生物學實驗的產(chǎn)生和發(fā)展

生物學實驗的產(chǎn)生和發(fā)展生物學是一門實驗的科學，專門是現(xiàn)代生物學，離開了實驗，幾乎就不能進展。嚴格地說，生物科學實驗是建立在近代自然科學進展的基礎(chǔ)上的，但建立的過程經(jīng)歷了早期人類的自然觀看到對生命活動的探究，研究等一系列實踐活動這條漫長的道路。第一節(jié)早期人類的實踐活動人類是從古猿進化而來的。不管是人類依舊古猿，其生存都要和其他生物發(fā)生關(guān)系。人類辭別了猿類之后即開始對自己賴以生存的各種生物進行有意識的認識，并通過自己的觀看及實踐活動收集和積存有關(guān)的知識。假如能夠?qū)⑦@些稱之為原始的生物學，那么從某種意義上講，生物學是和人類及事實上踐活動一起產(chǎn)生的。一、原始人的自然觀看在長達二三百萬年的人類歷史中，大約99％的時刻是在原始社會中度過的。人類真正有意識地認識生物，是從采集和狩獵開始的。人類通過長期觀看和實踐，對不同植物以及同一種植物的不同器官進行識別，并進一步認識哪些植物的哪些部分是能夠充饑的、適口的，哪些是有毒害的，在什么季節(jié)能夠釆到什么植物。隨著工具的改進和火的使用，人類主動地獵取各種動物以補充自己的食源。他們開始注意觀看不同動物的形狀特點和生活習性，以便利用它們的弱點去更有效地捕捉它們。從采集到狩獵，原始人并沒有擺脫依靠天然食物而生活的歷史，直到種植和馴養(yǎng)的顯現(xiàn)，才標志著人類能夠按照自己的需要在自然界中獵取生存的必需品。據(jù)考證，大約從舊石器時代向新石器時代的過渡時期(約1萬年前)開始，就有了種植業(yè)。在西亞(今土耳其境內(nèi)的薩約呂一帶)發(fā)覺有1萬年前種植小麥的遺跡，在我國浙江余姚也發(fā)覺了六七千年前的大量炭化稻谷。能夠想像，人類在長期的自然觀看中，注意到有些植物的生長是靠著開花后結(jié)的種子落地而周而復始的，因此嘗試著將采集到的種子埋在土里，當小苗長出后細心侍候，最后他們得到了更多的果實和種子。他們成功了，種植業(yè)也趕忙開始了。在種植的過程中，人們要不斷地了解不同作物的生長習性，適時播種和治理，并逐步積存一定的體會。假如種植業(yè)能夠被看做是人類最早期的探究實驗，那么其操作方式確實是〝?shù)陡鸱N〞，最原始的工具是粗陋的石斧、石鋤等(圖1—1)。原始人用石斧將樹木砍倒，然后曬干并放火燒掉，騰出空地挖坑播種，在收成的季節(jié)，用石鐮將作物割下，用石碾加工為糧食。因此，這些所謂的〝實驗〞是我們現(xiàn)代人對它的命名，它距離今天意義上的〝實驗〞相差甚遠。原始人對生物的認識，更多的是靠著自然觀看和在生活實踐中的嘗試。然而，沒有原始人的各種實踐和嘗試，今天的〝實驗〞也就成為無源之水、無本之木。二、古代生物學實驗的萌芽原始人對生物的認識，僅僅是為了自身的生存，而進入文明社會以后，人們開始有目的地對各種生物的形狀、習性進行理性的探究。公元前1000年，中國的?詩經(jīng)?就有了大量關(guān)于動、植物知識的記載，只是，這些差不多上人們對自然觀看的描述，釀造業(yè)能夠說是古人們比較系統(tǒng)地進行〝生物學實驗〞操作的典型代表。傳奇在大約公元前2000年的中國夏代，人們就差不多明白釀酒了。有文字記載的是公元前1600年的殷代，人們用曲蘗制酒。曲是長了微生物的谷物，蘗是發(fā)了芽的谷物，在那個地點，蘗起淀粉糖化作用，曲起酒精發(fā)酵的作用，這是世界上利用曲霉最早的記錄。以后，釀酒技術(shù)就在此基礎(chǔ)上進展起來了。比較詳細記錄其操作程序的是?周禮?中的〝五齊〞。〝五齊〞是指發(fā)酵過程中的五個要緊時期：一是〝泛齊〞，這是發(fā)酵初始谷物吸水膨脹泛浮的時期；二是〝醴齊〞，即淀粉進行糖化作用時期；三是〝盎齊〞，即發(fā)酵時糖轉(zhuǎn)化為酒(即乙醇)和二氧化碳，冒出氣泡的時期；四是〝醍齊〞，在那個時期，酒的濃度逐步增加，醪液顏色變深；第五個時期是發(fā)酵終止，酒糟下降，稱〝沉齊〞。〝五齊〞的提出，是符合釀酒發(fā)酵的科學規(guī)律的。大約到了漢朝，即公元前200多年，我國釀酒差不多只用曲而不用蘗了。當時由于制曲的時候利用了某些條件，使曲里含有大量混雜生長的霉菌和酵母，分別起著淀粉糖化和酒精發(fā)酵的作用，使糖化和酒精發(fā)酵兩個過程既連續(xù)而又交叉地進行，這種方法確實是現(xiàn)代的復式發(fā)酵法，也是我國專門的釀酒方法。至今，西方的釀酒仍舊用麥芽糖化后再加入酵母進行酒精發(fā)酵兩道程序。當時，我國不僅在釀酒技術(shù)上有專門高的水平，在發(fā)酵技術(shù)方面也有專門多突破，如用酸漿調(diào)劑發(fā)酵，加醋或油以排除泡沫產(chǎn)生等。在釀酒技術(shù)進展的同時，利用乳酸菌發(fā)酵來加工貯藏蔬菜，釀醋、制醬等技術(shù)也都有了專門高的水乎。?周禮·天官?中就有關(guān)于醯人的記載，醯人是負責掌管釀醋的人員，這說明當時釀醋生產(chǎn)有了相當?shù)囊?guī)模。關(guān)于雜交實驗的最早記載，是公元121年我國東漢時期的許慎所著?說文?中提到的〝贏，驢父馬母者也；馱騠，馬父贏子也，，(贏即騾)。?說文?中還指出，雄驢和雌馬交配，雄馬和雌驢交配，其子代是有區(qū)別的。〝馱驪〞一詞，早在秦朝往常即已顯現(xiàn)，這說明當時差不多育成了馬父驢母的雜交騾。大約在公元前600年，古希臘生理學家阿爾克邁翁(Alcmaeon)即對人和動物的尸體進行了解剖。他提出的〝腦是智力的器官〞及〝人腦具有明白得力，而動物大腦只能覺察不能明白得〞的觀點，確實是建立在他的動物解剖實驗的基礎(chǔ)上。阿爾克邁翁的研究為人體解剖學和生理學開創(chuàng)了先河。被西方稱為〝生物學始祖〞和〝動物學之父〞的古希臘哲學家、動物學家亞里士多德(Aristotle，公元前384一公元前322)曾對540種動物進行了分類，對其中50多種動物進行了活體解剖觀看，并做了詳細記錄。如他研究了一種多刺的角鯊，發(fā)覺它與其他的魚類將卵排入水中不同的是，卵在雌魚體內(nèi)發(fā)育成幼魚才出生(這種〝胎生魚〞直到19世紀才被再次發(fā)覺)。他還對小雞在蛋殼中孵化的21天進行了詳細的觀看和記錄，發(fā)覺小雞生命的第一個信號是在開始孵化后的第4天顯現(xiàn)的一個跳動點，即心臟的搏動。亞里士多德不僅將觀看到的現(xiàn)象描述下來，還繪制成圖。古羅馬大夫蓋侖(Galen，129—199)也曾經(jīng)做過專門多生理實驗，以至于有些論著稱蓋侖為最早奠定生理學基礎(chǔ)的學者。在解剖生理學方面，他的最大奉獻是在肌肉和腦神經(jīng)方面。通過動物解剖及實驗，他能認出7對腦神經(jīng)及其功能，并揭示出脊椎分段切割的作用，他還觀看了尿從腎臟流經(jīng)輸尿管至膀胱的途徑。蓋侖還專門注意解剖的方法。在當時，羅馬差不多有了專門多的解剖器械(圖1—2)，蓋侖在他的?論解剖操作?專著中論述了專門多解剖、觀看的方法。像阿爾克邁翁、亞里士多德、蓋侖如此，為了認識自然現(xiàn)象而自覺地通過簡單的手段專門進行一些觀看和比較，能夠看做是科學實驗的先驅(qū)。在中國古代就曾有〝神農(nóng)嘗百草，一日而遇七十毒〞的傳奇，這也能夠看做是采納〝試錯法〞而進行的一種鑒別實驗。因此，古人們的這種探究實驗由于其手段簡單、工具簡單和方法的局限，有專門多是不完善、不科學甚至是錯誤的。例如，亞里土多德通過解剖哺乳動物而得出〝心臟的右腔大于左腔〞和〝動脈管里是空的，只是充滿了空氣〞等錯誤結(jié)論，這是因為剛剛宰殺的動物心臟突然收縮，左邊由于血液大部分射出而差不多癟下去，右邊卻常常還有部分充血，因此看上去左邊比右邊小。同樣，蓋侖關(guān)于血液運行的認識也是錯誤的。他甚至認為每一個器官差不多上為了一個目的而被神圣地制造出來，并主觀地認為，腸子里的食物由靜脈攜帶到肝臟，在那兒吸取。自然靈氣〞(naturalspirit)而被制造成血液，這些血液一部分通過靜脈到軀體各部分被吸取，另一部分被送到心臟右腔，通過左、右腔之間〝看不見的微孔〞進入左腔，在那兒同意〝活力靈氣〞(vitalspirit)，從左腔流出的血液到達腦，在那兒獲得最高的〝動物靈氣〞(animalspirit)(圖l—3)。古人的這些錯誤是完全能夠明白得的，在那個年代，受各方面的局限，他們只能將自己看到的事實描述下來，或者按照自己的推斷做出或?qū)蝈e的結(jié)論。然而，一些錯誤的觀念，如蓋侖關(guān)于血液運行的理論和他的〝三靈氣學說〞，正好與中世紀的宗教教義相符合，被認為是基督教說明自然和生命現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)，而被視為神圣不可堅決的經(jīng)典。因此，從公元2世紀到16世紀的長達1400年中，蓋侖的理論一直占有統(tǒng)治地位，以至于阻礙了生物學實驗的進展。三、古代生物學實驗的特點第一，以觀看為主的手段和以描述事實為主的結(jié)論是古代生物學實驗的一個要緊特點。不管是對生物的分類，依舊對生命的探究，差不多上對觀看結(jié)果的描述。第二，處在萌芽時期的生物學實驗，還沒有從以體會為主的勞動實踐中分化出來，事實上驗的目的和內(nèi)容是直截了當獵取人類所需要的物質(zhì)，其技術(shù)手段是生產(chǎn)實踐中的體會積存。第三，以探究為目的的生物學實驗還沒有完全擺脫原始的思辨，即還沒有完全從自然哲學中分化出來，如亞里士多德、益侖等進行的探究實驗，專門多是依靠于對自然的想像，因此對觀看到的事實做出了專門多錯誤的說明。第二節(jié)近代生物學實驗的建立與進展在西方，經(jīng)歷了科學上的漫長的黑暗和禁錮時期，到15世紀下半葉，終于進入了一個新的時期——文藝復興時期。近代自然科學是從如此一個偉大的時代算起的。一、生物學實驗的先驅(qū)在資產(chǎn)階級從封建社會里產(chǎn)生和進展的同時，新的生產(chǎn)方式的產(chǎn)生和進展也為科學的進展和科學實驗的產(chǎn)生制造了條件。文藝復興時期是一個需要反封建并產(chǎn)生反封建強大思想武器的時期，是一個需要科學巨人并造就科學巨人的時期，是一個需要科學實驗并建立科學實驗的時期。近代自然科學之因此成為科學，是與科學實驗研究方法分不開的。用實驗方法去揭示生命規(guī)律，去證明古人在直觀認識上所提出的一些思辨原理，并糾正古人由于觀看的片面性而產(chǎn)生的錯誤認識，是生命科學進展本身的要求。因為憑直覺觀看專門難說明事物的本質(zhì)，因此人們要求在有操縱的、人為的環(huán)境下進一步研究生命現(xiàn)象的真諦，探究生命活動的規(guī)律。因此，在生物學中，建立科學實驗差不多成為時代的要求。然而，生物學實驗在走向科學的道路上經(jīng)歷了艱巨和曲折，那些以實驗為手段，以事實為依據(jù)，探究生命科學的先驅(qū)，甚至付出了生命的代價。早在文藝復興時期前的13世紀，英國學者羅吉爾·培根〔RogerBacon，1214—1294)就成為倡導實驗的先驅(qū)。他提出：〝應當依靠實驗來弄明白自然科學、醫(yī)學、煉金術(shù)和天上地下的情況。〞他認為，實驗科學是完善的科學，不管推論多么有力，也不能提供確定性，除非得到實驗的證明。羅吉爾·培全然人不惜重金購買了各種儀器，自己動手做了大量的實驗。例如，他科學地記錄了凹鏡和透鏡的焦點位置與散度，并提出運用其原理制造望遠鏡和顯微鏡的設(shè)想，但由于他的這些行為觸犯了宗教神學而被監(jiān)禁24年。文藝復興時期的巨人之一—列奧納多·達·芬奇(LeonardodaVinci，1452—1519)不僅是藝術(shù)家，而且是數(shù)學家、解剖學家和生理學家。他倡導科學實驗，第一開始了對古代人體解剖學說的改造。在中世紀，在人體解剖學方面占統(tǒng)治地位的是古羅馬大夫蓋侖的學說。達·芬奇敢于對差不多寫進教義的理論持懷疑態(tài)度，他不顧教會的禁令，在物理學、化學、生理學等方面做了大量實驗，并親自解剖了10多具尸體，獲得了豐富的人體解剖的資料。他繪制了750多幅人體解剖圖，還利用熱蠟注入腦室空腔，制作了世界上第一個腦室模型，并創(chuàng)立了研究軟組織的連續(xù)切片技術(shù)。他提出：〝實驗是一切自然現(xiàn)象研究工作所必須遵循的方法。〞對古代人體解剖學說的改造做出最大奉獻的是比利時大夫維薩里(AndreasVesalius，1514—1564)。維薩里專門早就提出：〝我要從對人體本身的解剖來闡明人體的構(gòu)造。〞為此，他不顧教會禁令，經(jīng)常在深夜到郊外無主墓地或刑場去取回殘骨或尸體進行解剖。他以實際的人體解剖揭示的事實糾正了蓋侖200多處錯誤，用實驗材料駁斥了?圣經(jīng)?上關(guān)于上帝造人的謬論，并在此基礎(chǔ)上，于1543年出版了?人體的構(gòu)造?一書。該書第一次在解剖實驗的基礎(chǔ)上全面、系統(tǒng)地揭示了人體內(nèi)部的真實構(gòu)造，掀開了人類認識自身的新篇章。在書中，維薩里還科學地繪制了專門多解剖圖(圖l—4)，這些圖專門多被作為藝術(shù)品而保留至今。維薩里的研究道路是艱巨的，他最終被教會判處去〝圣地〞耶路撒冷贖罪，在歸途中由于船只失事而死于異國他鄉(xiāng)。繼維薩里之后，他的同學西班牙大夫塞爾維特(Servetus，1511—1,553)又有許多新的發(fā)覺，并從解剖學方面的觀看逐步轉(zhuǎn)移到對機體生理活動的研究上來。塞爾維特認真研究了血液涌向肺臟的情形，他發(fā)覺，血液從右心室流入左心房不是通過中膈上的孔，而是通過肺臟作了一番〝旅行〞，轉(zhuǎn)變成新奇的血再回到左心房。這就違抗了蓋侖的血液運行學說。塞爾維特在1553年出版的?基督教的復興?一書中，將自己的發(fā)覺公布于眾，并批判了蓋侖的〝靈氣說〞。由于他的觀點觸犯了教義，褻瀆了?圣經(jīng)?，1553年10月27日，宗教法庭判處他死刑。二、生物學實驗的建立維薩里、塞爾維特等作為科學實驗倡導者的先驅(qū)，為探究生命的本質(zhì)而獻身，而他們最初的探究，依舊沒有完全擺脫以〝考察事實〞為主的解剖實驗。真正開創(chuàng)以科學研究為主的生物學實驗的是英國生理學家、大夫威廉·哈維(WilliamHarvey，1578—1657)。在前人研究的基礎(chǔ)上，哈維通過自己的科學實驗明確提出人體血液循環(huán)理論。第一，哈維通過運算血液量的方法推斷出血液只能是循環(huán)不息的。哈維解剖過128種哺乳動物，并詳細地觀看它們心臟的搏動。他估量左心室的容量大約是0.057千克，心臟的跳動大約是每分鐘72次，進一步運算，1小時內(nèi)從左心室里排出的血量大約為245千克，相當于一樣人體質(zhì)量的3—4倍！這么多的血，不可能在l小時內(nèi)由肝臟制造出來，也不可能這么快在肢體末端被吸取掉。蓋侖關(guān)于血流運行的理論明顯是錯誤的。那么，惟一可能的是血液在全身做一種閉合的循環(huán)流淌。為了使自己的估量得以證實，哈維開始轉(zhuǎn)入長時刻的實驗研究。他進行了大量的動物活體實驗，打開動物體腔，凝視著動物的心臟，隨著有節(jié)奏的收縮和舒張心臟忽而慘白，忽而泛紅，收縮時心臟壁變硬，舒張時又變得柔軟，將心臟切開一個小口時發(fā)覺，收縮時，血液以噴射的方式排出心臟，而舒張時那么慢慢流出。因此哈維得出了他關(guān)于血液循環(huán)的第一個結(jié)論：心臟是一個泵，當它收縮時，將血液泵出；舒張時，又將血液吸滿。為了證實血液從心臟射向血管時血管的作用，哈維又進行了一系列的實驗。當時，解剖學家們普遍相信血管的收縮是靠它自身的力量。哈維認為，只有通過實驗證實才能下結(jié)論，因此，他著手對動脈進行研究。他認真地觀看血管相伴心臟的收縮、舒張而發(fā)生的變化：當心臟收縮時，動脈充滿了血，同時擴張；當心臟舒張時，動脈管壁又彈回。哈維把動脈的這種擴張與彈回的運動稱為〝脈搏〞。當心臟劇烈跳動時，脈搏也加快，而當心臟停止跳動時，脈搏即消逝。哈維將動物的一條動脈切開，發(fā)覺心臟收縮時血液大量涌出，當血液枯竭時，脈搏也就沒有了。依照這些實驗現(xiàn)象，哈維認為，動脈擴張是由于心臟收縮時射出的血液使得動脈被填充而形成的，動脈自身沒有力量形成脈搏，脈搏是由于心臟的運動造成血流的沖擊而產(chǎn)生的。哈維進一步又做了血管結(jié)扎的實驗。他用帶子結(jié)扎了動脈管，發(fā)覺在結(jié)扎處上部，即靠近心臟一端的動脈膨脹，并隨著心臟的跳動而蠕動；相反，在結(jié)扎處的下部，即離心臟較遠的地點，動脈專門快癟下去，脈搏也消逝了。哈維切開結(jié)扎處下部，那兒差不多沒有血了，而切開結(jié)扎處的上部時血液進射出來。哈維用同樣的方法對靜脈進行結(jié)扎，顯現(xiàn)的結(jié)果與上述相反。為了進一步證實靜脈的作用，他又認真研究了心臟瓣膜和靜脈瓣膜，他發(fā)覺，在心臟每一側(cè)，心房與心室的瓣膜差不多上單向結(jié)構(gòu)，這與靜脈瓣膜結(jié)構(gòu)相同，因此確認這些瓣膜是操縱血流方向的。哈維在自己的身上做了如下的實驗，以證實瓣膜的作用：用手握住一根木棒，并用繃帶綁住這只胳膊，在繃帶以下沿著可見的淺表靜脈會顯現(xiàn)一些突起，這些突起是靜脈瓣膜處積存的血液造成的，用一個指頭按壓突起以下的靜脈，把血往上擠，當把手指移開時，靜脈又被從下面來的血液充滿了(圖1—6)。哈維還在動物體內(nèi)做了另外的實驗，以證明血液流淌的方向。他將一根細金屬針插進動物的靜脈，追蹤它的前進路線，發(fā)覺專門難將金屬針向靜脈的支脈推進，而當他把金屬針從靜脈下方向心臟端推進時，瓣膜那么像閘門一樣打開。哈維將上述一系列實驗的現(xiàn)象和結(jié)果通過一番推論，得出了如下的結(jié)論：動脈把血從心臟帶出，而靜脈把血送回心臟。1628年，哈維在經(jīng)歷了13年的大量實驗研究的基礎(chǔ)上發(fā)表了他文明遐邇的著作——?動物心臟與血液運動的解剖學研究?。在該部著作中，哈維將自己的實驗結(jié)果與塞爾維特的關(guān)于肺循環(huán)的發(fā)覺相結(jié)合，論述了〝在動物體內(nèi)，血液是在循環(huán)不息地流淌著的〞觀點，并對血液循環(huán)的途徑進行了一個完整的描述。哈維的研究之因此獲得成功的重要緣故，是他應用了正確的研究方法——在觀看事實的基礎(chǔ)上提出假設(shè)，并通過實驗來證實假設(shè)。這種方法能夠說是近代科學的一種研究方法。血液循環(huán)的發(fā)覺，標志著建立在實驗和周密測量基礎(chǔ)上的實驗生理學的建立。不僅生理學，整個生物學不再是靠思辨的推理，而是進入了以實驗為依據(jù)的時代。正如恩格斯所說：〝哈維由于發(fā)覺了血液循環(huán)，而把生理學確立為科學。〞三、生物學實驗的進展哈維之后，生物學實驗開始在生理學、微生物學、細胞學、遺傳學等領(lǐng)域迅速進展起來，同時又推動了這些領(lǐng)域的進展。近代資本主義工業(yè)的龐大進展，使得科學實驗又獲得了許多先進的儀器設(shè)備。顯微鏡的顯現(xiàn)和改進，證實了哈維的推斷：動脈末梢與靜脈之間由極細小的血管分支或稱〝組織孔〞連接。1661年，意大利解剖學家馬爾比基(Malpighi，1628—1694)利用顯微鏡看到了青蛙肺里連接靜脈和動脈的〝微血管〞。在微血管中，他看到血在〝極其細小的溪流中〞從動脈流向靜脈。馬爾比基之后，荷蘭生物學家列文虎克(AnthonyvanLeeuwenhoek，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血管，并描述了透過毛細血管薄壁所看到的紅細胞。意大利生物學家雷迪(FrancescoRedi，1626—1697)于1688年首次運用對比實驗的手段證明腐肉中的蛆是來自蒼蠅在肉上產(chǎn)的卵，而不是自然發(fā)生的。1727年，英國生理學家黑爾茨(S．Hales，1677—1761)也運用了對比實驗，并首次運用定量實驗證實了葉子的蒸騰作用。他選擇了兩盆用鉛板圍住以防止水分從植物以外蒸發(fā)的向日葵，一盆保留其葉子，另一盆摘去葉片，通過一個白天即12小時以后，分別測量兩盆的水分質(zhì)量，前者減少了0.85千克，后者減少了0.057千克，因此證明了植物體水分的蒸發(fā)與植物的葉子有關(guān)。黑爾茨還用定量實驗的方法測定了動物的血壓：他將一根銅管插入馬的頸動脈的切口，血液在管子中上升了2.4米。當管子里的血液不到0.6米時，馬即死去。黑爾茨指出，這是由于心臟搏動產(chǎn)生的力量而造成的〝血壓〞，他還運罷了血液從動脈流出的量與血壓隨之下降的關(guān)系。黑爾茨用同樣的方法測定了植物的〝根壓〞。在他撰寫的?植物靜力學?(1727年)和?血液靜力學?(1733年)中，黑爾茨運用了大量的定量實驗結(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淌速度和阻力。哈維、黑爾茨等用物理學的方法來設(shè)計生物學的實驗，并對生物學的一些問題做出了科學的說明。15世紀后半葉，化學從缺乏科學基礎(chǔ)的原始煉金術(shù)時期進入了一個新時期——醫(yī)藥化學時期。由于醫(yī)藥學與人體生理學有著必定的聯(lián)系，這就使一些研究藥物的化學家嘗試著對人體生理學進行研究，進而將化學方法引入整個生物學實驗。瑞士大夫、醫(yī)藥化學家巴拉塞爾蘇斯(P．A．Paracelsus，1493—1541)把化學知識應用于醫(yī)藥實踐中，對人體生理提出了一個新的見解，他認為，人體本質(zhì)上是一個化學系統(tǒng)，人體的生理功能確實是一個化學過程。將化學手段引人一輩子物學實驗，并以化學觀點說明生命活動的典型代表，是比利時化學家、大夫赫爾蒙特(J．B．vanHelmont，1580—1644)，〝柳樹實驗〞確實是他聞名的植物生理實驗，他以此闡明了水分是植物必需的營養(yǎng)物質(zhì)。隨著化學方法和手段在生物學實驗中的應用，人們又連續(xù)證明了植物的光合作用和動、植物的呼吸作用等一系列生理過程中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。1821年，由法國生理學家馬真迪(FrancoisMagendi，1783—1855)創(chuàng)辦的?實驗生理學雜志?正式創(chuàng)刊，這是生物學史上第一本以實驗研究為內(nèi)容的雜志，它的產(chǎn)生，促進了實驗生理學的進展及實驗方法在生物學研究中的應用。19世紀，科學實驗在生物學領(lǐng)域出現(xiàn)了全面繁榮的局面。1838—1839年，德國植物學家施萊登(MatthiasJacobSchleiden，1804—1881)和動物學家施旺(TheodorSchwann，1810—1882)在前人發(fā)覺細胞及其結(jié)構(gòu)以及顯微鏡技術(shù)改進的基礎(chǔ)上，以正確的理論思維與顯微鏡觀看相結(jié)合，創(chuàng)立了細胞學說。在這之后，實驗方法被推廣到生物細胞的研究中。1875—1900年，德國胚胎學家赫特維奇(H~rtwing，1849—1922)、杜里舒(Driesch，1867—1941)等將實驗方法應用于海膽受精作用的研究，并證明了受精作用中精、卵細胞核的結(jié)合以及細胞核是遺傳的基礎(chǔ)。從此，觀看細胞學進展成為實驗細胞學。實驗方法在微生物方面的應用，是法國微生物學家巴斯德(LouisPasteur，1822—1895)(圖1—7)于1857年進行的微生物酵素(酶)實驗。他通過實驗證明，發(fā)酵過程是由微生物的酵素實現(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)成分等阻礙。1864年，他還完成了一個聞名的肉湯滅菌實驗。巴斯德在實驗中嚴格操縱無菌條件，以長曲頸瓶凈化和無菌肉湯接觸的空氣，證實了肉湯腐敗的緣故是來自外界微生物的污染，而肉湯本身不能產(chǎn)生細菌，從而證明了生物〝自然發(fā)生〞的不可能性。巴斯德為微生物的研究提供了科學的實驗方法和理論。在遺傳學的領(lǐng)域里，假如說，早期人們進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踐活動，或者說是遺傳實驗的萌芽，那么，奧地利遺傳學家盂德爾(GregorJohannMendel，822—1884)于1856年開始進行的豌豆雜交實驗，就改變了以往為得到新品種而進行的單純實驗活動。他開始了對生物遺傳本質(zhì)的探究，同時還運用數(shù)學中的數(shù)理統(tǒng)計和概率分析，為研究生物遺傳的規(guī)律提供了新的思想和方法。將統(tǒng)計學原理運用到遺傳實驗研究中的還有美國科學家高爾頓{Galton，1822—1911}。高爾頓在達爾文思想的鼓舞下，著手研究遺傳學和優(yōu)生學，他設(shè)計了各種測定智力的儀器，統(tǒng)計了9000個受試者的數(shù)據(jù)，1869年發(fā)表了?天才的遺傳?，并提出，通過選擇育種能夠從智力和體力上改良人種。1885年，在實驗研究的基礎(chǔ)上，他創(chuàng)立了〝優(yōu)生學〞。在進化論的研究中，達爾文的自然選擇學說自l9世紀60年代起差不多開始在生物學家中得到承認，但真正通過實驗而得以論證還應歸功于荷蘭植物學家雨果·德弗里斯(Hugodevries，1848—1935)。1892年，德弗里斯著手實施一項植物培養(yǎng)實驗方案，他在實驗園中栽培了各種類型的月見草，通過8年的努力，在他進行的雜交實驗中，他發(fā)覺了全新的月見草變種以及那個變種在后代中的重現(xiàn)。德弗里斯將那個新變種的顯現(xiàn)稱之為〝突變〞。德弗里斯還提出了前進性突變和退行性突變之間的差異，并指出前進性突變能促進物種進化。德弗里斯的實驗證明了新種的起源途徑，從而為以描述為主的進化論提供了實驗方法，使其具有了更為科學的特點。四、近代生物學實驗的特點隨著資本主義生產(chǎn)方式的建立和進展，近代生物學實驗在經(jīng)歷了艱巨、曲折和不屈的斗爭之后，終于從古代的生產(chǎn)實踐中分化出來，走上了科學的道路，并得以全面地進展。歸納起來，近代生物學實驗有如下特點：1．生物學實驗不再是對自然現(xiàn)象的觀看和描述，而是有目的的對生命本質(zhì)的探究。蓋侖依靠推論和揣想方法所創(chuàng)立的〝靈氣說〞之因此能統(tǒng)治十幾個世紀，確實是因為缺乏科學的實驗。盡管生物學實驗和自然觀看是緊密聯(lián)系在一起的，它們差不多上搜集事實、獵取感性材料的方法，然而自然觀看只是在自然狀態(tài)下去認識對象，而生物學實驗是在人為操縱的條件下或在改變對象狀態(tài)的條件下，有目的地認識對象，因此，生物學實驗能夠從更深入的本質(zhì)對生命活動進行探究。2．生物學實驗從原始的生產(chǎn)實踐中分化出來生物學實驗和生產(chǎn)實踐活動差不多上有目的的活動，同時都有活動對象以及作用于對象的手段，因此，生產(chǎn)實踐活動作為生物學實驗的萌芽，為生物學實驗的建立和進展奠定了技術(shù)和手段的基礎(chǔ)。然而生產(chǎn)實踐活動要緊是解決人與自然的直截了當關(guān)系，其目的是獵取人類直截了當需要的物質(zhì)財寶，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，而生物學實驗那么是以認識生命及其規(guī)律為直截了當目的的探究活動，事實上驗對象不是自然，而是從自然中抽取出來的典型環(huán)境中的事物，這就能夠使事物的本質(zhì)得以表現(xiàn)，如哈維對血液循環(huán)動力及血液循環(huán)方向的探究。3．建立了生物學實驗的方法和手段生物學實驗擺脫了古人的單純觀看或是借助簡單工具進行解剖觀看的方法，而是運用〝觀看事實一思維想像一提出假說一設(shè)計實驗一實驗檢驗一歸納總結(jié)一做出結(jié)論〞等一系列的研究方法，這就使得生物學實驗走上了科學的道路；在生物學實驗向生物學各分支領(lǐng)域進展的過程中，不僅借助了物理學和化學的研究成果及其手段、儀器、設(shè)備等，還進一步運用了〝對比〞、〝析因〞、〝定性〞、"定量"、模擬〞等不同類型的實驗方法。第三節(jié)現(xiàn)代生物學實驗的進展19世紀末，自然科學開始了全面的、革命性的進展，生物學實驗也進入了現(xiàn)代進展的時期。同近代生物學實驗相比，現(xiàn)代生物學實驗的內(nèi)容更為深入和廣泛，設(shè)備、方法和手段更為完善和先進。生物學實驗差不多成為現(xiàn)代生物科學取得成果的重要基礎(chǔ)。一、現(xiàn)代生物學實驗的進展現(xiàn)狀1．現(xiàn)代生物學實驗方法的龐大變革現(xiàn)代生物學實驗方法的龐大變革，是與19世紀末至20世紀初物理學、化學上的一系列新成就分不開的。1895年，德國物理學家倫琴〔W.K.Rontgen,1845——1923〕在進行陰極射線實驗時，意外地發(fā)覺了一種穿透力極強的射線，它能穿過密封的黑色紙使照相底片感光。當時，倫琴并不明白這是什么射線，因此命名為〝X射線〞。后人稱之為〝倫琴射線〞。X射線盡管是科學史上的一次偶然發(fā)覺，然而它為整個自然科學的研究帶來了龐大的變革。最早應用X射線的是醫(yī)學外科。在發(fā)覺X射線后的第4天，美國人就將其應用于人體透視，以確定殘存在體內(nèi)的彈片的位置。為此，倫琴獲得了名譽醫(yī)學博土的學位。1912年，德國化學家馮·勞厄(VonLaue，1879—1960)發(fā)覺了X射線能被晶體所衍射，物質(zhì)的結(jié)晶越完善，衍射成效就越好，在此基礎(chǔ)上進展起來的X射線晶體衍射技術(shù)能夠使人間接地觀看到分子中原子的位置。X射線衍射技術(shù)專門快被運用到生物學實驗的研究中。1937年，美國化學家鮑林(Pauling，1901一)首次運用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)。1951年，英國生物物理學家威爾金斯(M．Wilkins，1916一)將X射線衍射技術(shù)應用到對DNA結(jié)構(gòu)的研究中，獲得了突破性的進展。美國遺傳學家沃森(J．Watson，1928一)和英國物理學家克里克(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。1896年，繼X射線的發(fā)覺后，在對X射線源的探究中，法國物理學家貝克勒爾(Becquerel，1852—1908)發(fā)覺了鈾的放射性，緊接著，法國物理學家皮埃爾·居里(P．Curie，1859—1906)和瑪麗·居里(M．Curie，1867—1934)夫婦又發(fā)覺了釷、釙、鐳等放射性元素。放射性元素的發(fā)覺推翻了〝原子不可再分〞的觀點，改變了自然科學家的思維。1934年，意大利物理學家費米(Fermi，1901—1954)又開創(chuàng)了人工制造放射性元素的途徑。在短短幾個月中，人類得到了37種放射性同位素。今天，人工制造的放射性同位素已達1000多種，幾乎每種元素都有了放射性同位數(shù)。放射性元素的發(fā)覺及放射性同位素的獲得，開創(chuàng)了現(xiàn)代生物學實驗的新途徑，一種新的實驗技術(shù)——同位素示蹤技術(shù)產(chǎn)生了。將放射性同位素的原子標記到某種化合物上，以研究該物質(zhì)在生物代謝中的蹤跡和變化，或用于生物大分子結(jié)構(gòu)的分析，這種技術(shù)稱為同位素示蹤技術(shù)。最早在生物學實驗中運用放射性同位素示蹤技術(shù)的是匈牙利化學家赫維西(Heresy，1885—1966)。1913年，赫維西運用天然放射性鉛作示蹤元素．研究植物根部對鉛鹽的吸取速度，獲得成功，但由于鉛是非生理性物質(zhì)，可阻礙植物的正常代謝，因此該成果未被重視。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記的磷酸鹽進行實驗，了解了磷在動、植物體內(nèi)的代謝蹤跡。為此，赫維西獲得了1943年的諾貝爾化學獎。赫維西之后，放射性同位素示蹤技術(shù)廣泛應用于生物學實驗中。1940年，放射性同位素碳l4被分離出來，其半衰期約為5700年，由于它比較安全而成為生物學實驗中應用最廣泛的一種示蹤同位素。1898年，英國物理學家湯姆森(J．Thomson，1856—1940)發(fā)覺并證實了〝電子〞的存在，這不僅打開了原子世界的大門，開創(chuàng)了物理學的新時代，也為現(xiàn)代生物學實驗奠定了基礎(chǔ)。1923年，法國物理學家路易·德布羅意(LouisVictordeBroglie，1892—1987)證實了電子的波動性，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)。1933年，德國物理學家魯斯卡(Ruska，1906一)制造了一臺透射式電子顯微鏡。由于用電子代替光源，電子顯微鏡的辨論率比光學顯微鏡提高了幾百倍甚至上千倍。20世紀40年代，科學家們又研制出掃描電子顯微鏡，使物像更加清晰，立體感更強，因此，電子顯微鏡被廣泛地應用到生物學實驗的研究中。又因為電子只能通過專門薄的物體，且通過電鏡觀看的又是生物體的超微結(jié)構(gòu)，因此，被觀看的物體切片必須做得專門薄，因此，電子顯微鏡的問世又推動了生物超薄切片技術(shù)及材料染色技術(shù)的不斷進步。隨著現(xiàn)代物理學、化學的進展，越來越多的新技術(shù)被引入現(xiàn)代生物學實驗中。20世紀40年代以后發(fā)明的核磁共振技術(shù)，能夠在液體狀態(tài)下測定生物大分子結(jié)構(gòu)，補償了X射線銜射技術(shù)必須用結(jié)晶態(tài)樣品的不足；20世紀60年代，激光技術(shù)應用于細胞學實驗中，能夠在不損壞生物體周圍組織的條件下分別破壞細胞里的各個細胞器，以達到對這些細胞器生物功能進行研究的目的；超速離心機及其在生物研究中的應用差不多成為現(xiàn)代生物學實驗的重要設(shè)備與技術(shù)，能夠分離、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。因此，這些物理學和化學的新技術(shù)應用到生物學領(lǐng)域中，促進了現(xiàn)代生物學實驗的進展，反過來，現(xiàn)代生物學實驗的進展也對這些技術(shù)提出了越來越高的要求，從而促進了這些技術(shù)的進展與更新。1906年，俄國生理學家茨維特(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。1941年，英國生物化學家馬丁(Martin，1910一)和辛格(Synge，1914一)在研究羊毛蛋白質(zhì)的氨基酸組成時，進展了茨維特的吸附層析技術(shù)，改用濾紙作為固定相，將含有各種氨基酸或肽的羊毛蛋白質(zhì)水解液作為流淌相，從而達到分離目的。這二技術(shù)在生物學、化學與醫(yī)學實驗研究中迅速得到廣泛應用及進展。電子顯微鏡也在不斷地進展、改進和升級，使人們對生物超顯微結(jié)構(gòu)有了更深人的認識?，F(xiàn)在，掃描隧道電子顯微鏡差不多能夠達到原子級的辨論率。2．生物學技術(shù)革命對現(xiàn)代生物學實驗的阻礙DNA的發(fā)覺，標志著分子生物學的產(chǎn)生。分子生物學的建立，不僅對整個生物學及生物學實驗產(chǎn)生了深遠的阻礙，而且對20世紀以來的技術(shù)革命也產(chǎn)生了不可估量的作用。20世紀70年代，生物學實驗在微觀領(lǐng)域里實現(xiàn)了革命性的突破，那確實是在分子生物學基礎(chǔ)上進展起來的現(xiàn)代生物技術(shù)?，F(xiàn)代生物技術(shù)與古人在生產(chǎn)實踐中摸索出來的生產(chǎn)技術(shù)有著本質(zhì)的不同，它是應用生物學和工程學原理，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、細胞工程、酶工程、發(fā)酵工程?；蚬こ淌前岩环N生物的遺傳物質(zhì)DNA片段(即目標基因)從細胞中分離出來，在體外利用〝化學剪裁〞的方法與載體(如細菌的質(zhì)粒)重新組合，再移植到另一種生物細胞中去，使后者含有目標基因，從而改變這種生物的遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)，制造出人類所需要的新的生物類型(圖1—8)。細胞工程是指用細胞生物學方法將一種細胞的染色體或細胞核等轉(zhuǎn)移到另一種細胞中去，從而獲得新的生物類型。細胞融合、體細胞雜交、核移植、外源染色體導入、組織培養(yǎng)等技術(shù)都屬于細胞工程。酶工程是利用酶促反應的高效性和高度專一性的特點，借助于工藝手段和生物反應器來進行某種產(chǎn)品生產(chǎn)的一種技術(shù)。發(fā)酵工程也稱微生物工程，是指利用微生物的發(fā)酵作用，通過現(xiàn)代工程技術(shù)手段來獲得所需要品種的一種技術(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。現(xiàn)代生物技術(shù)的產(chǎn)生和進展，是現(xiàn)代生物學實驗進展的必定結(jié)果，它標志著現(xiàn)代生物學實驗差不多擺脫了傳統(tǒng)模式，而直截了當將生命科學的理論和發(fā)覺應用于生產(chǎn)實踐的探究。例如，遺傳工程為細胞分化、腫瘤發(fā)生等有關(guān)生物學基礎(chǔ)理論的研究提供了有效的實驗手段，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。3．電子運算機對生物學實驗的重大阻礙電子運算機在生物學實驗領(lǐng)域中的應用，從全然上改變了生物學實驗的面貌。它不同于一樣的生物學實驗工具和手段，不僅具有運算速度快，精確度高等特點，能夠?qū)⑷藦募婋s的運算和統(tǒng)計中解放出來，還能模擬人腦，具有經(jīng)歷和判定的功能，能夠關(guān)心人進行實驗設(shè)計、整理資料、辨別結(jié)果差異。電子運算機還能夠追蹤自然現(xiàn)象的動態(tài)進展，既能夠做分解實驗，又能夠模擬綜合。例如，環(huán)境對生物的阻礙是多因素綜合的；結(jié)果，人為進行考察，往往專門難嚴格操縱實驗對象+條件等各種因素，而電子運算機能夠通過模擬某一自然環(huán)境及其中的生物，分解各個獨立因素對生物的阻礙，也能夠綜合各種因素對生物的整體阻礙，還能夠模擬進行生物對環(huán)境的作用的研究實驗。因此，電子運算機能夠使生物學實驗的周期大大縮短，而且使實驗的準確度大大提高。4．生物學實驗中數(shù)學模型的建立現(xiàn)代生物學實驗革命的另一個標志，確實是數(shù)學模型的建立。數(shù)學模型差不多廣泛應用于高級神經(jīng)活動的生理學、復雜的生物系統(tǒng)、遺傳學、生態(tài)學的研究中。數(shù)學模型在生物學實驗中的意義在于：(l)能夠進行專門大數(shù)量的分析處理，從而克服了實際實驗中只能對少部分生物進行分析的局限。(2)能夠?qū)碗s的多因素以獨立的形式進行分析，而實際實驗專門難做到。(3)能重復研究實驗的各種信息、資料，而實際實驗中專門難做到。二、現(xiàn)代生物學實驗的特點現(xiàn)代生物學實驗從內(nèi)容到手段、方法，乃至實驗模式，都發(fā)生了龐大的變革。歸納起來，現(xiàn)代生物學實驗有如下幾個方面的特點。1．物理學和化學的新成果、新技術(shù)為生物學實驗提供了日益完善和周密的實驗手段近代物理學和化學的專門多思想和手段應用于生物學，促進了生物學的進展。19世紀末到20世紀初，物理學和化學對生物學及事實上驗的阻礙越來越明顯，物理學和化學的手段在生物學實驗亮中的應用改變了以往生物學實驗手段的簡單和粗陋，為生物學實驗提供了電子顯微鏡、激光器、核磁共振儀、色譜儀等靈敏度高、可靠性強的實驗裝置。生物科學領(lǐng)域里專門多重大成果的突破如DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)覺、生物工程的進展、克隆技術(shù)的突破等，都離不開物理學和化學的手段。正如恩格斯曾經(jīng)論斷的：〝只有在這些統(tǒng)治著非生物界的運動形式的不同的知識部門達到高度的進展以后，才能有效地闡明各種顯示生命過程的運動進程。對這些運動進程的闡明，是隨著力學、物理學和化學的進步而前進的。〞(?自然辯證法?)2．生物學實驗與生物技術(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)體會的積存，而現(xiàn)代生物技術(shù)差不多進展到以理論為指導，并為新理論的產(chǎn)生提供研究方法的實踐活動，它和生物學實驗的關(guān)系也日益緊密，其表現(xiàn)為：生物學實驗的成果迅速被運用到生物技術(shù)中，而生物技術(shù)又迅速為生物學實驗提出新的課題和新的手段。3．生物學實驗傳統(tǒng)模式的變革；現(xiàn)代生物學實驗的模式與近代生物學實驗的模式相比，有了專門大的變化，它表現(xiàn)在：(1)實驗場所的突破。以往的生物學實驗大多局限在實驗室內(nèi)，而現(xiàn)代生物學實驗由于和生產(chǎn)技術(shù)的結(jié)合日益緊密，事實上驗場所并不局限在實驗室內(nèi)，它的規(guī)模也日益擴大。(2)對實驗對象的突破。傳統(tǒng)的生物學實驗的對象差不多上具體的實物。電子運算機和數(shù)學模型的建立，使實驗對象能夠變得抽象化、模型化，更便于實驗和研究?？傊?，20世紀以來，生物學實驗取得了突破性的進展，生物科學也獲得龐大的進展。21世紀，生物科學將成為整個科學的前沿學科，生物學實驗的作用也將越來越重大。第二章生物學實驗概述從生物學實驗的產(chǎn)生及進展的過程中，我們能夠看出，對生命本質(zhì)進行研究的生物學實驗對生命科學的進展是有著重要作用的。在深入研究生物學實驗之前，我們第一探討一下怎么說什么是生物學實驗，它包括哪些要素，有哪些類型。第一節(jié)生物學實驗的差不多要素一、什么是生物學實驗一樣的觀看是在保持自然狀態(tài)下對事實的考察，是對生命體的形狀結(jié)構(gòu)或生命現(xiàn)象的記錄，而生物學實驗那么不同，它是在觀看的基礎(chǔ)上，運用各種手段，運用各種方法，通過人為干預某些因素，而對生命的發(fā)生、進展追根尋源的實踐過程。然而；兩者又是有著緊密聯(lián)系的，生物學實驗和生物學觀看差不多上搜集科學事實、獵取感性材料的差不多方法，是形成、進展和檢驗生物科學理論的實踐基礎(chǔ)。因此，兩者是相互聯(lián)系、相互補充、相互滲透、密不可分的。能夠如此概括：觀看是實驗的基礎(chǔ)，實驗是觀看的進展。我們從俄國生理學家巴甫洛夫(Pavlov，1849—1936)所進行的聞名的〝條件反射建立〞的實驗過程來分析生物學實驗和生物學觀看的區(qū)別與聯(lián)系。巴甫洛夫在對狗的消化生理進行研究的過程中意外地發(fā)覺，飼養(yǎng)員的腳步聲能夠引起狗的口水流出。這種發(fā)覺完全是靠著一種自然觀看，即在自然狀態(tài)下所得到的，因此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。為了證實這種設(shè)想，巴甫洛夫在狗進食過程中進行了某些操縱，如設(shè)計了鈴聲、電光等與唾液分泌無關(guān)的因素的刺激，并在狗的頰部制造了唾液漏，以觀看和收集狗的唾液。這一系列的實驗活動是在人為操縱或干預的條件下進行的，它不同于開始的自然觀看，但又是在最初的自然觀看的基礎(chǔ)上建立的。正是由于這些操縱活動，才制造了純化無關(guān)刺激與有關(guān)刺激的環(huán)境，從而建立了條件反射的概念，并創(chuàng)立了高級神經(jīng)活動學說。巴甫洛夫的〝條件反射建立〞的實驗不僅使我們認識了生物學實驗與自然觀看的區(qū)別與聯(lián)系，也為我們提示了怎么說什么是生物學實驗。生物學實驗是有一定的研究對象，并依照研究目的，運用一定手段(儀器、設(shè)備等)主動操縱、干預研究對象，或操縱環(huán)境、條件，即制造一種典型環(huán)境或?qū)ｉT條件，并在其中進行的探究生命現(xiàn)象及其運動規(guī)律的實踐活動。二、生物學實驗的差不多要素從生物學實驗的概念中能夠看出，生物學實驗是人對生物體及生命現(xiàn)象的主動認識過程，因此，從認識論的角度分析，生物學實驗應包括實驗者、實驗研究對象和實驗手段等三種要素。又因為生物學實驗是通過人的主動操縱而進行的實踐活動，因此，從方法論的角度分析，生物學實驗還應包括觀看、假設(shè)、推測、操縱、操作、記錄、析因、推理、結(jié)論等一系列環(huán)節(jié)。有關(guān)方法問題，在后面還要進行專題討論，因此，本節(jié)只從認識論的角度來分析生物學實驗的差不多要素。1．實驗者實驗者是整個生物學實驗的認識主體，是實驗過程中最積極、最活躍的因素，因此，從生物學實驗各個環(huán)節(jié)的設(shè)計，對研究對象、環(huán)境、條件的操縱，以及實驗過程中的具體運作和探究活動，直至得出結(jié)論，都應表達認識主體的主觀能動性。生物學實驗能否獲得預期的成效，能否成功，取決于實驗者生物科學理論知識的水平和思維能力，也取決于實驗者運用實驗手段進行實驗操作的技術(shù)水平，以及從實驗過程中獵取信息的能力。在中學生物學實驗的教學中，進行實驗操作的學生確實是認識的主體，因此，通過生物學實驗對學生進行信息的獵取、操作技能的訓練、思維的進展及制造力等方面的培養(yǎng)，是發(fā)揮他們主體性的重要方面。2．實驗研究對象生物學實驗的研究對象是生命及其各種形式的運動。怎么說什么是生命?這是生物科學史上一直爭辯的問題。辯證唯物主義認為：生命是宇宙中的物質(zhì)從原始星云通過物理演化和化學演化而進化來的最高級最復雜的物質(zhì)形狀，其運動變化也是自然界中最高級最復雜的運動方式。因此，作為生物學實驗的研究對象，是不同于物理學、化學等學科的。(1)研究對象的客觀性。盡管生命及其運動是專門的、復雜的，但生物體和生命活動是有其自身的形狀、結(jié)構(gòu)和運動規(guī)律的。不管是微觀的超顯微結(jié)構(gòu)及其信息的復制和遺傳變異，依舊宏觀的生物個體及其形成的生物種群和生物群落，這些差不多上客觀存在的，是在長期的物種進化中形成的，同時，也是能夠被人類通過生物學實驗認識的。例如，生的進化的歷程是按照從簡單到復雜、從低等到高等、從水生到陸生的規(guī)律進化進展的，這些盡管是在人類產(chǎn)生之前經(jīng)歷的過程，現(xiàn)代人類是無法直截了當觀看到的，然而從胚胎學、比較解剖學和生物化石中是能夠找到線索并得到證明的。實驗者通過實驗過程認識其研究對象，就在于揭示它們的微觀或宏觀的結(jié)構(gòu)及其運動規(guī)律。(2)研究對象的可控性。生物學實驗之因此區(qū)別于自然觀看，就在于實驗本身的可控性，而對研究對象的操縱和干預，是揭示生命本質(zhì)特點的重要手段。例如對植物光合作用的研究，第一確實是對研究對象的操縱，包饑餓處理、遮光對比、酒精脫色及碘液反應等一系列對研究對象操縱，最后，間接地揭示出綠色植物這一生理過程。又如，在前提到的巴甫洛夫的生理實驗，也是通過對研究對象的操縱才可能成功的。操縱是生物學實驗的靈魂。實驗的成功與否取決于操縱的嚴密程度。如上述光合作用的實驗，假如饑餓處理不夠，就會使遮光的葉片體內(nèi)殘存淀粉，而阻礙對比成效。(3)研究對象的主動性和復雜性。生物學實驗的研究對象是具有生命的物質(zhì)，而生命和非生命的區(qū)別就在于生命體有應激性，能夠生長繁育，有遺傳變異的特性，能夠進行新陳代謝，能與環(huán)境交換物質(zhì)與能量，還能夠適應一定的環(huán)境。這些都決定了生命體的主動性。這種主動性決定了它們有主動趨向或主動躲避某一環(huán)境或某一因素的行為，專門在動物中，表現(xiàn)更為明顯。法國昆蟲學家法布爾(Fabre，1823—1915)曾經(jīng)做過如此一個實驗：在雨夜中將一只雌蛾放在叢林中的黑屋里，并用紗覆蓋住，盡管風雨交加，但仍舊有幾十只雄蛾冒雨頂風前來查找雌蛾交尾。植物盡管不能像動物一樣奔馳翱翔，但也有明顯的感性運動。植物對改變其生活環(huán)境也起著專門重要的作用，它能夠調(diào)劑溫度、濕度，改變空氣成分。這些都顯示了生物不同于非生命體的主動；性。因此，這些研究對象的主動性是與人的主動性有著本質(zhì)的區(qū)別的。人的主動性是有意識的，是自覺的行動，而其他生物卻是本能。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的生活環(huán)境，這就決定了研究對象的復雜性。因此在對研究對象進行操縱時，要周密地分析阻礙生物的各種因素，即哪些是要緊因素，哪些是次要因素，哪些是無關(guān)因素，才能幸免不必要的錯誤發(fā)生。3．實驗手段生物學實驗的手段要緊包括實驗工具、儀器、實驗裝置和設(shè)備等物質(zhì)手段。(1)實驗手段的類型。①工具類：要緊有解剖器、解剖盤、解剖臺、注射器、溫度計、血壓計、骨剪、鉆孔器、捕蟲網(wǎng)、采集箱等。②儀器類：要緊有顯微鏡、解剖鏡、放大鏡、天平，過濾器、計紋鼓(現(xiàn)在大多用電子記錄儀)、離心機、高壓滅菌器、粉碎機、鐵架臺、酒精燈、各種玻璃器皿等。③大型設(shè)備類：要緊有恒溫培養(yǎng)箱、接種箱、冰箱、電子顯微鏡、分光光度儀、電泳設(shè)備等。因此，這些只是一些要緊的常用的物質(zhì)手段。隨著一些物理、化學手段在生物學實驗中的應用，生物學實驗手段也越來越精確，越來越完善。(2)實驗手段的特性。①實驗手段是實驗者與研究對象的中介。人類的感知覺是有限的，實驗手段能夠延伸人的感官，如放大儀器能夠提高人視覺的辨論率，從放大鏡到顯微鏡，再到屯子顯微鏡，這些儀器設(shè)備不斷地提高人的視覺極限；實驗手段還能夠使人的感知覺量化，如質(zhì)量、長度、溫度、濕度等靠人的感知覺是不能量化的，而各種測量儀器是能夠解決那個問題的；實驗手段還能夠解決人的肢體所觸及不到的困難，如對微細結(jié)構(gòu)的解剖，對炙熱物體的拿放等需要靠各種工具來解決。這些差不多上實驗手段對人的感官和肢體的延伸。沒有實驗手段作為中介，實驗者對研究對象的研究專門難達到深人、精確的要求。②實驗手段是實驗者操縱和純化研究對象及其環(huán)境的重要條件。生物學實驗中，實驗者對研究對象及其環(huán)境的操縱是需要借助儀器、設(shè)備才能達到的。如對細菌的研究，需要在接種箱內(nèi)接種，以防其他雜菌污染，還要在具有一定營養(yǎng)成分的培養(yǎng)基上和一定溫度的溫箱中培養(yǎng)，以便研究該種細菌最適宜的營養(yǎng)條件和最適宜的生長溫度。③實驗手段是生物學理論的物化。每一個生物學實驗的設(shè)計，差不多上在觀看的基礎(chǔ)上，由實驗者第一提出一種理論上的假設(shè)，然后以假設(shè)為預期目標，進行探究。研究過程中的每一種手段，差不多上依照研究目標而選擇或設(shè)計，有時還需要專門制造或改革陳舊的手段。例如，由于人類認識了生物電，才設(shè)計了記錄生物體各器官生理電位變化的儀器，并由原始的儀器如計紋鼓等進展為各種電生理儀器。生物學實驗中使用的各種手段有些是依照生物學原理，有些是依照物理學、化學原理或借鑒物理學、化學的手段，但不管哪一種手段，在生物學實驗中應用都有其理論依據(jù)。如記錄神經(jīng)傳導中動作電位變化的記錄儀器，是依據(jù)電位變化的周期性而設(shè)計的；血壓計是依照心臟收縮和舒張時，血液對動脈血管壁造成的不同壓力的原理以及物理學中的流體力學原理而設(shè)計的；各種解剖器械也是依照動物或植物的結(jié)構(gòu)特點來設(shè)計的。有關(guān)實驗手段的原理在后面的一章中還要詳細討論。總之，生物學實驗手段不僅能夠關(guān)心實驗者客觀、準確；及時：地記錄下實驗進行的每一個過程中顯現(xiàn)的現(xiàn)象和最終結(jié)果，還能夠關(guān)心實驗者對實驗過程中的每一個因素、每一個環(huán)節(jié)加以操縱。隨著電子運算機在生物學實驗中的應用，這種操縱差不多達到自動化的程度。第二節(jié)生物學實驗的類型生物學實驗是生物科學研究中的一種實踐活動。科學研究的一樣方法大體上能夠分為三類：第一類，是適應于一切科學的最普遍的研究方法，包括唯物辯證方法、邏輯方法等；第二類，是適應于自然科學的一樣研究方法，如觀看方法、實驗方法等；第三類，是某一門具體科學研究的專門方法，如動物學中的解剖方法等。生物科學隸屬于自然科學的范疇，生物學實驗是生物科學研究的重要方法。由于生物科學研究的復雜性，生物學實驗隨著科學技術(shù)的進步與進展，隨著實驗儀器、設(shè)備等手段的不斷更新，其種類也越來越具有多樣性。有關(guān)生物學實驗的類型和分類的依據(jù)能夠參看下表：分類依據(jù)生物學實驗類型精確性及環(huán)境實驗室實驗、自然實驗實驗的直截了當目的探干脆實驗、驗證性實驗實驗研究的質(zhì)和量定性實驗、定量實驗實驗的研究對象動物、植物、微生物、遺傳、細胞、人體生物學實驗的性質(zhì)解剖實驗、生理實驗、生化實驗實驗的作用析因?qū)嶒?、對比實驗、模擬實驗實驗的進程預備性實驗、決斷性實驗、正式實驗上表中所列舉的生物學實驗的分類依據(jù)及類型僅僅是對實驗的某些屬性加以類化，目的是一目了然，如此的分類也不一定絕對完善，也并沒有把所有的生物學實驗類型全部涵蓋在內(nèi)。如在中學生物學教學中，還有專門多觀看實驗、調(diào)查實驗，課堂中依照教師的作用還有演示實驗、學生獨立實驗等。下面就生物學實驗中經(jīng)常涉及的幾種類型加以分析。一、實驗室實驗和自然實驗1．實驗室實驗所謂實驗室實驗，是指在實驗室內(nèi)，通過各種實驗儀器和設(shè)備，在人為地制造、操縱或改變實驗對象的狀態(tài)和條件下，考察與研究實驗對象的一種有目的、有打算的操作或?qū)嵺`活動。由于實驗室內(nèi)的各種環(huán)境和條件便于實驗者依照實驗目的或?qū)嶒灢牧系男枰藶橹圃臁⒉倏v或改變，而受自然環(huán)境干擾較少，因此實驗室實驗從實驗的設(shè)計到實驗的操縱過程、操作過程都比較嚴格，事實上驗結(jié)果的精確度也比較高。2．自然實驗自然實驗是在研究對象處于自然環(huán)境中和自然狀態(tài)下對其加以考察的一種實踐活動。自然實驗的優(yōu)點是把觀看的自然性和實驗的主動性結(jié)合在一起，因此自然實驗在生物學實驗中被廣泛應用。例如，生態(tài)學、環(huán)境科學以及生物的生活習性方面的實驗研究等都離不開自然實驗。然而由于自然實驗中對某些自然因素的操縱不容易嚴格把握，常常阻礙事實上驗結(jié)果的精確性。二、探干脆實驗和驗證性實驗1．探干脆實驗探干脆實驗是探究研究對象的未知屬性、特點以及與其他因素的關(guān)系的實驗方法。探干脆實驗的特點確實是對研究對象的不了解，或不完全了解，全憑實驗者去〝摸索〞，去〝嘗試〞，因此，探干脆實驗也稱〝試驗〞。因此，這種摸索和嘗試，并不是像古人那樣盲目地〝試錯〞，而是依照一定的實驗目的，利用的條件，用外加因素去干擾研究對象，以觀看實驗中發(fā)生了什么現(xiàn)象，產(chǎn)生了什么結(jié)果，并通過推理得出結(jié)論。因此，探干脆實驗是一種開創(chuàng)性的研究工作。生物科學史上的專門多重大發(fā)覺和理論的建立，差不多上通過長期的探干脆實驗才得以實現(xiàn)的。例如，綠色植物的光合作用是由眾多的生物學家和化學家經(jīng)歷了大約300年的探究才逐步被認識的。2．驗證性實驗驗證性實驗是驗證某一個理論是否正確的實驗。當對研究對象有了一定的了解，并形成一定認識或提出某種假說時，就需要用實驗來證明其正確與否。因此，驗證性實驗是把研究對象引向深入的重要環(huán)節(jié)。驗證性實驗有兩種：一種是實驗者驗證自己提出的某種設(shè)想或假說，如前面提到的巴甫洛夫的條件反射建立的實驗，確實是巴甫洛夫?qū)ψ约禾岢龅抹敓o關(guān)刺激與有關(guān)刺激間能夠建立某種聯(lián)系〞的假說進行驗證；另一種是對別人提出的某種理論、假說或成果的驗證，如巴斯德于1865—1870年就提出了〝細菌致病學說〞，由于沒有實驗的證明，始終是一個爭議的理論，直到1880年，科赫通過〝細菌感染〞的實驗才證明了巴斯德的細菌致病學說。實際上，在生物科學研究的過程中，探干脆實驗和驗證性實驗往往是不可分割的。驗證性實驗的結(jié)論也并非差不多上的，假設(shè)本身就不是結(jié)論，只能是一種預期。在對研究對象的探究過程中，對未知的研究目標，必定要提出假設(shè)或猜想，并做出預期，只有通過驗證性實驗來證明假設(shè)的正確與否，才能得出科學的結(jié)論。盡管探干脆實驗是帶有嘗試性質(zhì)的，但仍舊是有一定的目標和方向的，只只是驗證性實驗的目標更具體。三、定性實驗和定量實驗各種研究對象都具有〝質(zhì)〞和〝量〞的兩個方面的特性。如生物激素對生物體的生長、發(fā)育等一系列生理作用有重要阻礙，這是生物激素〝質(zhì)〞的方面。同時，激素濃度的高低對生物體的生長發(fā)育及各種代謝所起的作用是不同的，甚至是相反的，如吲哚乙酸(即植物生長素)的不同濃度對植物的同一器官的生長所起的作用是不同的(圖2—1)。由此說明，〝質(zhì)〞和〝量〞在生物學實驗中的作用差不多上不可忽視的。1．定性實驗定性實驗是判定研究對象具有哪些性質(zhì)，并判定某種物質(zhì)的成分、結(jié)構(gòu)或者鑒別某種因素是否存在，以及某些因素之間是否具有某種關(guān)系的一種實驗方法。一樣來說，定性實驗要解決的是〝有與無〞、〝是與否〞的問題。這是一種最差不多的實驗方法。定性實驗在生物科學研究中占有十分重要的地位，多用于某些探干脆實驗的初期時期。它要緊是把注意力集中于了解研究對象〝質(zhì)〞的特性方面，是進行定量實驗的基礎(chǔ)。只有第一確定了某種因素是否存在，以及不同因素間是否有聯(lián)系，才可能進一步研究某種因素不同〝量〞的阻礙，也只有通過定性實驗，了解和把握了研究對象及其相關(guān)因素的定性組成及大約含量，才有可能正確運用定量分析的方法安排定量實驗。2．定量實驗為了對研究對象的性質(zhì)、組成及阻礙因素有更深入的認識，就必須探究它們之間的數(shù)量關(guān)系，否那么，得出的結(jié)論就可能是相反的。上述生長素對植物生長的阻礙確實是專門好的說明。這種揭示各因素之間數(shù)量關(guān)系的實驗稱為定量實驗。測量是定量實驗的重要手段和方法。由于生物學實驗的研究對象及其環(huán)境阻礙的復雜性，生物學實驗中的定量往往難于把握，也專門難形成如物理學中的或化學中的〝玻義爾—馬略特定律的數(shù)學表達式〞等函數(shù)關(guān)系。因此，以往的生物學實驗不重視定量實驗。實際上，生物學實驗中的量化也是能夠用數(shù)學函數(shù)式表達的，專門是現(xiàn)代生物學的進展，生物統(tǒng)計學差不多成為一門重要的生物學實驗工具學科。即使在基礎(chǔ)生物學實驗中，量化也是專門重要的，如基礎(chǔ)教育時期涉及的pH與酶的活性的關(guān)系，植物的光合作用與環(huán)境的溫度、二氧化碳濃度、光照強度等的關(guān)系，生物體內(nèi)微量元素對生物代謝的阻礙，親代及其環(huán)境對生物遺傳力的阻礙等，都有其相應的數(shù)學表達式或函數(shù)曲線圖。定量實驗有定性實驗所不能取代的作用。它能夠從測量到的具體數(shù)量上準確地判定研究對象所具有的某種性質(zhì)及其各種因素之間的函數(shù)關(guān)系或相關(guān)關(guān)系，從而更深入地揭示其生命運動的規(guī)律。中學生物學教學中設(shè)計一些定量實驗不僅能夠關(guān)心學生樹立〝量化〞意識，學會用數(shù)據(jù)表達實驗結(jié)果的科學方法和嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，還能夠通過探尋各因素之間的量化關(guān)系，進行邏輯思維的訓練。四、比較實驗比較實驗是通過對比或比較來研究和揭示研究對象某種屬性或某種緣故的一種實驗方法。這種實驗要設(shè)置兩個或兩個以上的相似組樣，一個是對比組，作為比較的標準；另一個是實驗組，通過某種實驗步驟，在兩組之間判定實驗組是否具有某種性質(zhì)或阻礙。在實際研究中，依照需要，又把比較實驗分為相對比較實驗和對比比較實驗。1．相對比較實驗相對比較實驗是在兩種或多個相似組樣之間進行比較，以確定實驗組樣之間某種特性上的異同、優(yōu)劣。生物學中的比較解剖實驗是典型的相對比較實驗，例如對雙子葉植物和單子葉植物的各個器官解剖后進行比較觀看，對脊椎動物五個綱的代表動物中的神經(jīng)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)等八大系統(tǒng)解剖后進行比較觀看等，差不多上相對比較實驗。同一物種在不同環(huán)境中引起的形狀方面的變化，或不同物種由于生活在相同的環(huán)境中發(fā)生的系統(tǒng)的趨同效應，也能夠進行比較(圖2—2)。2．對比比較實驗對比比較實驗是在兩個相似組樣中進行，其中一個是差不多確定其結(jié)果的事物，稱之為〝對比組〞，讓其自然進展，實驗者對之木加干涉；另一組是未知的、需要研究的事物，稱其為〝實驗組〞。將實驗組中的未知因素同對比組的因素進行對比比較，通過對實驗組的人為干預，以確定該因素的阻礙作用。對比比較實驗在生物學研究的各種實驗中是廣泛應用的。依據(jù)對研究對象的阻礙與否，又能夠?qū)Ρ缺容^實驗分為〝陽性對比〞和〝空白對比〞。(1)陽性對比。給對比組施以差不多被證明是一種有效的處理因素。例如，實驗者在研究一種新的抗生素時，能夠用差不多被證明有抗菌作用的青霉素或其他抗生素作對比。經(jīng)實驗，假如這種新的抗生素與有效的青霉素有同樣的作用，那么這種抗生素的抗菌作用得到證明，反之，那么被否定。用青霉素作對比的組樣稱為陽性對比組。(2)空白對比。給對比組施以對研究對象沒有任何阻礙的處理因素，如此的對比叫空白對比。需要說明的是，〝空白，，絕不是什么阻礙因素都不給予，而是針對實驗組所要研究的因素給予空白，以突出或純化所要研究的因素。例如，以小白鼠為材料進行抗癌藥物的實驗時，在其他條件相同的情形下，實驗組給予的是溶解在棉子油中的抗癌藥物，對比組那么必須給予等量的棉子油作空白。假如實驗組給予的是溶解在生理鹽水中的抗癌藥物，那么對比組就應給予等量的生理鹽水作空白。在對人類進行實驗時也應注意空白的含義。例如，在研究一種叫做〝生脈散〞的藥物對運動員排除疲勞的作用時，實驗組服用的是生脈散糖水制劑，而空白對比組并非什么都不服用，而是服用5％的淡糖水作為空白，也稱〝安慰劑〞。這種安慰劑的顏色、濃度、劑量與實驗組服用的生脈散完全一樣，如此才能保證排除溶解生脈散的糖水的阻礙，也能夠幸免人在服用藥物時因心理因素阻礙所導致的實驗誤差。在對比比較實驗中，為了獲得可靠的實驗結(jié)果，應該注意以下兩點：第一，除了用于比較的因素外，其他因素必須加以嚴格操縱，并盡量趨于相同；第二，要注意排除實驗中的系統(tǒng)誤差，這需要采取隨機方法抽取樣本，并運用數(shù)理統(tǒng)計的方法來做出顯著性檢驗。相對比較實驗和對比比較實驗盡管差不多上通過比較的方法進行實驗，但兩者的不同在于相對比較實驗只是對比較的雙方做出差異的鑒別，而對比比較實驗需要通過與因素的對比來確定未知因素的阻礙或作用。因此，對比比較實驗中對相關(guān)因素的操縱作用即人為干預的作用更大。五、析因?qū)嶒炆锟茖W史中的一些實驗，是生物學家針對某些生命現(xiàn)象或生命運動的變化來查找其緣故而進行的。這種實驗稱為析因?qū)嶒?。有些生命現(xiàn)象或生命運動的變化是在偶然之中發(fā)覺的，如上一節(jié)中提到的巴甫洛夫確實是在偶然之中發(fā)覺飼養(yǎng)員的腳步聲與狗的唾液分泌之間的關(guān)系，并追根尋源地進行了一系列的實驗；又如，1780年，意大利生理學家伽伐尼(Galvani，1737—1798)無意中發(fā)覺掛在鐵架子上的青蛙標本的腿抽搐了一下，為了弄清蛙腿抽搐的緣故，伽伐尼進行了大量的實驗，最終找到了緣故，并發(fā)覺了〝生物電〞。析因?qū)嶒灥奶攸c是：結(jié)果是的，即所表現(xiàn)出的生命現(xiàn)象是客觀的、可見的，而阻礙或造成這種現(xiàn)象或結(jié)果的各種因素，專門是要緊因素是未知的。通過析因?qū)嶒瀸ξ粗壒实奶骄?，常常導致科學上的重大發(fā)覺，或科學理論的建立。析因?qū)嶒炦€能夠用于探干脆實驗中實驗現(xiàn)象和結(jié)果與預期的不一致，或?qū)嶒烇@現(xiàn)了專門現(xiàn)象時。在解決實際生活或生產(chǎn)中的具體問題時，也常會用到析因?qū)嶒?。六、模擬實驗實驗者在進行生物學實驗時，確實是按照研究目的，利用一定的手段，去操縱和干預研究對象或研究過程中的某些因素，然而，自然界中有許多現(xiàn)象是人們難以直截了當操縱和干預的。這些現(xiàn)象包括：被研究的對象在時刻上或空間上極為遙遠，例如，地球上的生命起源距今已有30多億年，且現(xiàn)代人專門難再直截了當看到生命現(xiàn)象自然發(fā)生的過程；被研究的對象涉及的范疇廣泛，或者存在和進展的連續(xù)時刻專門長，如壽命長的動物、植物的遺傳變異和啟然選擇；以人作為研究對象時，為了保證人的安全和健康而不能把人直截了當用于實驗。因此必須采取模擬的方法，即通過模擬實驗才能進行。那么，什么是模擬實驗呢?1．模擬實驗的含義在研究工作中，由于對研究對象不能或不承諾進行實際實驗，為了取得對研究對象的認識，依照的事實、體會和一定的科學理論，設(shè)計和構(gòu)想出研究對象的〝替代物〞，通過對替代物的實驗，以獵取研究對象的信息和資料。這種實驗就叫做模擬實驗。模擬實驗是依照相似性原理，用模型來代替研究對象；這種實際存在的研究對象叫〝原型〞，而模擬的〝替代物〞叫〝模型〞。在實驗研究中，實驗手段只直截了當作用于模型，而不直截了當作用于原型。由此可見，模擬實驗是將模型實驗的結(jié)果類推到原型上去，以揭示研究對象的本質(zhì)和規(guī)律的一種研究方法。2．模擬實驗中的模型依照模擬實驗的含義，我們能夠?qū)⒛M實驗的構(gòu)成用下式表示：實驗者實驗者實驗手段實驗模型實驗原型模擬實驗的產(chǎn)生，使實驗者突破了傳統(tǒng)的生物學實驗的思維模式，同時，也使生物學實驗過程中文增加了一種專門的要素——模型。那么，模型在生物學實驗中有什么樣的作用呢?對實驗者來說，模型是研究對象，對原型來說，模型是替代物，因此，它又能夠成為實驗者認識原型的工具。模型的這種雙重作用，決定了模擬實驗在生物學實驗和生物科學研究中的重要性。模擬實驗中的模型大致能夠分為兩大類，一類是理論模型，另一類是實物模型。理論模型包括圖像模型、邏輯模型和數(shù)學模型等。理論模型的特點就在于它的抽象性，它的替代物是數(shù)字、公式等，現(xiàn)代生物學實驗中常常運用這類模型。實物模型的替代物是具體的實物，它能夠被人的感官直截了當感知，并與原型在結(jié)構(gòu)或功能上相似。按其來源的不同，實物模型又可分為自然模型和人造模型。自然模型是人們從自然界已有的事物中選擇出來代替原型作為研究對象的事物，例如，在醫(yī)學中，選擇某種動物作為人類的模型進行藥物反應實驗。自然模型在生物學實驗中有著廣泛的應用，但它也有其自身的局限性，這要緊表現(xiàn)在，由于客觀條件的限制，人們往往難以找到相似程度比較高的自然模型。人造模型是指人工制造出來的代替原型進行實驗的某種裝置。人造模型是通過人的操縱，人為地制造與原型更為相似或更為一致的模型，它能夠克服自然模型的局限性，從而使得模擬實驗的結(jié)果更為精確和科學。第三節(jié)生物學實驗的實施生物學實驗實施過程要緊包括對實驗條件的操縱、對實驗現(xiàn)象的觀看和記錄以及對實驗結(jié)果的分析和討論。一、對實驗條件的操縱任何生物學實驗都必須在一定條件下進行1．什么是實驗條件實驗條件是指在實驗過程中與研究對象相互聯(lián)系并對其狀態(tài)、性質(zhì)和變化發(fā)生阻礙的諸因素的總和。如在進行〝植物組織培養(yǎng)〞的實驗中，光照、溫度、培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分、無菌操作的裝置等，都對愈傷組織能否分化以及發(fā)育產(chǎn)生直截了當或間接的阻礙，因此，這些都構(gòu)成該實驗的條件。生物學實驗中的實驗條件要緊包括以下幾類：(1)環(huán)境條件。環(huán)境對實驗結(jié)果的阻礙是專門重要的條件。環(huán)境條件要緊包括溫度、光照強度、空氣成分、壓力、壓強、溶液濃度、pH、種群密度等。(2)時空條件對實驗對象在不同時刻處理或處理時刻的長短都會產(chǎn)生不同的成效，如洋蔥根尖的有絲分裂在一天的24小時中是不同的，一樣來說，下午2時是有絲分裂的高峰期，現(xiàn)在觀看成效最正確。空間條件對實驗結(jié)果也專門重要，這在研究動物行為實驗或生態(tài)學實驗中表現(xiàn)得比較明顯。時空條件也能夠看做環(huán)境條件。(3)藥品試劑。生物學實驗中常常需要用到化學藥品試劑，這類實驗條件包括不同藥品的種類、純度、濃度、狀態(tài)、質(zhì)量等。化學試劑中還包括各種生物組織的染料。對生物材料各種組織的染色是清晰觀看的保證，因此染料的選擇也是重要的條件。(4)儀器裝置。儀器裝置作為生物學實驗的物質(zhì)手段，同樣也是實驗的重要條件之一。依照實驗研究的目的、對象不同，選擇的儀器裝置就應不同，否那么，就會阻礙實驗成效。例如，恒溫箱是操縱溫度的重要設(shè)備，不同容量的移液管能夠保證液體容量的精確。2．實驗條件對生物學實驗的作用實驗者通過實驗手段對研究對象進行實驗的過程中，實驗條件對研究結(jié)果的成敗起著專門重要的作用。例如，上述組織培養(yǎng)的實驗中，無菌條件不嚴格，那么愈傷組織將受到污染而不能分化；溫度不適宜那么愈傷組織也不能分化；培養(yǎng)基的營養(yǎng)成分不全面，如缺少礦質(zhì)元素，也阻礙愈傷組織的分化，即使分化出組織器官，由于得不到全面的營養(yǎng)，也可不能正常發(fā)育。實驗條件的一點微小變化，都會對實驗結(jié)果產(chǎn)生專門大的阻礙。例如，在〝生物組織中可溶性糖的鑒定〞的實驗中，斐林試劑是一個重要條件，它是通過與糖發(fā)生顏色反應而鑒定糖的存在的指示劑。斐林試劑中的甲液和乙液必須先混合，再加入到生物組織樣液中，而且必須現(xiàn)用現(xiàn)配，只有在如此的條件下，才能發(fā)生正常的顏色反應。假如斐林試劑的配制在順序或時刻上稍有差錯，那么正常的結(jié)果就不能表現(xiàn)出來。同樣的研究對象，在不同的條件下，所表現(xiàn)的性質(zhì)不同，事實上驗的結(jié)果也不同。例如，光合作用實驗中，溫度是一個重要條件。光合作用的暗反應是酶促反應，溫度低，酶促反應慢，光合作用的速度下降，隨著溫度升高，光合作用速度加快，然而溫度過高，那么會阻礙酶的活性，反而使光合作用速度下降。因此，在光合作用的實驗中，溫度條件操縱在25—30℃，可得到比較理想的實驗成效。因此，這是在其他條件都適宜的情形下而言。實際上；每一種實驗條件對實驗都有各自的阻礙，而最終的阻礙是各種條件相互作用的綜合效應。實驗條件對研究對象來說如何說是外因，它要通過研究對象的內(nèi)因起作用。例如，具有光合作用生理功能的必須是含有葉綠素的植物(或微生物)，只有葉綠素分子才能吸取光能，并激發(fā)出高能電子，從而進行能量轉(zhuǎn)換。3．對實驗條件的操縱由于實驗條件對生物學實驗起著至關(guān)重要的作用，因此，要達到實驗目的，就必須在實驗過程中為研究對象制造和保持某種條件，以得到預期的實驗結(jié)果，這就需要對實驗條件進行操縱。所謂實驗條件的操縱，確實是通過限制、改變實驗條件，并運用不同的對比或?qū)Ρ葘嶒瀬硖綄か@得最正確成效的實驗條件的科學方法，即制造一個典型環(huán)境或?qū)ｉT條件而進行的操縱活動。例如，在〝蜜蜂發(fā)育過程〞的實驗中，阻礙該實驗研究對象—蜜蜂受精卵發(fā)育的條件之一是喂食蜂王漿的天數(shù)：假如喂食蜂王漿的天數(shù)操縱在2—3天，受精卵孵出的幼蟲經(jīng)2l天發(fā)育成為工蜂；假如將喂食蜂王漿的天數(shù)操縱在5天，那么受精卵孵化出的幼蟲經(jīng)16天就可發(fā)育成為有生育功能的蜂王。在那個地點，對天數(shù)的操縱就成為該實驗條件操縱的關(guān)鍵。在生物學實驗中，操縱實驗條件與操縱研究對象同樣重要。實際上，專門多生物學實驗確實是對實驗條件的研究，因此，有時實驗條件本身也確實是研究對象。例如，考察光照強度對光合作用的阻礙，光照強度既是實驗條件，又是實驗研究的對象，實驗的實施過程確實是對光照強度的操縱。4．對實驗條件的操縱方式在生物學實驗實施的過程中，對實驗條件的操縱方式專門多，依照所要操縱因素的多少，分為以下兩種：(1)單因素操縱方式。在考察飼料對小雞增重阻礙的實驗中，將3種不同的飼料分別喂給3組小雞，每組5只。它們的增重量如下表：組別每只雞增重量(g)155494221522619930896334297819592在那個地點，飼料作為該實驗的重要條件，也稱為因素，而3種不同的飼料確實是該因素的3個不同水平，喂給小雞的每種飼料確實是1個處理。該實驗中涉及3種處理，因此，也能夠有2種、4種處理，即給小雞喂2種或4種飼料。通過比較飼料(即某一因素)的不同配方(即不同水平)對小雞增重量