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第18章 献身科学的生物学家们(5)

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。

学术贡献

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。

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。

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。在远离海洋的陆地止发现海洋生物化石,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。

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。

斯巴兰让尼——实验生理学的奠基人

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

求学经历

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。

科学研究

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。

他认为晨露同粘液或粪土相结合就会产生萤火虫、蠕虫、蜂类等的幼虫……赫尔蒙特甚至还提出产生老鼠的方法。1668年意大利医生雷迪(Redi)证明,腐肉所生的蛆虫是由苍蝇产下的卵孵化而来的,从而驳倒了上述荒唐的认识。斯巴兰让尼通过上百次对比实验,发现将浸液放在密封的长颈瓶中煮1小时,就不会再有微生物发生。他指出,浸液中的微生物是由于消毒不彻底或由于来自空气的污染造成的。斯巴兰让尼对自然发生问题的研究具有双重意义。斯巴兰让尼于1765年发表了《用显微镜进行观察的实验》论文,总结了他关于自然发生问题的研究。

1765年,斯巴兰让尼开始了动物再生能力的研究。他用蚯蚓做了数千次实验,认识到有利于蚯蚓再生的一些切口的准确位置。他在研究了蛞蝓的触角,蜗牛的头、触角和足,蝾螈的尾巴、四肢和上颚,以及青蛙、蟾蜍的四肢的再生后发现:动物的再生能力,低等动物比高等动物强、年幼动物比成年动物强、体表组织比内部器官强等事实。此外,他还用蜗牛作过异体头部的移植实验获得成功。他将研究成果收集在《略论动物的再生》和《关于陆生蜗牛头部再生的实验结果》两部著作中。

在这一时期,斯巴兰让尼还对动物的血液循环系统进行系统研究。关于血液循环,哈维已将血液循环途径基本研究清楚了。斯巴兰让尼观察了心脏有节律的跳动,从而推动血液流动,他发现,血液在大的动脉血管中同样有节律的跳动式流动,到了小动脉,才开始变得均匀。他还观察到单个红细胞有时会变形,以便通过卷曲的毛细血管。他还首先发现,在恒温动物中,存在着动静脉交织在一起的结构。提出动脉的跳动除心脏产生的压力外,还有血管壁的弹性作用。1768年,他发表了《论心脏的运动》一文,总结了这方面的成果。同年,斯巴兰让尼当选为英国伦敦皇家学会会员。

1771年~1780年,斯巴兰让尼还进行了受精问题的研究。现在我们知道,进行有性繁殖的生物,其子代个体是通过精子和卵细胞的结合,即受精作用,产生受精卵,而后由受精卵发育形成的。但在18世纪,对于受精过程的认识还相当模糊。1677年,人们发现了精子,而卵子则是人们早已熟知的,但在受精过程中,这两者有什么关系呢?

尽管斯巴兰让尼的有些观点不正确,但他在受精问题的研究上成绩不斐,他设计了许多精彩的实验,否定了一些错误认识。他在观察青蛙、蝾螈等两栖动物的繁殖时发现了它们是体外受精,从而否认了动物只能体内受精,不可能进行体外受精的错误观点。

具体的做法是:他为雄蛙设计了一种特殊的紧紧贴身的塔夫绸“裤子”,穿着这些独特服装的蛙像平时一样企业交配,交配后,虽然雌蛙产下许多卵,但没有一个卵能发育。而当一些卵与保留在裤子上的精液接触后,正常的发育便开始了。后来,他直接从精囊中收集精液并把它小心地“涂”在卵上,这些处理过的卵都能正常地发育成蝌蚪,而没有与精液接触过的卵则解体。这样,斯巴兰让尼就发明了一种人工授精方法。

献身科学事业

斯巴兰让尼患有前列腺肥大症和慢性膀胱炎,最后导致无尿症。1799年2月11日与世长辞,终年70岁。斯巴兰让尼把他的一生连同一部分遗体都献给了科学事业,根据他的遗嘱,他有病的膀胱献给了帕维亚自然博物馆。

施旺——细胞学之父

施旺(TheodorSchwann,1810~1882)是19世纪德国著名的动物学家,细胞学说的奠基人之一,杰出的生理学家,被誉为细胞学之父。

生平事迹

施旺于1810年11月7日生于德国诺伊斯,父亲是一名金匠。少年时代的施旺品行良好,学习勤奋,各门功课常常名列前茅,尤其是数学和物理成绩更好。1826年,施旺告别家乡,进入科隆著名的耶稣教会学院。1829年,施旺进入德国波恩大学,在那里他读完了医学预科的全部课程。1831年,他获得医学学士学位。1833年4月,施旺又回到了柏林大学专门听弥勒讲授解剖生理学。1834年5月31日,施旺获得医学博士学位,同年7月26日通过国家级考试,正式成为弥勒的助手。施旺在弥勒的指导下,对很多学术领域发生兴趣,他曾研究过组织学、生理学、微生物学,作出了不少贡献。

在柏林,施旺有幸结识了施莱登。尽管两个人性格不同,宗教信仰也有差异,但他们在某些科学观点上完全一致,使他们成为好朋友。1838年10月,施莱登向好友施旺讲述了有关植物细胞结构和细胞核在细胞发育中的重要作用的基本知识,使施旺大受启发。1839年,施旺发表了《关于动植物的结构和生长一致性的显微研究》的论文,从而奠定了他和施莱登共同创建细胞学说的基础。

生理学的成就

1835年,施旺研究组织器官的生理特性及其在物理测量上的关系。他对不同负载下的肌肉给以同样刺激,然后测量其在收缩时的长度,从而得出肌肉在收缩时的强度。这个“量肌”实验虽然很简单,但对生理学的影响非常深刻,这是人类第一次把生命现象中的力,运用物理测量方法加以分析和检验,并定量揭示其运动规律的实验。

施旺在研究脊椎动物如蝌蚪神经时发现,脑神经和脊神经中的有些神经外面有髓鞘细胞。髓鞘细胞经过多次缠绕神经,可在神经外面形成鞘,即髓鞘。为纪念这一伟大的发现,人们又将髓鞘细胞称为施旺氏细胞,髓鞘称为施旺氏鞘。施旺氏鞘在神经冲动的传导过程中起着重要作用。现代研究发现,施旺氏鞘具有良好的绝缘作用,使神经冲动的传导速度大大加快,同时节约了大约5000倍的能量。

施旺在早期还曾写过一篇《论空气对鸟卵孵化的必要性》的论文,颇受弥勒的好评,在这篇论文中,他发现鸟在胚胎发育过程中需要氧气这一事实。

1839年~1848年,施旺在吕温天主教大学期间,曾发明利用胆汁瘘研究胆汁在消化系统中的作用,并推断出胆汁分泌不足将有碍于健康的观点,但胆汁究竟有什么作用,他并未对此进行深入研究。1844年,他发表的关于胆汁瘘的论文是他最后几篇生理学论文之一。

创立细胞学说

施旺对蝌蚪的脊索和软骨所作的仔细观察表明:“它们的结构和发生的最重要的现象与施莱登所描述的植物相一致。”

在第一部分研究的主要结论是:某些动物组织确实起源于细胞,这种细胞在所有方面都与植物细胞相似。

在第二部分是对特化程度很高的各种组织进行研究。他想证明多数或全部动物组织均源于细胞。在施莱登的“细胞核在植物细胞发生中起着重要作用”的观点影响下,施旺指出:有无细胞核的存在是有无细胞存在的最重要、最充足的根据。这一观点在现代生物学研究中仍有指导意义。

在第三部分,施旺总结了他的全部研究成果后指出:细胞是一切动物体所共同具有的结构特征。他还用物理学的某些观点解释了生命现象,他提出“有机体是通过细胞分化而发展的”这一有价值的观点。

细胞学说阐明了有机体发展和分化规律,无论是植物界还是动物界都具有普遍的有效性,这充分的表明了动植物结构的统一性。

细胞学说的建立,激发了人们探索细胞秘密的激情,使得越来越多的科学工作者投入到细胞这个微观领域。人们对自然的认识更深刻,在研究层次上从宏观的个体水平上升到微观的细胞水平,大大促进了生物学的发展。在以后几十年中,很多有关细胞的研究成果问世,从而构建了一门新的生物学科——细胞生物学。为了表彰施旺在这一领域中的突出贡献,人们称他为“细胞学之父”。

萨克斯——实验植物生理学的奠基人

萨克斯(JuliusvonSachs,1832~1897)是实验植物生理学的奠基人。

成长历程

他于1832年10月3日出生在波兰一个贫困的艺人家庭。在他小的时候,他父亲在一家工厂里做雕刻师,虽然这位雕刻师颇具艺术天才,可是挣到手的钱却难以保障全家人的衣食需要。少年的萨克斯在父亲的熏陶和影响下,逐渐显现出来一点儿绘画的天赋。他还对大自然怀有浓厚的兴趣。但是,由于家里很穷,上学很晚。后来,总算通过自己的努力取得了优异的学习成绩,少年萨克斯才得以进入伊丽莎白中学学习。可是,命运好像总是捉弄不幸的孩子。不久,萨克斯因为父母双亡的家庭变故,刚刚年满17岁就成了一个贫困的孤儿。只读到高中一年级的萨克斯从此失学了。

住在萨克斯家附近的邻居中,有一位研究生理问题的学者,他名叫普金叶(J.E.Purkyne)。萨克斯从小就与普金叶的孩子们有过许多的交往。他们经常在一起玩耍,一起观察和研究自然,收集生物标本。普金叶的孩子们还带着萨克斯到家里去看父亲的实验室,鼓励萨克斯学习自然科学。1850年,普金叶在布拉格担任教授后不久,把孤苦无依而又聪明好学的萨克斯带到布拉格,萨克斯非常珍惜这个机会,他在与普金叶很好合作的六年当中,通过自己的努力逐渐补上了中学的课程,并且进入大学学习。1856年,萨克斯通过了博士学位的考试。在此后的三年中,初涉科学殿堂的萨克斯成了全世界研究植物生理学专业的第一位讲师。他还先后写出了18篇主要涉及形态学方面的论文,发表在普金叶主办的《生命》杂志上。

科学成就

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