20世紀(jì)化學(xué)的發(fā)展可從本體論和認(rèn)識(shí)論的角度分為兩大部分。第一部分是化學(xué)基礎(chǔ)理論的工作。主要在化學(xué)所積累的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)和來自物理學(xué)的有關(guān)經(jīng)驗(yàn)事實(shí)（如光譜）的基礎(chǔ)上，密切結(jié)合20世紀(jì)物理學(xué)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(yàn)事實(shí)。此外還有化學(xué)動(dòng)力學(xué)的研究。這些理論進(jìn)展使化學(xué)大為深入。第二方面的工作大致沿著經(jīng)典化學(xué)的認(rèn)識(shí)途徑，結(jié)合物理學(xué)的新技術(shù)（如X衍射），發(fā)現(xiàn)、認(rèn)識(shí)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(xué)的研究領(lǐng)域。此外還有無機(jī)化學(xué)等的進(jìn)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(yàn)事實(shí)，提出預(yù)言，指導(dǎo)拓展方面工作的進(jìn)行。兩個(gè)方面發(fā)展的共同點(diǎn)是，研究對(duì)象都由低層次推進(jìn)到高層次。但在同一時(shí)期，經(jīng)典化學(xué)的擴(kuò)展與延伸所涉及對(duì)象的層次，通常要高于理論研究對(duì)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(shí)更多地是在摸索中前進(jìn)。由于20世紀(jì)化學(xué)中的理論研究實(shí)質(zhì)上是物理理論向化學(xué)領(lǐng)域的滲透，因而在化學(xué)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(xué)領(lǐng)域，必須加以改造。不過在30年代量子化學(xué)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(dǎo)意義。

鑒于20世紀(jì)化學(xué)的發(fā)展可分為兩個(gè)部分，因而對(duì)其分期也有所不同。理論方面的發(fā)展因與物理學(xué)關(guān)系密切，故分期與之相應(yīng)，以1927年為界分為前后兩個(gè)時(shí)期，另一方面工作較多涉及生物學(xué)，可以20世紀(jì)50年代生物學(xué)革命而劃為兩個(gè)時(shí)期。

由20世紀(jì)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(xué)。

上節(jié)談到，物理學(xué)家在20世紀(jì)后開始對(duì)各種物質(zhì)形態(tài)感興趣，玻爾曾試圖以“電子對(duì)軌道”來建立簡(jiǎn)單的分子模型?；瘜W(xué)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(duì)。但由于量子力學(xué)尚未建立，同時(shí)也缺少光譜數(shù)據(jù)等實(shí)驗(yàn)依據(jù)，物理學(xué)家的模型并不成功，而化學(xué)家的靜止模型也受到物理學(xué)家批評(píng)。

由20世紀(jì)20年代到1927年是一個(gè)過渡期?；瘜W(xué)家發(fā)現(xiàn)分子中電子或鍵的流動(dòng)，這意味著傳統(tǒng)的靜止結(jié)構(gòu)式的崩潰。美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)主席班克勞夫特在1926寫道，“凱庫(kù)勒富有成果的概念對(duì)于我們的貨架來說，已經(jīng)沒有多少貨了”?；瘜W(xué)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(rèn)為真實(shí)的分子是兩個(gè)或更多“極限結(jié)構(gòu)”間的中介狀態(tài)，表明化學(xué)家正在拋棄機(jī)械論觀念。聯(lián)系到在當(dāng)時(shí)的物理學(xué)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(bǔ)原理。這是科學(xué)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(duì)象?；靵y醞釀著突破，崩潰意味著革命?；瘜W(xué)家們意識(shí)到“好像正處于一個(gè)知識(shí)的轉(zhuǎn)變時(shí)期，處于另一個(gè)大發(fā)展的前夜”，期待物理學(xué)與化學(xué)的共同努力。1923年的一次重要的化學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議上，會(huì)議主席羅伯遜號(hào)召：“物理學(xué)家和化學(xué)家聯(lián)合起來”。

1927年是20世紀(jì)化學(xué)理論發(fā)展的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，就整個(gè)化學(xué)由經(jīng)驗(yàn)向理論過渡和化學(xué)家思想方式的變革而言，1927年同時(shí)也是整個(gè)化學(xué)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。考慮到物理學(xué)在這期間的作用，也可以認(rèn)為，在物理學(xué)革命的誘發(fā)下于1927年發(fā)生了化學(xué)革命。

第二階段化學(xué)理論發(fā)展的主要特點(diǎn)是，正如量子論在原子結(jié)構(gòu)的“懷抱”中形成量子力學(xué)，量子力學(xué)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(xué)，并以量子化學(xué)為核心建立現(xiàn)代化學(xué)理論。

量子化學(xué)的主要內(nèi)容是價(jià)鍵理論、分子軌道理論和配位場(chǎng)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(jìn)新概念后，量子力學(xué)從處理原子結(jié)構(gòu)開始進(jìn)入分子領(lǐng)域——一門新的學(xué)科——量子化學(xué)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(jià)鍵理論。1931年，鮑林提出軌道雜化概念，將量子力學(xué)與碳四面體結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來。同年，他又對(duì)英果爾的中介理論進(jìn)行改造，在量子化學(xué)的框架內(nèi)提出共振論。鮑林還對(duì)氫鍵理論作出重大貢獻(xiàn)，并于20世紀(jì)50年代前后得出蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。價(jià)鍵理論因與經(jīng)典化學(xué)結(jié)構(gòu)理論的淵源關(guān)系而受到許多化學(xué)家的歡迎，但在一些場(chǎng)合也遇到困難，特別在解釋共軛分子時(shí)要用多個(gè)結(jié)構(gòu)式，引入過多的經(jīng)驗(yàn)因素，這在物理和化學(xué)理論性增強(qiáng)的潮流中不能令人滿意。

1919年，朗繆爾提出電子等價(jià)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(gè)角度為量子化學(xué)奠基。分子軌道理論把分子視為一個(gè)整體，克服了價(jià)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(shí)驗(yàn)資料，于1965年提出分子軌道對(duì)稱性守恒原理，可用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)化學(xué)反應(yīng)。

配位場(chǎng)理論與價(jià)鍵理論、分子軌道理論三足鼎立。維爾納在19世紀(jì)末開創(chuàng)了對(duì)絡(luò)合物的研究。1952年，歐格爾把晶體場(chǎng)理論與分子軌道理論結(jié)合起來，提出了配位場(chǎng)理論。1962年，合成了第一個(gè)惰氣化合物六氟鉑酸氙（XePtF6），改變了70年來認(rèn)為惰性元素不參加反應(yīng)的觀念。

20世紀(jì)來，化學(xué)動(dòng)力學(xué)也獲得很大進(jìn)展。趨勢(shì)是，對(duì)反應(yīng)過程的時(shí)間劃分越來越細(xì)，現(xiàn)已達(dá)到微微秒級(jí)，同時(shí)對(duì)反應(yīng)物狀態(tài)的研究也越來越細(xì)，如分別觀察分子的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、平動(dòng)能態(tài)對(duì)反應(yīng)的貢獻(xiàn)，現(xiàn)已深入到研究態(tài)—態(tài)反應(yīng)，形成微觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。在研究中也應(yīng)用激光等先進(jìn)技術(shù)。近年來，化學(xué)動(dòng)力學(xué)已受到越來越多的重視，說明化學(xué)家的注意力由靜態(tài)的對(duì)象轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)，轉(zhuǎn)向過程，前述分子軌道對(duì)稱性守恒原理也表達(dá)了這一點(diǎn)。聯(lián)系到物理學(xué)中對(duì)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(jì)科學(xué)發(fā)展的一大特點(diǎn)。有關(guān)內(nèi)容將在后面進(jìn)一步述及。

這一時(shí)期，催化理論在量子化學(xué)、表面化學(xué)、動(dòng)力學(xué)以及凝聚態(tài)物理學(xué)的共同推動(dòng)下也得到很大發(fā)展，并促進(jìn)了對(duì)生物大分子的研究。

以上回顧的各條線索均與量子化學(xué)關(guān)系密切，而對(duì)元素周期表認(rèn)識(shí)的深入較多與物理學(xué)尤其是核物理有關(guān)。19世紀(jì)末，拉姆賽發(fā)現(xiàn)一系列惰性元素，對(duì)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(bǔ)了周期表中的空白。元素周期表不僅綜合了19世紀(jì)關(guān)于元素的知識(shí)，而且指導(dǎo)了20世紀(jì)的有關(guān)研究。

回顧上述發(fā)展過程，化學(xué)在對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)層次的研究方面，由20世紀(jì)前從化合物到原子到電子的認(rèn)識(shí)過程，轉(zhuǎn)變?yōu)橛呻娮优c核到原子再到分子的認(rèn)識(shí)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(jì)前主要回答“如何”與“是什么”即發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象與實(shí)體，到20世紀(jì)后要回答“為什么”，通過闡明實(shí)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(shí)期，化學(xué)家思維方式的變革有一滯后過程。如果說1927年前的化學(xué)仍是19世紀(jì)的傳統(tǒng)，以及開始發(fā)生動(dòng)搖與變化，那么在1927年后，化學(xué)家的思維方式逐步轉(zhuǎn)向辯證思維，化學(xué)由一門重分析歸納的描述性學(xué)科發(fā)展為以綜合、演繹為主導(dǎo)的重推理的學(xué)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(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)的地位越來越重要。無機(jī)化學(xué)減少了對(duì)各族元素的描述，增加了化學(xué)鍵理論等內(nèi)容；有機(jī)化學(xué)由按官能團(tuán)講授到按電子軌道的類型講授。其次，實(shí)驗(yàn)技術(shù)大大改進(jìn)。在過去，“不搖試管的化學(xué)家不是化學(xué)家”；如今，儀器分析代替了重量、容量分析，尤其是計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，使實(shí)驗(yàn)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(xué)革命，是物理學(xué)，主要是量子力學(xué)向化學(xué)領(lǐng)域的滲透。

進(jìn)入20世紀(jì)以來，經(jīng)典化學(xué)的研究領(lǐng)域有了很大的擴(kuò)展，尤其是沿著量子階梯向上延伸。前者主要指核化學(xué)、元素有機(jī)化學(xué)、星際化學(xué)以及無機(jī)化學(xué)自身的發(fā)展，后者意為化學(xué)逐步進(jìn)入生物學(xué)領(lǐng)域。

20世紀(jì)初，發(fā)現(xiàn)許多元素具有放射性，在研究這些元素化學(xué)性質(zhì)之時(shí)必然會(huì)涉及它們的放射性，于是化學(xué)便涉足核的世界。早在1815年，化學(xué)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(jì)初，索迪提出同位素概念，勞厄說，“普勞特假說這個(gè)睡美人蘇醒了”。1919年，盧瑟福首次實(shí)現(xiàn)人工核反應(yīng)，從而使“現(xiàn)代煉金術(shù)”變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。核物理與核化學(xué)家正尋找及制備“超重核穩(wěn)定島”的元素，由此可認(rèn)識(shí)更復(fù)雜的原子結(jié)構(gòu)與核外電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。近年來，由于同基本粒子物理的滲透形成所謂奇導(dǎo)原子化學(xué)，如正電子素和介子素化學(xué)，這將有惠于雙方的研究。

20世紀(jì)無機(jī)化學(xué)的發(fā)展在理論上直接與凝聚態(tài)物理學(xué)有關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用上要滿足各部門對(duì)特殊材料的要求。具體來說發(fā)展了氟化學(xué)、硼烷化學(xué)等，這兩個(gè)分支在量子化學(xué)理論上有特殊意義。還有稀有元素化學(xué)，它同時(shí)推動(dòng)了分析化學(xué)前進(jìn)。

目前，由于天文學(xué)與航天技術(shù)的發(fā)展，在天文學(xué)與化學(xué)的結(jié)合點(diǎn)上形成了一門新的學(xué)科；星際化學(xué)（或天體化學(xué)、宇宙化學(xué)）。通過對(duì)星際物質(zhì)的研究，既推動(dòng)了宇宙學(xué)的發(fā)展，也拓展了化學(xué)的研究領(lǐng)域。

早在18世紀(jì)就有人制得元素有機(jī)物，20世紀(jì)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(biāo)志著元素有機(jī)化學(xué)形成。這類化合物中特殊的化學(xué)鍵對(duì)于配位場(chǎng)理論有重要意義，對(duì)它們的研究也將大大推進(jìn)對(duì)生命體內(nèi)各種酶的認(rèn)識(shí)。有人認(rèn)為，這一“無機(jī)化學(xué)和有機(jī)化學(xué)的雜交物”代表了未來化學(xué)的方向。

20世紀(jì)初，在物理學(xué)向化學(xué)滲透時(shí)，化學(xué)也正向生物學(xué)領(lǐng)域延伸?；瘜W(xué)與生物學(xué)的聯(lián)系源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，在古代有煉丹術(shù)，近代有醫(yī)療化學(xué)。19世紀(jì)后，由于有機(jī)化學(xué)的發(fā)展，化學(xué)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(xué)家已認(rèn)識(shí)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(duì)如此復(fù)雜易變的生物大分子，經(jīng)典化學(xué)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(xué)家開始用電子計(jì)算機(jī)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(cè)定了青霉素的結(jié)構(gòu)，顯示了量子化學(xué)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(cè)定反過來也為量子化學(xué)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(xué)科——分子生物學(xué)已經(jīng)奠基。20世紀(jì)，化學(xué)在沿量子階梯上升的道路上又躍上了一個(gè)新的臺(tái)階。

50年代后的發(fā)展大致沿著以下方向進(jìn)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(xué)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(duì)所推測(cè)結(jié)構(gòu)的檢驗(yàn)，而且是人工合成生命的前奏。1965年，我國(guó)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(guó)柯蘭納小組將化學(xué)方法與生物方法相結(jié)合，合成了由77個(gè)核苷酸組成的核酸片斷。第三條線索是對(duì)生命起源的研究。19世紀(jì)，巴斯德的實(shí)驗(yàn)結(jié)束了生生說與自然發(fā)生說之爭(zhēng)。20世紀(jì)30年代，奧巴林重又開始研究生命起源，后為福克斯所發(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(shí)驗(yàn)表明，在原始地球上可能發(fā)生生成氨基酸等有機(jī)物的過程，在科學(xué)界引起廣泛興趣。生物學(xué)家、化學(xué)家、地質(zhì)學(xué)家、天文學(xué)家和物理學(xué)家紛紛投身其中，生命起源問題成為科學(xué)的前沿。現(xiàn)在要求將生命起源的研究置于更為廣闊深遠(yuǎn)的時(shí)空背景，即地球、太陽(yáng)系、銀河系以至于宇宙起源與演化的背景之中進(jìn)行。第四，目前化學(xué)家開始對(duì)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(jí)的意識(shí)活動(dòng)領(lǐng)域?；瘜W(xué)向生物學(xué)的延伸還有一些其他分支，如生物無機(jī)化學(xué)、化學(xué)仿生學(xué)等。

對(duì)于化學(xué)向生物學(xué)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(gè)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(rèn)為，單用化學(xué)方法合成生命類似于超運(yùn)算問題，即理論上可能而實(shí)際上不可能。在這種狀況下，已經(jīng)有不少科學(xué)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(zhǎng)河中形成的，有一個(gè)漫長(zhǎng)的完善與進(jìn)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(jìn)行。必須改革“合成”的含義，引進(jìn)歷史的方法?；瘜W(xué)家在20世紀(jì)初經(jīng)歷了觀念的變革，在他們?cè)絹碓缴钊氲靥みM(jìn)生命殿堂之時(shí)，還必須在觀念上作進(jìn)一步的更新。

如前述，20世紀(jì)前，化學(xué)的認(rèn)識(shí)途徑是由現(xiàn)象揭示實(shí)體，由實(shí)體解釋現(xiàn)象，對(duì)現(xiàn)象的研究和對(duì)實(shí)體的探索這兩方面的工作緊密結(jié)合、不可分割。在生物學(xué)中總的情況也是如此，即可區(qū)分為對(duì)現(xiàn)象和實(shí)體的研究?jī)蓷l線索，但又與化學(xué)有所不同。首先，生命運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)較化學(xué)運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，生命運(yùn)動(dòng)有三個(gè)主要方面，即新陳代謝、發(fā)育以及遺傳與進(jìn)化，分別由生理學(xué)、胚胎學(xué)以及遺傳和進(jìn)化論來研究。其次，在20世紀(jì)前，生物學(xué)家所面對(duì)實(shí)體是宏觀可見的，如個(gè)體、器官、細(xì)胞等，至少用顯微鏡即可見因而不必如化學(xué)那樣通過現(xiàn)象來揭示實(shí)體，而是由解剖學(xué)的發(fā)展而逐層深入。一旦揭示實(shí)體，即以此來解釋現(xiàn)象，大致是解剖學(xué)進(jìn)展到什么程度，就作出相應(yīng)的解釋。如在17、18世紀(jì)揭示了若干器官后，就作出機(jī)械的解釋，而在19世紀(jì)認(rèn)識(shí)了細(xì)胞后即提出細(xì)胞的國(guó)家等。

19世紀(jì)下半葉，進(jìn)化論一時(shí)成為注意的中心。或許只有一個(gè)人例外，他就是孟德爾。孟德爾認(rèn)為，僅由生物外觀的變化并不能說明進(jìn)化。他從1865年開始用碗豆通過實(shí)驗(yàn)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(xué)史上第一次試圖由現(xiàn)象來揭示實(shí)體。然而，孟德爾的工作淹沒在進(jìn)化論思潮中不為人知。1875年首次發(fā)現(xiàn)染色體，爾后又認(rèn)識(shí)到染色體在遺傳中不變。19世紀(jì)80與90年代，魏斯曼設(shè)想，“遺傳的實(shí)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(xué)革命的風(fēng)暴中重新發(fā)現(xiàn)了孟德爾的工作，大大刺激了遺傳學(xué)的發(fā)展，遺傳學(xué)成為20世紀(jì)生物學(xué)的主流。遺傳因子或決定子概念也為化學(xué)、物理學(xué)向生物學(xué)的滲透作了準(zhǔn)備。

可以以1953為界把20世紀(jì)生物學(xué)的發(fā)展區(qū)分為前后兩個(gè)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。

孟德爾工作的重新發(fā)現(xiàn)揭開了20世紀(jì)生物學(xué)的第一階段，生物學(xué)家從信念中清醒過來，回到實(shí)際之中。在哲學(xué)家接過進(jìn)化思想的同時(shí)，遺傳則更多地占據(jù)了生物學(xué)家的心。尋找遺傳中的代代相傳者，這不僅是近代科學(xué)由現(xiàn)象揭示實(shí)體的傳統(tǒng)，更是2000年來哲學(xué)的傳統(tǒng)——在變化之中追求不變物。20世紀(jì)上半葉生物學(xué)發(fā)展的狀況是，以遺傳學(xué)為主，結(jié)合對(duì)細(xì)胞生化過程的研究，再加上化學(xué)與物理學(xué)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(xué)派、生化學(xué)派和結(jié)構(gòu)學(xué)派共同研究的成果。

在遺傳學(xué)方面，摩爾根以果蠅為實(shí)驗(yàn)對(duì)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(jì)40年代，以德爾伯里克為首的噬菌體小組開展了遺傳學(xué)研究。1944年，艾弗里等人以實(shí)驗(yàn)證明DNA即基因，是遺傳信息的載體。然而，由于歷來認(rèn)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(dāng)時(shí)人們認(rèn)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(duì)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(shí)驗(yàn)再度表明DNA是遺傳物質(zhì)，在科學(xué)界產(chǎn)生直接和巨大的影響，各個(gè)學(xué)派把注意力集中到DNA的結(jié)構(gòu)上。

生化學(xué)派也有很大發(fā)展。20世紀(jì)20年代，繆勒等人設(shè)想，細(xì)胞核有控制細(xì)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(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的酶消失。這一工作標(biāo)志生化學(xué)派和遺傳學(xué)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(gè)基因一個(gè)酶”的假說。生化學(xué)派的工作揭示了DNA在生命運(yùn)動(dòng)中的另一方面功能。

20世紀(jì)上半葉，在通往DNA的征途上的主力軍是結(jié)構(gòu)學(xué)派。摩爾根寫道，“像物理學(xué)家和化學(xué)家假設(shè)看不見的原子和電子一樣，遺傳學(xué)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(gè)有機(jī)化學(xué)實(shí)體”。物理學(xué)家和化學(xué)家開始進(jìn)入生物學(xué)領(lǐng)域。上一節(jié)已經(jīng)部分述及化學(xué)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(xué)家和物理學(xué)家進(jìn)入生命領(lǐng)域時(shí)必須在思想方法和實(shí)驗(yàn)方法上作重大改進(jìn)。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(xué)家，有機(jī)化學(xué)家、晶體學(xué)家、遣傳學(xué)家等兩次聚會(huì)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(fù)熵、遺傳密碼等一系列新概念，對(duì)生物學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。結(jié)構(gòu)學(xué)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(shí)，新的實(shí)驗(yàn)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(rèn)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(xué)派的成果結(jié)合起來。華生原屬遺傳學(xué)派，后與結(jié)構(gòu)學(xué)派的克里克合作。華生從生物的遺傳、復(fù)制、配對(duì)等現(xiàn)象認(rèn)識(shí)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(duì)原則”奠定了化學(xué)方面的基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)學(xué)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(xué)史上具有劃時(shí)代意義。從此，對(duì)生物的新陳代謝、發(fā)育以及遺傳與進(jìn)化的研究，都將在DNA的基礎(chǔ)上進(jìn)行。如同原子結(jié)構(gòu)提供給化學(xué)的那樣，DNA分子結(jié)構(gòu)也給生物學(xué)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)。

20世紀(jì)50年代后，生物學(xué)的發(fā)展大致沿以下線索進(jìn)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(jí)的運(yùn)動(dòng)，即開展對(duì)大腦及意識(shí)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(xué)家在結(jié)構(gòu)方面的工作，這一領(lǐng)域已很難區(qū)分化學(xué)家和生物學(xué)家的貢獻(xiàn)。隨著對(duì)生物的研究深入到分子水平，古老的生物分類學(xué)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(gè)密碼，引起轟動(dòng)。至1966年，64種密碼全部破譯。在信息流動(dòng)的中心法則提出后不久，20世紀(jì)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(yùn)動(dòng)中分子與生物大分子水平復(fù)雜的調(diào)控過程。

進(jìn)化必須在遺傳的基礎(chǔ)上進(jìn)行，由偶然的突變方能發(fā)生，因而必須采用統(tǒng)計(jì)方法。1894年，畢爾生的工作奠定了生物統(tǒng)計(jì)學(xué)的基礎(chǔ)。20世紀(jì)20年代，物理學(xué)中哥本哈根學(xué)派與愛因斯坦關(guān)于概率決定與嚴(yán)格決定的爭(zhēng)論也波及生物學(xué)領(lǐng)域。1953年，DNA結(jié)構(gòu)的揭示為進(jìn)化論注入新的活力。

將生物的進(jìn)化沿時(shí)間的長(zhǎng)河回溯即面對(duì)生命起源問題。米勒1953年的實(shí)驗(yàn)引起各專業(yè)科學(xué)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(gè)問題是，這些生命的基石如何進(jìn)一步組織起來形成生物大分子。由于星際化學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家日益強(qiáng)烈地意識(shí)到，必須在地球起源、太陽(yáng)起源以至宇宙起源的背景上開展對(duì)生命起源的研究。

與進(jìn)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(jìn)展不大。有人提出將?？藸柕纳镏匮萋赏浦练肿铀剑瑫r(shí)要求在建立DNA模型之后的今天建立染色體模型。

在化學(xué)逐步進(jìn)入生物學(xué)領(lǐng)域之際，生物學(xué)也悄然踏進(jìn)心理學(xué)的門坎，如用微電極測(cè)定單個(gè)腦細(xì)胞的活動(dòng)。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。現(xiàn)代生物學(xué)還通過它的分支進(jìn)入社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域，例如社會(huì)生物學(xué)，研究動(dòng)物的“社會(huì)行為和它的生物學(xué)基礎(chǔ)”；再如人類生物學(xué)，研究人類的起源、地理分布、人口平衡等。

在闡述20世紀(jì)50年代后生物學(xué)的發(fā)展時(shí)，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(duì)此已有所提及?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，在生物進(jìn)化與熱力學(xué)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(xué)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(jī)漲落、遠(yuǎn)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(rèn)識(shí)論與實(shí)踐論上給人以深刻啟示。

19世紀(jì)末20世紀(jì)初，生物學(xué)領(lǐng)域機(jī)械論和還原論盛行。隨著物理學(xué)革命的深入，新思想逐步取代傳統(tǒng)觀念?？茖W(xué)家們開始認(rèn)識(shí)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(shí)，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(duì)還原論，科學(xué)家提出機(jī)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(diǎn)：“雖然有關(guān)于游離的質(zhì)子、中子和電子的知識(shí)，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(duì)元素性質(zhì)的研究倒教給我們?cè)S多關(guān)于質(zhì)子、中子和電子的性質(zhì)?！眮喞锸慷嗟略?/span>2000多年前就精辟指出：“潛在的東西，它的完全的現(xiàn)實(shí)性就是運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)（即新的運(yùn)動(dòng)方式）只發(fā)生在完全的現(xiàn)實(shí)性存在的時(shí)候，既不遲，也不早。”生物學(xué)史專家艾倫指出，20世紀(jì)生物學(xué)家觀念的變化，“……不僅是一個(gè)復(fù)雜的理論取代了一個(gè)較簡(jiǎn)單的理論，而且是一種……哲學(xué)為另一種哲學(xué)所取代，機(jī)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?qiáng)烈反對(duì)在這一領(lǐng)域所采用的“重組”（reassemble）方法，認(rèn)為這一研究雖然使我們獲得知識(shí)，但并未告訴我們?cè)谧匀皇分猩鹪春瓦M(jìn)化的真實(shí)情況，生命的特征如何一步一步發(fā)生，實(shí)際上是將經(jīng)億萬(wàn)年進(jìn)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(shí)的原始形式，簡(jiǎn)言之，沒有貫徹歷史的觀點(diǎn)。他主張，對(duì)生命起源的研究應(yīng)遵循“由古及今，從簡(jiǎn)到繁的路線”。

觀念變革的另一個(gè)表現(xiàn)就是由離體的研究轉(zhuǎn)向體內(nèi)的研究。長(zhǎng)期來在生物學(xué)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)中，都是把研究對(duì)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(xué)興起之時(shí)的解剖學(xué)，到19世紀(jì)末對(duì)酶的生化研究，以及20世紀(jì)巴甫洛夫從事條件反射研究的有關(guān)實(shí)驗(yàn)，等等。隨著研究的深入，生物學(xué)家們?cè)絹碓秸J(rèn)識(shí)到，不同于物理學(xué)或化學(xué)領(lǐng)域，在生物體內(nèi)、在細(xì)胞內(nèi)，所有成分和各個(gè)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(shí)驗(yàn)并未告訴我們真實(shí)的生命過程。由此可以回想起第五章所述及的在生理學(xué)興起初期教士們反對(duì)作血液流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為這種實(shí)驗(yàn)違背自然，猶如把受驚的母雞趕向錯(cuò)誤的方向。在認(rèn)識(shí)的初期，必須采用分析方法，而到了一定階段，認(rèn)識(shí)就將轉(zhuǎn)為以綜合為主。

有必要將1953年開始的生物學(xué)革命推向前進(jìn)。與物理學(xué)革命相比，生物學(xué)革命遠(yuǎn)為艱巨。在前者發(fā)生后的30多年中，量子力學(xué)解釋了核與電子形成原子的過程，量子化學(xué)開始理解原子與原子怎樣形成分子。生物學(xué)革命開始至今已半個(gè)世紀(jì)，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(xué)革命中，科學(xué)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(cè)分子的性質(zhì)；然而在生物學(xué)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(xì)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(xì)胞與環(huán)境間的相互作用。這就有待于生物學(xué)家和物理學(xué)家、化學(xué)家等的共同努力。  

在生物學(xué)的深入發(fā)展中，在其他學(xué)科向生物學(xué)的滲透中，一門新的學(xué)科——生命科學(xué)正在形成之中。生命起源的研究和對(duì)生命本質(zhì)的理解都需要各門學(xué)科的共同參與。生命科學(xué)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(xué)家和哲學(xué)家所關(guān)注的對(duì)象。與物理學(xué)的前沿問題相比較而言，生命問題因其與人類，與社會(huì)的密切關(guān)系而倍受青睞。同時(shí)，物理學(xué)前沿的理論在目前階段還很難得到應(yīng)用，生命科學(xué)的成果則較易物化。其次，在物理學(xué)、化學(xué)等學(xué)科日漸抽象之時(shí)，生命科學(xué)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(xué)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(xué)等也都在這一領(lǐng)域得到卓有成效的應(yīng)用。這一點(diǎn)也引起眾多科學(xué)家的興趣。最后，從本質(zhì)上說，20世紀(jì)來科學(xué)沿量子階梯朝著兩個(gè)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(jí)運(yùn)動(dòng)形式，包含了所有的低級(jí)運(yùn)動(dòng)形式，因而物理學(xué)家、天文學(xué)家、化學(xué)家、地質(zhì)學(xué)家和生物學(xué)家等組成的集團(tuán)共同研究生命起源與生命本質(zhì)是科學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)。生命科學(xué)在未來的發(fā)展必然如同它的研究對(duì)象一樣富于生命力。

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(zhǔn)確地拼起來。1912年，在19世紀(jì)地質(zhì)學(xué)成就的基礎(chǔ)上魏格納提出大陸漂移說，引起地質(zhì)學(xué)界爭(zhēng)議。后來又出現(xiàn)海底擴(kuò)張說，于1963年得到證實(shí)。1965年，威爾遜首次把大陸漂移和海底擴(kuò)張說聯(lián)系起來，提出板塊學(xué)說，其中還涉及板塊的俯沖等垂直方向的運(yùn)動(dòng)。于是，人們就從19世紀(jì)地質(zhì)學(xué)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(yùn)動(dòng)。

在將現(xiàn)象聯(lián)系起來的同時(shí)，地質(zhì)學(xué)家也著手研究地殼變動(dòng)的原因。20世紀(jì)初，瑞利爵士等通過理論研究第一次提出，在一個(gè)下方受熱的粘度均勻的地層上會(huì)發(fā)生對(duì)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(duì)地幔深處的地質(zhì)作用進(jìn)行模擬，同時(shí)也開展計(jì)算機(jī)模擬。這些工作表明，在地質(zhì)學(xué)中也開始使用實(shí)驗(yàn)方法和計(jì)算機(jī)。

然而進(jìn)一步的研究指出，對(duì)流運(yùn)動(dòng)并不對(duì)稱，黏度并不均一，有必要從兩個(gè)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(xué)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)?；瘜W(xué)家與礦物學(xué)家則研究地幔和地核物質(zhì)的微觀組成。現(xiàn)在，這兩個(gè)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(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)”的觀點(diǎn)。但是內(nèi)熱又來自何方？?jī)?nèi)熱可能來自地球形成之時(shí)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(xué)和生命科學(xué)，地質(zhì)學(xué)的研究也歸結(jié)到起源問題。再者，對(duì)地球演化的研究認(rèn)為，在地球的演變中存在非線性過程。19世紀(jì)居維葉的突變論在20世紀(jì)的地質(zhì)學(xué)中重新找到它的位置。

顯然，唯有立足于太陽(yáng)系才能說明地球的起源與演變；地質(zhì)學(xué)家要求對(duì)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(shí)，“比較地質(zhì)學(xué)”正在形成之中。

生態(tài)學(xué)這一名詞最早由海克爾在1869年提出，實(shí)際研究由來已久。中國(guó)古語(yǔ)“螳螂捕蟬，黃雀在后”即是對(duì)生態(tài)關(guān)系的形象描述。古希臘哲學(xué)家泰奧法拉斯特注意到植物與環(huán)境的關(guān)系，被認(rèn)為是第一個(gè)生態(tài)學(xué)家。在近代，布豐、馬爾薩斯、達(dá)爾文等都在生態(tài)學(xué)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(dòng)的角度加以研究。此后，林德曼細(xì)致考察了沼澤中的生態(tài)系統(tǒng)?？偟恼f來，到20世紀(jì)50年代，是生態(tài)學(xué)逐步形成的歷史。

20世紀(jì)40年代后期，貝塔朗菲的系統(tǒng)論思想開始為科學(xué)界接受，也成為研究生態(tài)學(xué)的指導(dǎo)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(xué)也開始應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)對(duì)群體進(jìn)行研究。由個(gè)體生態(tài)學(xué)發(fā)展到群體生態(tài)學(xué)，這正類似于生物學(xué)中由離體實(shí)驗(yàn)到體內(nèi)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展。計(jì)算機(jī)也進(jìn)入生態(tài)學(xué)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(biāo)志古老的生態(tài)學(xué)進(jìn)入了新的發(fā)展階段。

目前，由于環(huán)境危機(jī)，環(huán)境科學(xué)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(xué)、氣象學(xué)等，由于人類未曾大規(guī)模改造自然，因而這些學(xué)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(dāng)心大自然的報(bào)復(fù)。20世紀(jì)50年代后，一方面由于環(huán)境危機(jī)的加深，另一方面也由于各門科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，因而有必要也有可能形成環(huán)境科學(xué)?，F(xiàn)在，環(huán)境科學(xué)既要研究微觀世界中離子、原子、分子與細(xì)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(shí)空尺度上理解環(huán)境問題，需要各門學(xué)科，并關(guān)系到社會(huì)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域。

為了人類與自然界的協(xié)調(diào)發(fā)展，生態(tài)學(xué)和環(huán)境科學(xué)將日益顯示其重要性。