凡的伦敦皇家学会会员感到惊讶。像“狄尔肯”这种具有丰富生命现象的小东西,在一滴水中就会有2 700 000个,甚至更多吗?!面对列文·虎克根据实际观察所作出的大胆推测,伦敦皇家学会专门委派了两名秘书——一位是著名的物理学家、世界上第一台显微镜的发明人罗伯特·胡克,另一位是植物学权威格鲁(Nehemiah Grew)去设法为学会搞一台高质量的显微镜来,以便进一步核实列文·虎克的报告内容。后来,正是德·格拉夫和罗伯特·胡克的支持与赞许,使列文·虎克的观察和研究工作得到了相当高水平的评价。列文·虎克还因此被吸收进入伦敦皇家学会,成为会员。1673年,列文·虎克继施旺·麦丹(Swammerdamk Jan)和马尔比基(Marcello Malpighi)之后,完成了一项对于生理学研究和教学很有意义的工作——他详细记述了鱼类、两栖动物和人以及其他一些哺乳动物的血红细胞,并把这些细胞画成图,呈现在世人面前。

列文·虎克对生命科学的研究,绝不仅仅限于对简单直观的生命现象进行观察和描述。事实上他主要专注于对动物解剖学和动物发育史等方面的探索。三年之后,也就是1676年,当他和学生哈姆(Ludwig von Ham)一起研究了人、狗和兔子的精子时,他更加相信:在活泼运动中的“微动物”——精子中,未来有机体的全部早已经存在于其中了。他的这个观点,复活了生物学界曾经盛极一时的“预成论”理论。

列文·虎克认为,精子中就存在着真正的胚胎,精子就是胚胎发育(生物个体发育)的起点。

在有性生殖过程中,未受精的卵只不过是在胚胎发育中向胚胎提供了营养。列文·虎克在他的这一观点中,对卵在生殖过程中所起的作用的评价,是与当时另一位科学家施旺·麦丹具有明显不同的观点。施旺·麦丹出生于荷兰的阿姆斯特丹,他是一位富有的药剂师的儿子,比列文·虎克要年轻将近五岁。并且,由于施旺·麦丹曾经身患疟疾,他终其一生也只有大约六年时间是较少被疾病折磨,能够把大部分精力和时间用于科学研究的。但是,施旺·麦丹的学术成果,特别是他提出的“卵生论”,却深得一部分持“预成论”观点的学者们的拥护。在施旺·麦丹看来,在整个动物的个体发育过程中,精子所能够起到的作用并不十分关键,而只有卵才是动物个体形态发育的开端。施旺·麦丹是在研究了蜜蜂和蝴蝶等动物的解剖结构和发育过程之后,才用这种“卵生论”的观点,把整个自然界的发展解释为“已有东西的机械增长”的。由于在关于动物发育这样重要的问题上有这么两种对立的观点存在,就使拥护“预成论”观点的人们明显地分成了对立的两派:一派是“卵生论”者,他们坚决支持施旺·麦丹的研究成果;认为卵在整个个体发育中起着重要的和关键性的作用。而另一派“微动物论”者则宁愿相信列文·虎克的理论,认为精子才是幼小动物个体发育的起点。这样两个都持有“预成论”观点的学派一直持续争论了将近一百年。在施旺·麦丹去世近六十年后的1738年,一部《自然界的圣经》才把“卵生论”的观点及其相关的实验观察等和盘托出。列文·虎克与施旺·麦丹的学术之争,使“预成论”又成为了当时和以后近一个世纪的生物学研究热门问题。

列文·虎克是1723年8月27日在代尔伏特去世的。他是继罗伯特·胡克之后,自己制造显微镜,并用之于生物科学研究的科学家。他和罗伯特·胡克、施旺·麦丹以及马尔比基等科学家一起,缔造了显微镜下的生命科学。列文·虎克既是开发生物科学研究工具——显微镜的创造者之一,更是使用这种工具对微观生物界进行观察研究的先驱。他早在1683年就观察到了人牙垢中的细菌,只不过当时的科学界还没有这一概念。列文·虎克也只是用“这些生物几乎像小蛇一样做着优美的蜿蜒运动”来记述他的这又一个新奇发现。

列文·虎克去世以后,他制作和拥有的四百多台显微镜、放大镜被移交给伦敦皇家学会收藏。他的学术著作在1715~1722年间,分七卷在代尔伏特和莱顿出版。

事实上,我们今天所见到并使用着的光学显微镜,比起列文·虎克那个时代来,已经大大改进了。在最近两个多世纪的显微镜发展历史中,下面这些必要的显微镜附属部分都是后来陆续增加的:

1712年,C·赫尔特尔设计出显微镜用的照明镜;

1784年,荷兰人英根霍斯(Jan Ingenhousz)首次使用盖玻片;

1827年,亚米齐(Giovanni Battis Amici)发明了能够消除色差的透镜系统。

再以后,人类又发明了功能更加先进的电子显微镜。不过,这已经不是光学原理的放大工具了。

细胞的发现者胡克

罗伯特·胡克(Robert Hooke,1635~1703)是英国著名的物理学家、生物学家。

胡克于1635年7月18日出生于英格兰怀特岛弗雷什沃特村的一个牧师家庭。幼年时他常常头痛,经常辍学。小时候,他喜欢摆弄钟表和机械玩具,练就了一双巧手。1648年,胡克的父亲去世,威斯敏斯特中学校长巴斯比收留了他。在那里他学习拉丁文、希腊文、希伯来文和数学,同时学习演奏风琴。1653年,胡克从威斯敏斯特中学毕业后移居牛津,当上基督教堂的合唱队员。

1655年,胡克成为威利斯的助手,后为玻意耳的助手。1660年牛津学术团体迁往伦敦,1662年正式命名为英国皇家学会,胡克被任命为该学会的实验管理员。1663年,他获牛津大学文学硕士学位,并被选为英国皇家学会会员。1664年,他任格雷沙姆学院力学讲师,并任英国皇家学会珍宝馆馆长。1665年他担任格雷沙姆学院几何学教授。1666年,伦敦大火后,他担任监督伦敦重建的测量员。1677~1683年他任英国皇家学会秘书。

玻意耳、马略特定律的发现者之一玻意耳曾是胡克的雇主。胡克对玻意耳研究用的空气泵进行了改进,这样玻意耳才得以成功。1662年玻意耳发表的关于空气压力的玻意耳定律中凝集着胡克的智慧。

1658年,胡克提出可以用弹力代替重力使物体振动,即在平衡轮的轴上安一个弹簧,可以代替重力驱动摆轮,这是现代钟表设计的基本原理。根据这个原理制造的确定经度的航海时针到18世纪才出现。1660年,胡克为此申请了专利,但后来又撤回申请。

1662年,胡克担任英国皇家学会的实验管理员,使他的聪明才智充分展示出来。他要为每周的会议提供3~4个有重要意义的实验,同时,还必须随时对会员们提出的想法作出实验验证。

1665年,罗伯特·胡克根据一会员提供的资料设计了结构相当复杂的显微镜。有一次,他切了一块软木薄片,放在自己制造的显微镜下观察,发现软木片是由很多小室构成的,各个小室之间都有壁隔开,像蜂房似的。胡克给这样的小室取名为“细胞”。其实软木是由死细胞构成的,只是细胞壁,没有原生质。

胡克又通过对大量矿物、植物、动物的显微观察,1665年,出版了《显微图集》,向人们提供了许多鲜为人知的显微图画信息,它涉及化学、物理、地质和生物等多个领域。该书是第一本关于显微图画的专著,也是17世纪自然科学领域中的重要文献之一。胡克在书中指出,显微镜在生物学研究中将大有用武之地。

胡克是一位技术精湛的实验员,除了改进空气泵和钟表结构外,他还制造了显微镜和改进了望远镜,人们称胡克是17世纪最伟大的科学仪器发明家和设计者。另外他对天文学的贡献也特别富有价值,胡克首先在望远镜上安装了十字标线瞄准器、可变光栅以及可直接读出望远镜方位的调节旋钮。他是第一个制造格雷果反射望远镜的人,用这台望远镜,1664年,他发现了猎户星座的第五星,第一个提出木星绕轴旋转。他还对火星进行过详细观察并进行描述,这一成果在19世纪被用作确定火星旋转速度的依据,肯定了他在天文学方面的工作。

胡克在《显微图集》中还记录了他对光学的研究。他对云母、肥皂泡以及玻璃片间的空气层等薄且透明的膜中的色彩进行观察,发现颜色的变化呈周期性,随着薄膜厚度的增加,光谱出现重复。为了解释这个现象,他提出了光的波动学说。1672年,他又发现了衍射现象,并用光的波动学说进行解释。胡克是光的波动学说最早的倡导人之一。

胡克对热学和气象学作出过贡献。他曾与惠更斯一起断定在常压下冰的熔点和水的沸点是固定不变的,并建议以水的结冰温度为温度计的零度,即摄氏零度。胡克还提出,热是物质粒子机械运动的结果,一切物质受热均膨胀,空气是由距离较大、相互分开的粒子构成,这些结果都被后人一一证实。胡克发明了轮形气压计,这是一种由绕轴旋转的指针记录压力的仪器。另外他制造的气候钟能将气压、温度、降雨量、温度和风速记录在同一个旋转的记纹鼓上,由此有人称他是科学气象学的奠基人。

1666年,伦敦发生大火,烧掉了许多建筑,胡克提出按矩形格式重建伦敦。这一方案虽然未被采纳,但得到了伦敦市元老会的赏识,被任命为三个负责重建伦敦的测量员之一。当上测量员以后的10年,是胡克科学创造的高峰。在这段时间里,他不仅出色地完成了测量员的工作,而且科学研究硕果累累。1679年,胡克继《显微图集》后另一重要的著作问世,它是胡克在17世纪70年代出版的一组6本系列著作的合订本,取名《卡特勒演讲集》。

在“演讲集”中,至少有两个重要发现。其一是以胡克命名的弹性定律——胡克定律,即“有多大的伸长量,就有多大的力”,也就是说在弹性限度内,弹簧的弹力与弹簧的伸长量成正比;其二是他通过对简谐振动的研究提出“使物体运动的力的量与它所获得的速度的平方成正比例。”

在“演讲集”中,胡克通过对事物的观察,提出了关于力学的三个基本假定。第一,一切天体都具有倾向其中心的吸引力或重力,这些天体不仅把它们自己的部分吸向中心,以使这些部分不至于从它们中飞离出去,而且还吸引着在它们活动范围内的其他天体,正如我们看到的地球那样。第二,一切天体在未受其他使其倾斜的作用力前保持直线运动不变,在受到这种力的作用后,运动将弯曲成圆形、椭圆形或其他更复杂的曲线。第三,离吸引力中心越近,吸引力越大。胡克的第二个假设具有革命性意义。因为在当时,连牛顿在内的很多学者认为圆周运动与直线运动一样是惯性运动。胡克的观点使他们不得不从另外一个角度看问题。

胡克的第一和第三个假设是关于引力的假定。1679年,胡克在给牛顿的信中进一步指出,重力的改变与距离的平方成反比,从而为牛顿的万有引力定律的提出做出不容忽视的贡献。但因为胡克的数学分析能力有限,他的观点大多是凭其敏锐的洞察力靠直觉得出的,缺乏强有力的证明,所以有关力学的很多问题都由大科学家牛顿最终解决。

胡克除了在生物学、天文学、气象学、热学和力学方面有很大贡献外,还在地质学和结晶学方面有深入的研究。在胡克所处的时代,地质学是一个尚未充分开发的领域。胡克早在《显微图集》中曾收集了对大量矿物进行观察的描述,后来,他对地质方面的研究成果被收集在其遗著中《地震的演讲和讲座》。关于化石的起源问题,胡克指出,应该把“印有图形的石块”即化石分为两类:一类是有生物图形的化石;另一类是有非生物图形的化石。这两类化石的起源不同,不能一概而论,印有生物图形的化石是古生物的遗骸。在远离海洋的陆地上发现海洋生物化石,他认为是地球表面曾经发生过剧烈的隆起和变迁,使原来的海洋变成陆地。至于在化石中可以找到一些现今不存在的生物,他认为这是物种易变性的结果。胡克的这些观点虽然显得肤浅,但无疑体现了灾变论和进化论思想。他的这种灾变论和进化论的思想比居维叶和拉马克早了一百多年。胡克在对具有非生物图形的化石进行显微研究的过程中发现,晶体的多角体形状的形成有一定的规律。三年后,斯蒂诺(N·Steno)提出了晶体的界面角守恒定律。胡克的研究成果无疑是界面角守恒定律的先兆,所以他曾被称为结晶学的始祖。

胡克虽没有取得过很高的学历,没有显赫的地位,但在长期的实验研究中获得丰厚的回报,使我们更加清楚地认识到只要兢兢业业地工作,不论职业好坏,地位高低,均能取得优异成绩,三百六十行,行行出状元。

胡克的经历还提醒我们,知识是重要的,正是因为他的知识根基不深,使得他不能更加深入地研究,胡克在力学方面的工作充分地证明了这一点。但胡克对科学的贡献是巨大的,他不愧为一位伟大的物理学家和生物学家。

实验生理学的奠基人斯巴兰让尼

斯巴兰让尼(Lazzaro Spallanzani,1729~1799)是意大利著名的博物学家、生理学家和实验生理学家。

斯巴兰让尼于1729年1月12日出生于意大利斯坎迪亚诺镇,他的父亲是一位有名的律师,母亲出身富裕之家。斯巴兰让尼15岁中学毕业后进入勒佐——艾米里亚耶稣神学院,在那里他学习了五年,受到很好的语言学和哲学等方面的教育。1749年,他转入著名的波伦亚大学学习法律。他的堂姐芭西是一位杰出的妇女,在波伦亚大学任物理学和数学教授,在她的引导下,斯巴兰让尼对自然科学发生了浓厚兴趣,从而转学自然科学,1753年取得博士学位。此后不久,教会任命他为牧师,1760年成为神父。教会的经济支持,保证了他科学事业的顺利进行。

1761年,他首次外出进行科学考察。他通过研究多重相互联系的因素证明,山间泉水不像笛卡儿所说的那样是由海水变来的,而是如瓦里斯纳里所指出的那样,是雨(雪)水渗入地下后流出来的。这充分展示了斯巴兰让尼严谨的治学态度和逻辑思维能力。就在这一年,瓦里斯纳里把布丰和尼达姆关于自然发生的思想和著作介绍给他,引起了他极大的注意。从1762年开始,他对自然发生问题进行了深入研究,并取得很大的成功。

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