地球上有家奇妙的“工厂”，那就是“绿色工厂”。
你知道吗？这家“工厂”已有二十亿年的历史。它从开办的那天起，就采用自动化生产，比现代电子计算机控制的工厂还要精密、灵巧；它的原料、动力都很巧妙地取之于大自然，用不着花钱购买；它的体积小到只有在电子显微镜下才能观察到。但是，它生产的食品却多得惊人，全世界四十六亿人口、上百万种动物都得直接地或者间接地依靠它过日子。
这么奇妙的“工厂”，当然要引起人们的兴趣。长期以来，许多科学家为了叩开“工厂”
的大门，洞察其中的秘密，曾呕心沥血，不辞劳苦，一代接一代地对它进行探索。直到现代，“绿色工厂”之谜才逐步被揭开。
一片绿叶好比一个工厂
“绿色工厂”开设在哪里？它就开设在绿色植物的叶片内。
植物叶片的形状各式各样，有蒲扇似的棕叶，巴掌似的梧桐叶，眉毛似的柳叶，缝衣针似的松叶等等。它们都是由许多绿色的细胞组成。在显微镜下面，你可以看见细胞里有许许多多绿色的颗粒，这就是叶绿体。每个叶绿体都可以单独地进行光合作用。一个叶绿体好比工厂的一个车间。
你也许感到诧异，那一片片随风摇曳的绿叶怎能容得下那么多的“车间”、摆得进那么多的“机器”？
好，我们先来了解一下“工厂”的布局和设备吧。请你在庭院随手摘一片阔叶片，肉眼能够看到的是叶片的正面和背面都有一层表皮，即上表皮和下表皮。用小镊子撕去表皮，露出叶肉，叶肉中间分布着许许多多叶脉。
如果把叶片纵切成薄片，放在低倍显微镜下观察，就可以看到上下表皮好像是“工厂”的围墙，它是由一层排列得很紧密的细胞组成的。表皮向外一面的细胞壁上，有一层透明的、不易透水的角质层，它既能让阳光透过“围墙”进到“车间”，又可以保证“工厂”内部的水分不会轻易地散发出去。
叶片表皮上有许多很小很小的孔，叫气孔，气孔是由两个半月形的保卫细胞围成的，保卫细胞的壁调节着气孔的开闭。
气孔有多大呢？一般用微米来表示（一微米等于千分之一毫米），据测量，一个气孔宽约3~12微米，长约10~40微米。
叶片的上下表皮都有气孔。一般地说，下表皮的气孔数目比上表皮多一些。不过，不同的植物也不一样，比如苹果叶片的气孔都在下表皮，莲和睡莲叶片的气孔只在上表皮。叶片上面的气孔多得惊人，通常在一平方厘米的叶面积上就有100~16000个。气孔的面积约占叶片总面积的1—2%。空气和水就从这里进进出出。
气孔的开闭运动，是由保卫细胞的含水量决定的。
一般地说，在温暖晴朗的天气里，叶片照光以后气孔就开放，黑暗降临时气孔就关闭。但是，外界环境的水分和温度也影响气孔的开关。缺水的时候，气孔关闭；温度超过25摄氏度时，气孔也关闭。你看气孔的开闭跟外界条件的关系多么密切呀！这也是植物对不良环境的一种适应性。
在叶肉里有成束的叶脉，其中包括导管和筛管，它和根、茎的导管和筛管连通。叶脉像一条条四通八达的运输线，源源不断地把原料输送到“工厂”里来，同时把产品运出“厂”，供应植物体各个部分的需要。叶脉还是支撑叶片的桁架。
叶片中的主要部分是叶肉，不论它的重量或者体积，都占整个叶片的90%以上。叶肉是一群夹在上下表皮之间的薄壁组织。靠近上表皮的叶肉细胞呈圆柱形，排列得比较整齐，像一根根栅栏，叫做栅栏组织。接近下表皮的叶肉细胞，形状不规则，排列得很疏松，细胞之间空隙比较大，很像海绵，叫做海绵组织。
如果用高倍显微镜来观察叶肉的话，首先跃入你眼帘的是一粒粒晶莹剔透的好像绿宝石似的叶绿体。
高等植物的叶绿体形状像透镜，平均直径有10微米左右，厚有2微米左右。每个绿色细胞中叶绿体数目不一样，从几个到几十个。上下层细胞所含叶绿体的数量也不一样。蓖麻叶的栅栏组织里，每个细胞约有36个叶绿体，海绵组织的细胞里只有20个左右。高等植物的叶绿细胞内所含的叶绿体数目较多，每个细胞里有几十个到100个，甚至还要多。而绿藻中数量很少，比如衣藻细胞里只有一个叶绿体，星接藻细胞里有两个叶绿体。
后来，科学家根据电子显微镜的观察，知道叶绿体外面被两层透明的膜包着，里面是许许多多层绿色的膜，叫做层膜。这些层膜里面含有叶绿素，并且浸在水里。因为有了它们，叶片才绿得醉人。
叶绿素不仅把植物装饰打扮起来，给人以美的享受；而且更重要的，它是“绿色工厂”的“机器”，有了它，“工厂”才能出产品。
叶绿素分子的数量大得惊人，一个层膜单位里约有一百万个叶绿素分子，这样，一片绿叶中的叶绿素分子的数量是很多很多的了。如果按重量计算，它又小得出奇，平均只占叶片重量的千分之一。一平方厘米绿叶面积内，只有0.2毫克叶绿素；一公顷土地的绿色植物，也只有13公斤左右的叶绿素。
“工厂”的原料
“好雨知时节，当春乃发生。
随风潜入夜，润物细无声。”
这是唐代大诗人杜甫写的《春夜喜雨》中的诗句，意思是好雨也懂得适应季节，随着微风在夜里悄悄地洒落，使万物受到雨水的滋润。
在自然界里，所有生物的生命活动都离不开水。而对植物来说，更有另一种意义：水是“绿色工厂”的重要原料。没有水，“车间”就开不了工。
有句成语“根深叶茂”是很有道理的。一棵健壮的植物具有庞大的根系，植物主要是通过根的幼嫩部分特别是根毛，从土壤中吸收水分。植物的根毛多得惊人，一株玉米的根，每平方毫米的面积上约有420条根毛，豌豆的根上每平方毫米约有230条根毛。
植物的根不仅数量多，有的还埋得很深。非洲的巴恶巴蒲树，它的根毛区就长在地下35米深的地方，专门吸收地下水。有趣的是，有些植物的根直接长在水中，比如浮萍，随风漂流。有些植物的根悬空生长，比如广东、广西、福建等地的榕树，它用气根吸收空气中的水分。气根上面虽然没有根毛，可是在根尖的表面有许多层死细胞，细胞壁比较厚，上面有一些小孔，能够吸收空气中的水分，这些死细胞叫做根被。
除了水，二氧化碳也是“绿色工厂”的重要原料。
二氧化碳来自空气。前面讲过绿色植物叶片的表皮上布满了气孔，每个气孔都和叶肉细胞的间隙相通。气孔除了调节植物用水以外，还用来吸收空气中的二氧化碳。据估计，地球上植物叶片的气孔，每年要吸进去1500亿吨二氧化碳。如果你要检验一下二氧化碳对于植物的作用，只要在叶片表面涂上一层薄薄的凡士林就行了。凡士林把气孔堵塞住，空气中的二氧化碳就不能跑进去，要不了多久，叶子就枯萎了。
光有水和二氧化碳，“绿色工厂”也还不能开工，它还需要有动力，那就是阳光。
“工厂”的动力
“绿色工厂”要开工生产，就必须有充足的太阳光做为动力，才能发动“机器”，制造产品。
太阳光对“绿色工厂”的生产有多大影响？你可以做个简单的对比实验：把两盆同品种的天竺葵花，一盆放在阳光下，一盆放在暗室或者避光的地方，供应等量的水和肥料。不久，不见光的那盆天竺葵花叶子渐渐发白，最后枯萎，而照射阳光的那盆花枝招展，惹人喜爱。
这就是因为前者缺乏动力，“工厂”几乎停工，而后者有充足的动力，“工厂”正常生产。
太阳光是一个巨大的能源，当光能落在地球表面的时候，大多变为热能。根据科学家测定，每年大约有6.5×1023卡的太阳光能可以达到地球的表面。对“绿色工厂”来说，太阳光就像煤和石油那样，成为“工厂”不可缺少的动力。
绿色植物是怎样吸收光能的呢？主要由叶绿素来吸收太阳的辐射能。落在叶片表面的太阳辐射能并不是全部被叶片吸收，只有80—85%被吸收，10%被反射掉，5~10%透过叶片而没有被吸收。这跟叶片表面的构造有关系，比如叶片表面蜡质的厚薄，茸毛的多少，内部色素成分和数量的多少，以及叶内含水量的多少等等，都能影响叶片吸收光能。据统计，陆生植物每年大约贮存3×1017大卡的能量，相当于1.7×1012公斤的碳水化合物。而海洋生物能生产13×1013公斤的碳水化合物。
这么大的能量，植物是怎样利用的呢？
我们的眼睛能够看见的太阳光，含有红橙黄绿蓝靛紫七色光。不同颜色的光有不同的波长，由红光到紫光，波长逐渐变短。叶绿素吸收光能，并不是七色光全部被吸收，而是有选择地吸收。实验证明，红光和蓝紫光被叶绿素吸收的最多，生产效率最高。
太阳光有直射光，也有散射光。绿色植物不仅要吸收直射光，还要吸收散射光。那些千姿百态的植物叶子，巧妙地向四面八方伸展。你看，那又大又密的树冠，像一把翠绿的巨伞，叶子在枝条上面的排列尽管不同，但是相邻两节的叶子总是不重叠，使同一个枝条上面的叶片不会互相遮盖，形成了叶子镶嵌错落的排列方式。
叶子的数量很多，它们的总面积也很大。有人作过统计，一株春小麦叶子的总面积几乎达到500平方厘米，一株甜菜叶子的总面积约有5000平方厘米，一株南瓜叶子的总面积竟有10000平方厘米之多。多数农作物叶子的总面积，都比它占有土地面积大上20~100倍。这样多的叶子，就能为绿色植物贮存大量的能量。
太阳光照射到叶片上，只有1~3%的能量直接参加光合作用，有一部分能量转变为热能，于是叶片的温度就会增高，如果不及时“处理”，就会灼伤叶子。实际上，绿叶有调温的能力，通过叶片的蒸腾作用，来降低叶片温度，维持“工厂”的正常生产。
值得注意的是，在一般情况下，“绿色工厂”开工的状况跟太阳在天空的位置大有关系。
在无云的晴天，晨曦微露，“绿色工厂”开工生产。不过，由于晨光熹微，动力不足，“工厂”的效率很低。
当太阳冲出云海，把万道金光洒向大地的时候，“绿色工厂”逐渐活跃起来，“机器”忙碌地运转，产品逐渐增多，叶片里开始积累糖类物质。运输工作也跟着忙起来，把养料分别输送到根、茎、花和果实中去。
上午十点前后，太阳高挂天空，照射到叶片上的光能80%左右被吸收，“工厂”就开足马力，生产效率达到高峰，运输产品的工作忙不过来，叶子就成为“临时仓库”，贮藏大量的养料。
中午，骄阳像火炉似的烤灼大地，“工厂”的效率反而降低，因为叶片里的水分大量地蒸发，引起气孔关闭，根部的水一时又运不上来，产品堆积在“车间”里，运输又来不及，所以“工厂”的生产反而转慢。
午后，太阳辐射的强度逐渐降低，气温也慢慢下降，供应条件得到改善，“临时仓库”的成品通畅无阻地输送出去。另外，这时候太阳斜射，散射到叶片上面的阳光很多，这样“工厂”的生产又恢复正常，生产效率又达到一个高峰。下午四五点钟到黄昏，生产下降，最后停止。“日出而作，日没而息”，就成为“绿色工厂”的生产规律了。
小麦、水稻、棉花以及瓜果、蔬菜等，大多数植物叶片里的“工厂”，是按这个规律生产的。没有光，它们就没法生长，所以把它们叫做喜光植物；另一类植物，比如蕨类、黄杨、玉簪、万年青、酢浆草、云杉等，习惯于阴暗潮湿的环境中生活，它们被叫做耐荫植物。不过，耐荫植物的光合作用效率很低，对人类的价值也不大。这里，我们主要介绍喜光植物的光合作用规律。
神奇的生物催化剂
要使“绿色工厂”正常开工生产，一方面要有原料源源不断地供应，保证充足的动力；另一方面还要便于生产的各个环节正常地运转和协调，才不至于窝工。这个问题不是人所能够解决的。原来，绿叶里有一种物质，它们对“绿色工厂”的生产只起催化作用。这就是说，在产品生产出来的前后，这种物质的重量和组成并不发生任何变化，这种物质叫做酶。生物体内的酶被称为生物催化剂。
其实酶并不神秘，它是一种蛋白质，包含在细胞里。据研究，叶绿体所含的酶种类很多，已知的不下二百种。光合作用本身，至少需要几十种酶参与。比如，二磷酸核酮糖羧化酶，己糖二磷酸酯酶等等。
酶的催化本领大得惊人，它比化工厂里用的催化剂效率高出几十万到几十亿倍。比如，只用一克淀粉酶，就能使两吨淀粉在65摄氏度以下十五分钟内完全分解；而用化学上的催化剂，却需要用十几公斤，并且要在100摄氏度以上的高温，经过十二小时才能完全分解。
酶有个怪脾气：只催化符合自己胃口的物质，比如淀粉酶只作用于淀粉，蛋白酶只作用于蛋白质。这就好像一把钥匙开一把锁一样，锁和钥匙得配对，反应才能进行。科学家把酶的这种特性叫做“专一性”。
酶的另一个特性是容易被破坏。如果遇到高温、紫外线或者强酸、强碱等等不利的条件，它就会失去催化能力，直接影响“工厂”的生产。酶被破坏了怎么办呢？你不用担心，细胞里会及时产生新的酶来补充的。
“工厂”的效率、产品和年产量
我们办工厂，要讲究生产效率，比如一个火力发电厂，它的效率高低，就看它烧了多少煤，发了多少电，然后把电能换算成热能再和煤里所含的热能进行比较，从中得到它的效率。
“绿色工厂”的效率，也可以按照上面讲的办法计算。就是测量植物吸收了多少光能，制造了多少养料，然后再把养料中的热能和吸收的光能进行比较，求出它的效率。
不过，测定“绿色工厂”的效率比计算发电厂的效率要复杂得多，因为光能的最小单位是光量子（组成光的基本粒子），要精确计算它可不是一件容易的事，即使高明的“神算手”，也要跌进糊涂缸里。那么，有没有人做过这项计算呢？
1922年，年轻的德国生物化学家瓦布格，雄心勃勃地试图揭开“绿色工厂”的效率之谜。
他别出心裁地设计了一套测定仪器，巧妙地把普通的物理实验仪器光量计和气压计联合在一起，并应用到光合作用的研究上来。
他用红光作光源来测量一种低等植物小球藻的光合作用效率。他从光量计上得到用去的光能，从气压计中读出氧气的含量，第一次测出小球藻每吸收四个光量子，就放出一个氧气分子。他根据计算，得出植物对红光的光合作用效率是70%，即吸收的光能有70%变为化学能。
于是，瓦布格热情洋溢地赞美“绿色工厂”，说它是世界上独一无二的效率最高的工厂，是完美无瑕的。瓦布格实验的结论，曾得到科学界的公认，在十多年内居于权威地位。
然而，他的学生——美国生物化学家爱默生却对老师的结论提出挑战。爱默生怀疑“绿色工厂”有那么高的效率，认为植物吸收的光能一定有所消耗。于是，他同美国几位化学家细心地验证并重复老师的实验，得出和老师不同的结论：植物吸收八个光量子才能放出一个氧分子，即植物对红光的光合作用效率只有35%。爱默生认为两者之所以相差一半，那是因为瓦布格老师在实验方法上存在问题。
这么一来，师生之间便展开了一场争论。不久，爱默生热情邀请瓦布格老师到美国来共同研究，瓦布格欣然前往。但由于在设计实验的方法上产生分歧，师生没有取得一致的意见，致使这场争论延续十年之久。
直到1986年，美国生物化学家本森在加利福尼亚州，利用最先进的技术——电子光量计和气压计，测出了和爱默生相近的数据。本森认为“绿色工厂”的生产程序非常复杂，而且以极快的速度进行着，其间必然有能量的消耗，就像机械运转要克服摩擦力所消耗的能那样。
因而，就是对“绿色工厂”最合适的红光，它的生产效率最高也只有35%左右。
在自然条件下，“绿色工厂”是利用太阳光生产的。前面讲过，照射到大地上的阳光的可见光部分由七色光组成。叶片对各色光的利用效率是不同的，计算起来理论上的最高利用效率在11%左右。但是，实际利用效率远远不能达到这个数字。这是因为进行光合作用还需要一种原料——二氧化碳，而它在空气中只含0.03%，常由于原料不足，“工厂”不能全部开工。此外，还有其他条件，比如温度不合适的时候，前面讲过的酶就不能以最高的效率催化形成有机物；如果营养条件不良，效率也不能提高。所以，在自然条件下，一般光能利用效率在1—3%之间。
“绿色工厂”的生产效率虽然并不高，但是，“工厂”的数量很大，所以它每年产品的花色品种和产量是十分惊人的。
“绿色工厂”的直接产品主要是碳水化合物，此外，还有各种各样的间接产品，比如“工厂”可以通过一些复杂的工序制成蛋白质、脂肪、核酸和芳香物质等有机物，还有橡胶等等。
据粗略统计，绿叶制造的碳水化合物、蛋白质和植物脂肪的种类是很多的。
碳水化合物在直接产品中占的比例最大，常见的葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、淀粉和纤维素等都属于这一类，它们是由碳、氢、氧三种元素组成。“绿色工厂”开工以后，最初制成一种含有三个碳原子的糖，叫做磷酸丙糖。以后，再合成比较复杂的淀粉。
淀粉是一种高分子的碳水化合物，由许多个葡萄糖分子连接起来组成的。淀粉有个特点，一遇到碘就变成蓝色，所以人们常用碘来检验“绿色工厂”的产品。
蔗糖或者其他糖类产生出来以后，一方面运到植物全身各部分去，供给所有细胞的生产发育需要；另一方面，贮存在块根、块茎和果实中，再转变成淀粉，成为人和动物的主要食物。稻、麦、马铃薯、甘薯、香蕉、菱角、藕等等，里面都含有大量的淀粉。
纤维素也是一种碳水化合物，组成成分和淀粉相似，可是它的结构比淀粉还要复杂，性质也不同于淀粉，遇碘不变蓝色。“绿色工厂”合成的纤维素，主要做为植物细胞壁的建筑材料。人和动物的消化系统不能消化纤维素。但是，含纤维素比较多的蔬菜、水果等食物，可以刺激肠子的蠕动，促使食物残渣排泄通畅，对健康有好处。纤维素还有各种各样的用途，比如作为生产纸、人造丝等的工业原料。
“绿色工厂”还能生产脂肪、蛋白质和核酸等物质，还能合成叶绿素、胡萝卜素等色素。
脂肪是由碳、氢两种元素组成的，结构和碳水化合物不同。植物叶片合成脂肪的途径很复杂，并且有许多酶来参加生产，经过植物细胞内部的一系列脱氢、脱水等极复杂的化学“工序”，最后才能制成各种脂肪。
油料作物像大豆、向日葵、芝麻、花生、油桐、蓖麻等植物的种子里，都含有很丰富的脂肪，可供人类食用和工业上的重要原料。
现在还发现，有的植物可以直接生产石油，这类植物叫做能源植物。
蛋白质也是个大分子的物质，由许多氨基酸组成。它除了含有碳、氢以外，还有氧和氮。
氨基酸有一定的排列顺序和空间结构。蛋白质的合成跟核酸有关系。核酸有去氧核糖核酸和核糖核酸两种。去氧核糖核酸是遗传的基础物质，核糖核酸是制造蛋白质的模型。氨基酸作为原料可通过模型复制蛋白质。
地球上的绿色植物是一个庞大的有机物“制造厂”，每年都有大宗的产品出“厂”。
那么，这个“工厂”的年产量有多大，怎样计算呢？经过科学家研究认为，地球上那么多的绿色植物，不可能计算出准确的产量，只能估计，求出近似值。好，让我们一步一步来估算吧！
太阳光照射到地球上的能量大概是这样的：在大气层以外每年大约有1.3×1024卡，落到地球表面每年大约有6.5×1023卡，陆地植物每年可以接受2.5×1022卡，而海洋植物每年可以接受9×1022卡。如果以2%的光能利用效率计算，陆地植物的光合作用的年产量大约是1.7×1012公斤碳水化合物，而海洋植物的年产量大约是13×1013公斤碳水化合物。
这些数字是怎么得来的呢？原来，每年在大气层以外的1.3×1024卡的能量中，比较多的是紫外光，而紫外光的大部分被臭氧层吸收了。每年落到地球表面上的6.5×1023卡的能量，如果以每分钟来计算，那么每平方厘米的面积上大约有0.5卡的能量。而这里面还包含60%的远红外光和红外光，它们是不被绿叶利用的，这样每年只剩下2.
6×1023卡的能量有可能被利用。其中，每年有1.8×1023卡的能量落在海洋上，只有8×1022卡的能量落在陆地上。但是，陆地上有一半以上的土地是不能生产或者产量很低的，比如高山等地。这样七折八扣下来，植物利用的光能每年大约只有0.5×1021卡，约等于1.7×1012公斤碳水化合物储藏的热能。
海洋里生长着大量浮游生物，它们中不少能进行光合作用，利用的太阳光能每年大约有1.8×1021卡，约等于13×1013公斤碳水化合物储藏的热能。
估计海洋里“绿色工厂”的年产量比陆地上的多得多，所以充分地开发和利用海洋资源，是21世纪人类的主要任务之一。
二、光合作用的探索轨迹
“问渠那得清如许，为有源头活水来”，关于光合作用的基础知识，都是前人长期在生产斗争和科学实践中总结得来的。先驱者勇于探索的精神、实事求是的态度，以及设计科学试验的思想方法，是很值得我们学习的。让我们循着前人探索光合作用的历史脚步，来回顾这个探索的历史过程吧！
揭开序幕
如果把科学家探索“绿色工厂”之谜的曲折历程比做一幕历史的长剧，那么，它的序幕也只是在二百多年前才拉开。
17世纪荷兰的凡·海尔蒙，发现植物主要从水中取得养料。他称量180斤的砂土，放到一只大木盆里，栽上一棵4斤半重的小柳树，每天只给它浇一些雨水。过了五年，柳树长得又高又大。他把柳树拔出来，称了一下树重达516斤，晒干以后的土壤只减少了半两多一点。
于是，凡·海尔蒙否定了植物是靠泥土长大的传统说法，他猜想植物是靠吃水长大的。但他的认识只限于这一点，还不知道光合作用，更不知道光的性质，以及空气、水和“绿色工厂”的关系。
好空气与坏空气
凡·海尔蒙以后，人们在继续探索“绿色工厂”的秘密。
1774年8月1日，英国化学家普利斯特列兴致勃勃地把从朋友家要来的一包黄色的粉末三仙丹（氧化汞），放到一只大玻璃瓶里，再把玻璃瓶倒放在水银槽里，隔绝空气。用凸透镜把太阳光聚集在玻璃瓶上，加热三仙丹。过了些时候，他惊讶地发现：粉末好像被人吹动似的微微颤动，几分钟以后，出现了小水银珠，三仙丹因受热发生变化，分解出一种气体来。当时，他认为这是一种新“空气”。
这种气体是什么，它有什么性质呢？
喜欢思考问题的普利斯特列继续实验：他找来一个大约直径30厘米、焦距50厘米的凸透镜，加热三仙丹，结果气体很快被赶出来。他用玻璃瓶收集了一定量的气体以后，用小木柴去点燃，结果看到小木柴烧得更亮了。以后，他又用同样方法制取了一瓶气体，并把一只小老鼠放进瓶子里，小老鼠就欢快地蹦蹦跳跳起来。他自己也吸进这种气体，他感到胸部特别的轻松畅快。
普利斯特列再把那只活泼的小老鼠放进木柴燃烧过的瓶子里，盖上盖子，小老鼠就喘不过气来，痛苦地挣扎着，过不了几分钟就死去了。如果在木柴燃烧过的瓶子里，放进去一棵绿色植物，它却长得很好，叶子平展展地伸张开来。这时候，再放进去一只小老鼠，盖上盖子，小老鼠就又欢快地跑来跑去。
普利斯特列喜出望外地把自己的实验写成论文，题目是：《各种气体之实验与观察》。他认为燃烧以后瓶中的空气变坏了，所以小老鼠死亡；放进绿色植物，它又能把坏空气变好，所以小老鼠能安然无恙。
当时，普利斯特列虽然不知道他发现的气体就是氧气，也不知道点燃的木柴把空气变坏以及绿色植物使空气变好的原因，但是他的实验给人们以启示：这种气体是能够助燃的，也是动物和人生存所需要的。同时，实验还表明，绿色植物有提供这种气体的能力。
他的功绩是，一方面给拉瓦锡创立的新燃烧理论提供了实验的基础，另一方面为探索“绿色工厂”之谜又打响了不寻常的一炮。
太阳光的魔力
一石激起千层浪。普利斯特列的实验记录发表以后，人们纷纷重复他的实验，但是得到的结果是相互矛盾的。有时候绿色植物把坏空气变好，有时候却把好空气变坏。1779年，荷兰医生英根·浩斯在伦敦近郊租了一所别墅，在三个月的夏天里，他做了五百多次实验。当时，他用一个盛水的大烧杯，把绿叶或者水草浸在水里，水草上面倒扣一个玻璃漏斗，漏斗管上再倒扣一个试管。然后，英根·浩斯把这个大烧杯放到阳光下。不久，在漏斗里就有小气泡上升，等试管里收集了一大半气体以后，他就把点燃的蜡烛放到试管里，顿时看到火焰增亮了。多少次实验都是这样，他认为这种气体就是纯化的气体。如果把这个烧杯放在暗处，就没有气泡产生。他发现了植物只有在阳光下才能把坏空气变好，在黑暗中绿色植物和动物一样，会把好空气变坏。为了进一步证实这一点，英根·浩斯做了大量的观察和实验。他分别选取了房屋的阴面和阳面，高楼或者植物的限影下，太阳光升到地平线后，夕阳西下或者日落以后，晴天或者阴天等等各种不同的条件，反复多次地研究，结果都是相同的，这就进一步证实了太阳光参与了绿色植物把坏空气变好的活动。这使人们对光合作用的认识又前进了一步。
英根·浩斯虽然还不知道“绿色工厂”开工的详尽原理，但是他破天荒地发现了太阳光对绿色植物的作用。同时，他明确地指出，只有绿叶和绿枝才能够真正使空气由坏变好。
到此为止，普利斯特列的实验真相大白，空气变好变坏的关键在于绿色植物是否得到太阳光的照射。
打开迷宫的钥匙
英根·浩斯用几百次实验，才证实了太阳光照射在绿色植物上是使坏空气变好的条件。但是，他还不能解释，在封闭的瓶子里老鼠和绿色植物长期共存的原因。
回答这个问题的，是瑞士的牧师谢尼伯。
谢尼伯牧师虽然以传教为职业，但是他对植物学却有广泛的兴趣。他继续重复并研究普利斯特列和英根·浩斯的实验，直到3年后的1782年，才发现植物在太阳光下既能把坏空气变好，又把坏空气作为自身的养料。
他用实验证实：绿色植物不是把普通空气变为好空气的，因为普通空气中有好空气（氧气），也有坏空气（二氧化碳）；绿色植物只是从空气中吸收“固定空气”（二氧化碳），在阳光的照射下，经过自身的加工制造出好空气来。他把自己的研究成果写成三卷论文。
谢尼伯主要的成就，是解决了二氧化碳和氧气的循环问题。这样，上面提到的封闭瓶中老鼠和绿色植物共存的问题，立即得到解释。老鼠呼吸时放出的二氧化碳被绿色植物吸收，绿色植物放出的氧气又作为老鼠呼吸之用。它们互相依赖，共同生存。
从18世纪中叶到19世纪初期，先后经历了将近一百年，才找到揭开“绿色工厂”之谜的一串钥匙。普利斯特列证明绿色植物会放出氧气，接着英根·浩斯证明太阳光是绿色植物吸收二氧化碳、放出氧气的必要条件，谢尼伯又证明空气中的二氧化碳是“绿色工厂”的基本原料之一。最后，由瑞士化学家赛逊尔于1804年用自己的科学实验，把上述各自独立的研究工作，统一起来，归纳成一个公式：
固定空气+水光绿色植物维持生命的空气+植物性营养这个公式用现代化学语言来表示，就是：
水+二氧化碳光叶绿体碳水化合物+氧气这样，“绿色工厂”的原料、动力和产品等三大秘密，终于被英国、法国、瑞士、荷兰四个不同国籍和三种不同职业的人（其中一个牧师、两个医生和几个化学家），通过辛勤劳动而逐渐揭开了。
认识淀粉
“绿色工厂”的产品除了氧气，还有淀粉等碳水化合物。那么淀粉是怎样被认识的？
德国的植物生理学家朱里斯·萨克斯，是第一个认定“绿色工厂”的产品是淀粉的人。
朱里斯·萨克斯是一个酷爱植物的科学家。他对植物的生长和生活习性十分感兴趣。清晨，他给花草浇水的时候，常常对着色彩鲜艳的花团和迎风招展的枝叶沉思：如果植物合成的化合物主要是淀粉，那么淀粉通常是不溶于水和酒精的，但是一遇到碘，就会显出蓝色来。
如果植物的“工厂”真的开在叶片内，那么，叶片里总该是有淀粉的啊！
他摘下多种绿色植物的叶片，把它们洗干净以后，放到盛有酒精的烧瓶里，然后加热，使叶肉里的叶绿素溶解在酒精中。这时候，绿叶变成黄白色，再用水冲洗一下，滴上一滴碘酒，果然，叶片显现出蓝色。朱里斯·萨克斯高兴地跳起来，他证实了这家奇妙的“工厂”就开在绿叶里面。
接着，他又选取一盆绿色植物，当天晚上，用不透光的小黑纸片把一片绿叶遮蔽起来。第二天，把花盆放在阳光下照射几小时。然后，把被黑纸片遮蔽的叶片和没被遮蔽的叶片同时摘下来，也用上面讲的方法进行实验。结果，朱里斯·萨克斯发现：在滴上碘酒以后，没有遮光的叶片变成蓝色，而遮光的叶片仍然呈现黄白色。这说明植物要制造淀粉，必须借助太阳光。
以前，瑞士牧师谢尼伯在实验中曾经证实，在阳光照射下绿色植物能把坏空气变好，又能把坏空气当作自己生活的养料。那么，这个坏空气和植物制造淀粉的过程有什么联系呢？朱里斯·萨克斯继续思考，并且以简陋的实验证明了这个坏空气（二氧化碳）是植物制造淀粉的必需原料。当时的实验设备和实验过程已无法查考。这个实验，我们现在是这样做的：
把两盆绿色植物放在暗处一两天，然后分别把它们放在特制的A、B两个玻璃钟罩内。罩底边是严密封闭的，罩口的软木塞上各插一支弯曲的玻璃管。A罩里放置一小株氢氧化钠溶液，上口的玻璃弯管装进小块的碱石灰（氢氧化钠加氧化钙）；B罩里放一小杯清水，上口的玻璃弯管装些小石块，空气可以自由地流动。然后，把它们移到阳光下照射几小时，再分别摘取叶片，照前面讲的方法进行检验。最后可以看到：A罩里的叶片没有变成蓝色，而B罩里的叶片变成了蓝色。这是由于A罩里有氢氧化钠和碱石灰，都是碱性的，它们吸收了空气中的二氧化碳，使A罩里几乎没有二氧化碳了；而在B罩里的空气中，含有正常含量的二氧化碳。
这个实验充分说明：二氧化碳是绿色植物制造淀粉的必需原料。
朱里斯·萨克斯以三个关键性的实验，总结了19世纪以前科学家对“绿色工厂”的探索，进一步验证了凡·海尔蒙、英根·浩斯、谢尼伯分别提出关于水、二氧化碳和阳光是“绿色工厂”必需条件的理论的正确。
直到1896年，法国科学家贝尔纳斯在前人研究的基础上，给绿色植物这种独特的生理化学过程，命名为“光合作用”。
综观19世纪以前科学家探索“绿色工厂”的历史事实告诉我们：一个人在某些方面取得成就，总是离不开前人在这方面打好的基础。牛顿曾经说过：“如果说我比别人看得远些，那是因为我是站在巨人肩上的缘故。”也就是说，科学是有继承性的。了解前人的工作历史，才能懂得现代科学是怎样发展来的。
氧从何处来
唐代大诗人杜甫在《登高》一诗中写道：“无边落木萧萧下，不尽长江滚滚来。”科学的发展犹如滚滚长江，后浪推前浪。到了20世纪，科学家就深入到“绿色工厂”内部，来窥探它的秘密了。
科学家通过实验已经证明了“绿色工厂”的原料是水和二氧化碳；又知道这两种物质里面都含有氧。那么，绿色植物进行光合作用放出来的氧是来自水呢，还是来自二氧化碳？这是一个十分有趣的问题。这个问题引起许多人争论了几十年。有人说来自二氧化碳，有人说来自水，众说纷纭，谁都拿不出确凿的证据来。
20世纪30年代开始，科学家对细菌的研究，大大推进了人们对植物光合作用的认识。细菌一般是寄生或腐生的，也就是依赖现成的有机物来生活的。当时发现，有些细菌有颜色，生活中需要光；有些细菌没有颜色，生活中不需要光。那么，这些有颜色、需要光的细菌是怎么生活的呢？和植物的生活有什么区别呢？
1930年，美国的凡·尼尔做了一个很重要的实验：他把有颜色的细菌分离纯化，发现紫色和绿色的细菌，完全能在无机培养液中生活，但是需要有三个重要条件，一是光，二是二氧化碳，三是硫化氢。如果没有硫化氢，也可以在亚硫酸钠、硫代硫酸钠等物质中生活。这样看，这些物质中必须含有硫。这就好像植物进行光合作用必须要有水一样。最后，凡·尼尔弄清楚了这些绿色和绿色的细菌在生活中，用二氧化碳和硫化氢作原料，在光的照射下，制成碳水化合物，并产生硫。它们同样是利用光能形成碳水化合物的。凡·尼尔指出，光合作用不是植物所特有的，有些细菌也利用色素来吸收光能，自己制造养料，这种细菌就叫做光合细菌。
凡·尼尔的发现，对进一步研究植物光合作用产物中的氧是来自哪里，提供了一个十分重要的研究方法，就是用不同生物的比较研究方法，进一步研究。
最后科学家推论出，在紫、绿色细菌的生活中，它们用二氧化碳和硫化氢作原料，产生碳水化合物和硫，这个硫必定来自硫化氢；植物在生活中，用二氧化碳和水作原料，产生碳水化合物和氧，这个氧一定来自水，而不是来自二氧化碳。
40年代，美国科学家鲁宾和卡门又通过实验取得了可靠的证据。
鲁宾和卡门用示踪物质来探查绿叶里的化学变化过程。他们用的示踪物质是氧和碳的同位素。同位素就是指同属一种元素，但是质量不同的原子，它们的化学性质几乎相同，在元素周期表中占同一位置。比如氧的同位素有16氧、18氧；碳的同位素有11碳、12碳、13碳、14碳等等。有些同位素还有特殊的放射射线的本领，比如11碳、14碳等等。
他们制备许多含有18氧的水，每天用这种水浇植物，结果植物在光合作用中放出的氧里面就带有18氧这种同位素。他们又用含有18氧的二氧化碳供给植物进行光合作用，所放出来的氧和普通的氧一样，几乎没有18氧这种同位素。
所以，他们的实验表明，只有水，在光合作用中才会分开。换句话说，植物光合作用放出的氧是来自水，而不是来自二氧化碳。
卡尔文的贡献
在光合作用中，水被分解成氢和氧。放出来的氧，提供生物呼吸之用。那么氢又是怎样和二氧化碳结合，形成碳水化合物的呢？
解决这个问题，也是通过放射性同位素的实验来完成的。
在早期的实验中，使用11碳，它虽然有放射性，但是寿命很短，很不稳定，几乎在半小时左右就消失了，很难用它来进行研究。
1945年，在原子反应堆里出现了同位素14碳。它的寿命比较长，他很稳定，适合用来实验。
第二次世界大战以后，美国生物化学家卡尔文和本森领导的一个实验小组，把一种单细胞的绿藻放在含有14碳的二氧化碳里，经过短暂的暴露，目的是让绿藻进行最早阶段的光合作用。然后把细胞放在热酒精中杀死，再磨碎，涂抹在色谱纸上面进行分离，随即出现放射显影图，最后在纸上找出哪些点是放射性的，进一步研究这些物质的化学性质。
根据暴露的时间，他们发现仅仅一分半钟，在纸上就找出了十五种不同的放射性物质。种类太多了，不好研究，他们只好缩短暴露时间。后来只暴露5秒钟，结果在纸上找出五种放射性物质，其中有两种放射性很强。经过深入的研究，这两种物质都属于含有三个碳原子的物质，叫做磷酸甘油酸。
磷酸甘油酸的形成过程是比较复杂的。它再经过一系列的生物化学变化和许许多多的步骤，最后才形成了淀粉。
通过卡尔文的这个重要发现，人们才明白绿色植物在进行光合作用的时候，水里的氢和二氧化碳是怎样进行活动，最后形成碳水化合物的。
为了表彰卡尔文和他的同伴们十年的努力探索，瑞典科学院于1961年授予卡尔文诺贝尔奖金。
三、叶绿素的秘密
叶绿体
叶绿体好比工厂的车间。光合作用是在叶绿体上面进行的。
在电子显微镜下，可以看到叶绿体是椭球形的，周围有两层半透性的薄膜，它好像是“车间”的围墙。
叶绿体的面积大小不一，一般直径是5—10微米。叶绿体的外形和个体大小虽然千差万别，但是，“车间”内部的布置却有共同的特点，都像一层层重叠的云片，生物学家把它叫做叶绿体的片层结构，也叫层膜。片层里排列着叶绿素，就像澡塘里铺得整整齐齐的瓷砖那样。
用电子显微镜观察结果说明叶绿素不是均匀地分布在叶绿体里面的，而是集中在片层的光合膜上面。叶绿素在基粒上面有一定的排列顺序，才形成了片层结构。在片层结构上还有其他色素和蛋白质、脂肪等等。
叶绿体细胞里的色素很多，其中主要是绿色的叶绿素和橙黄色的类胡萝卜素，另外还有花青素等等。有时候，花青素的量还会很多，甚至叶片的绿色都会被它所遮盖，比如秋天枫树的红叶，红苋菜的叶子都是红色的。
原来，红苋菜的绿色是隐藏在红色之中的。那红色是叶片所含花青素显示的颜色。花青素能溶解在水中，水温越高，它越溶解得快。而叶绿素却不溶于热水。因而，在沸水中，红苋菜就脱去红色的“外套”，露出绿“衬衣”——叶绿素来了。每年秋天枫树的红叶，那是因为气温下降，树叶里的叶绿素被破坏，花青素就显出了美丽的红色。
别看花青素把红苋菜打扮得这么鲜红妖艳，虽然它也吸收阳光，却不能进行光合作用；而默默无闻地制造养料的，却是隐居在花青素背后的叶绿素。只是由于花青素浓妆艳抹，色彩太鲜艳了，才把生产的“主人”——叶绿素遮盖住了。秋海棠、枫树等植物，它们的叶子是红褐色或紫红色的，原因也是这样。
当然，也有例外的。比如，深海里的藻类植物红藻，它生活在海底，不能直接吸收太阳的红光和蓝紫光，因为它们被海水吸收了。尽管红藻里含有叶绿素，可是“绿色工厂”还是不能开工生产。它被迫改装了生产“机器”，利用它身体里边的藻红蛋白和藻蓝蛋白，来帮助吸收透射力很强的蓝紫光，然后把能量传递给叶绿素来进行光合作用。这种只帮助叶绿素吸收光能的色素，叫做铺助色素。这种辅助色素在普通绿色植物中也是存在的。叶绿素分为叶绿素a和叶绿素b。叶绿素b不能进行光合作用，但它能吸收光能，然后把光能全部传给叶绿素a。高等植物“绿色工厂”中的辅助色素是叶绿素b，它是黄绿色的，所以叶片外表是绿的。
红藻和褐藻（比如海带）的辅助色素是红的和褐色的，但进行光合作用的也是叶绿素a，尽管外表可以有各种颜色。
叶绿体是怎么样通过叶绿素吸收太阳光能的？对太阳光里的七色光吸收的情况又是什么样的？
俄国著名的生物学家季米里亚捷夫用了30多年的时间，研究探索植物在光合作用中绿叶是怎样摄取太阳光的。当时，他的实验是这样做的：
拿来几只试管，每一只试管中各放一片大小相同的绿叶，并且封入一定量的二氧化碳。然后，把试管分别插到试管架上，试管之间用黑纸隔开，避免它们之间相互干扰。再取三棱镜一枚，把射进来的太阳光分散成红橙黄绿蓝靛紫七种颜色。让七色光分别照射到试管上面。经过三小时以后，测定试管中消耗二氧化碳的量和绿叶内含的淀粉量。结果发现：照射红光的试管里二氧化碳减少得最多，叶片制造的淀粉也最多，照橙光的次之，照蓝光的第三；而照射绿光的试管，里面的二氧化碳几乎没有减少，叶片里也找不到淀粉。这个实验告诉人们：
绿叶有很强的吸收红光的能力，红光照射下的光合作用效率最高。
提取叶绿素
叶绿素吸收了光能以后，叶绿体才能进行光合作用。那么叶绿素是个什么样的物质，它有哪些物理和化学性质？只有把叶绿素提取出来才能进一步地研究它。
许多科学家进行了大量的研究工作，首先搞清楚几种叶绿素化学成分的人是威尔斯塔特。
威尔斯塔特是德国人，出生在卡尔斯鲁厄城一个犹太小商人家庭中。他从小就喜欢花草树木，和“绿色工厂”结下不解之缘。中学时代，他学习成绩出众，聪明过人，不足之处是十分自负。他的老师贝耶，为了帮助他改正缺点，经常在课堂上提些问题让他思考。威尔斯塔特常常支支吾吾答不上来，贝耶老师当众批评他，指出骄傲是成材的拦路虎，勉励他培养虚心好学的品德。老师的教导，威尔斯塔特一直铭刻心怀，直到他成为举世闻名的大科学家时，常常以此来告诫自己的学生和子女。
1905年，当许多科学家因为提取叶绿素失败而偃旗息鼓的时候，威尔斯塔特却鸣锣开道，居然选定当时世界公认的大难题，并且以必胜的信心和百倍的勇气，向科学的尖端攀登。
他认真地总结前人失败的经验教训，认为前人的失败是在于分离方法上的错误。他开始用茨维特发现的色层分析法来提取叶绿素。
他割下自己住宅周围的青草，把它放到几个大瓶子里，并且倒上酒精，让叶绿素和其他的有机物都溶解在酒精里。等叶绿素全部溶解以后，再让溶液通过装有各种吸附剂的吸附柱，利用吸附柱对各种物质不同的吸附力，把其中杂质一一吸附干净，剩下的经过反复结晶，就得到叶绿素的纯品了。
威尔斯塔特在提取叶绿素以后，又继续做实验，分析它的成分。经过反复化验，才弄清楚叶绿素是由四种非金属元素碳、氢、氧、氮和一种金属元素镁五种元素组成的物质。接着，他对每种元素的含量一一作了测定。
威尔斯塔特在提取叶绿素的同时，还发现高等植物的叶绿体中含有两种叶绿素：一种是蓝绿色的，叫做叶绿素a；另一种是黄绿色的，叫做叶绿素b。叶绿素a和叶绿素b犹如兄弟俩，它们的成分相差无几，而且都有吸收太阳光的本领。只在内部结构上和吸收不同波长的光线方面，有一点点差别；不过，正如前面所说，叶绿素b是辅助色素，只有叶绿素a才能进行光合作用。
威尔斯塔特以惊人的毅力，顽强地苦战了十个年头，才完成这项课题。他在总结成功的经验时说：“研究科学最大的目的，是促进人类社会的发展……研究学问应从最难的地方入手，因为在深究难题的过程中，许多枝枝节节的小问题都会迎刃而解！”这真是字字珠玑，道出了治学的真谛。
瑞典科学院为表彰威尔斯塔特取得划时代的功绩，于1915年授予他诺贝尔化学奖金。
威尔斯塔特在取得重大成就的基础上，继续前进，后来和另一位科学家费雪共同合作，进一步探索了叶绿素的内部结构，又为科学事业做出了贡献。
勤奋的费雪
从威尔斯塔特成功地提取叶绿素以后，科学家的注意力都集中在叶绿素的内部构造上。因为只有掌握了它的具体结构，才能进一步进行人工合成叶绿素的研究。虽然威尔斯塔特提纯并且测定了叶绿素的组成成分，但是没有弄清楚这些成分的排列方式。这就好像人们只知道装配机器的部件，却不了解整部机器的构造而还是制造不出整部机器来一样。
费雪继威尔斯塔特之后，进一步探索叶绿素内部的秘密。他用了二三十年的时间，终于揭开了叶绿素内部化学结构的秘密。
费雪是怎么样一个人呢？
1881年，小费雪出生在碧波荡漾、风景如画的德国美因河畔。二十三岁那年，费雪大学毕业以后，就来到诺贝尔奖金获得者老费雪的实验室工作。
当时，老费雪正在研究糖类化合物，意外地发现一种叫做肼的化合物〔jǐn〕肼。肼是有毒的物质，在实验中老费雪曾多次中毒晕倒在实验室里。这种为科学献身的精神，深深地激励了年轻的费雪，使他懂得只有不畏艰险，孜孜不倦的人，才能攀登科学高峰。
于是，年轻的费雪就带领一个实验小组，对叶绿素分子的结构进行测定。由于这项工作十分复杂，要一点一点地分离，一次一次地测量，来不得半点浮躁和粗心，因而有些成员沉不住气了，就半途而废，先后退出了实验小组。然而，费雪并不气馁，他几十年如一日，孜孜不倦地坚持实验。他像工人拆卸机器零件那样，把叶绿素一部分一部分提取出来分析、研究，终于发现叶绿素是由四个叫吡咯的小环组成的一个叫卟啉的大环〔吡咯bǐ luò、卟啉pǔ lín〕，大环的中央有一个镁原子。这就好像机器的四个零件组成一个总部件，零件之间用镁做“桥梁”彼此连接起来。正是因为有了它才使“工厂”的动力太阳光能像运输卡车那样一辆辆地通过镁“桥”，送往“车间”，把“机器”发动起来，进行生产。
费雪还发现，植物叶绿素的结构和动物血液中的血红素结构几乎一模一样，只是叶绿素的中心是镁原子，而血红素的中心是铁原子。这个有趣的现象告诉我们：动物和植物有共同的祖先。后来，由于环境和生活方式的改变，促进了生物的进化，才使动植物分家。在这两种重要的色素结构中，只是换上各自需要的不同“桥梁”，履行不同的功能罢了。
费雪在测定叶绿素结构的过程中，光是实验的原料就用了几十吨；每一个实验成果的取得都要通过几百个化学反应，经过几千道关口。他力求采用当时最先进的方法进行实验。有时候，他为了测定一个反应数据，竟要用上几个月的时间。就这样，费雪勤勤恳恳，不知疲倦地奋斗了30年，才把这个号称“头等化学难题”——叶绿素的结构攻下来了。这中间凝结了科学家的多少心血啊！难怪他在1930年接受诺贝尔奖金的时候，激动地掉下了晶莹的泪珠。
化学合成大师
叶绿素的内部结构研究清楚以后，科学家们又集中攻破了关于人工合成叶绿素的新课题。是谁走在前边呢？美国化学家伍德沃德经过几年的苦心钻研，破天荒地合成了叶绿素。
伍德沃德继续费雪的实验，运用现代先进的科学技术，先后合成了四个吡咯小环，然后，像高级焊接师那样，小心翼翼地把四个吡咯环“焊接”在“镁桥”上。这部奇妙的“机器”十分娇嫩，连接每个“零件”和“部件”都必须十分小心，有条不紊，一丝一毫也不能有差错，否则，就得全盘返工。伍德沃德在合成叶绿素的过程中，还发明了许多试剂来保护和检查每一道工序。经过四年的奋战，终于在1960年人工合成了叶绿素。人工合成的叶绿素和从绿叶中提炼出来的叶绿素不但物理、化学性质相同，而且还有同样的生物和光合作用的活性。
伍德沃德被人们称颂为“化学合成大师”。叶绿素的合成和胰岛素、核酸的合成一样，是近代有机物合成的三大成就。
伍德沃德所以能取得辉煌的成就，是和他从小立志做个化学家分不开的。
伍德沃德出生在美国波士顿一个职员的家里。他从小就立志向富兰克林、爱迪生等前辈科学家学习。念小学的时候，他就酷爱化学，常把零用钱节省下来，购买化学药品和简陋的仪器，在家里的地下室，办起一个小小的“实验室”。假日，他就一头钻进实验室，专和试管、烧瓶、药品打交道，沉醉在这个有无穷乐趣的小天地里，甚至往往忘了吃饭。进中学，他就赢得了“小化学家”的浑名。大学一年级时，他在化学方面显示了独特的才能，被当时麻省理工学院的教授称为出类拔萃的化学天才。
40年代，他最先合成了治疗疟疾的特效药奎宁，后来又合成了番木鳖碱，从而崭露头角。50年代，又合成了胆固醇。到了60年代，他成功地人工合成了叶绿素。1965年他荣获了诺贝尔化学奖金。
当时，有人问他成功的秘诀，他郑重地说：“缜密规划，力促其成。”也就是说，在进行研究之前，要认真总结前人的经验，周密部署，订出规划，并且利用一切先进的工具、仪器、方法等等。这句话应该成为科学工作者的座右铭。
从威尔斯塔特提取叶绿素、费雪测定叶绿素结构到伍德沃德巧夺天工地合成叶绿素，经历了半个多世纪，科学家呕心沥血，艰苦奋斗，才逐步揭开“绿色工厂”的秘密，特别是叶绿素合成，为人工模拟绿色植物的光合作用开辟了光辉的前景。
在植物体里，由叶绿体合成叶绿素。合成的步骤和动物血液中的血红素合成很相似。只不过合成叶绿素需要加入一个镁原子。可是，叶绿素的生物合成跟铁也有关系，当培养植物的土壤中缺乏铁的时候，叶绿素就不能合成，叶片上出现“缺铁现象”。如果往叶片发黄的盆花里加入一些硫酸亚铁，叶片就慢慢地恢复绿色了。至于铁在什么步骤以什么形式参与叶绿素合成的，目前还不清楚。
希尔试验
叶绿体在叶片细胞中，只要有太阳光，它就能正常生产。能不能把它从绿叶中搬出来生产呢？
19世纪中期，有许多科学家力图把叶绿体从活细胞中分离出来，看看它能不能继续生产。可是，实验接二连三地失败了。他们发现叶绿体一旦离开活细胞，就不能吸收二氧化碳，也不能放出氧气，光合作用立即停止。于是，有人振振有辞地说：“叶绿体只有在上帝创造的生命体内，才能赐给众生食物。”
年轻的英国科学家希尔，不相信这种宗教胡说。但是，叶绿体从细胞中分离出来以后，到底还能不能继续进行光合作用呢？他决心进一步研究这个问题。
1939年秋天，希尔采集了几十片野芝麻的绿叶，细心地撕去叶脉，把叶子切成碎片，放进研钵中，加上30毫升食盐磷酸盐溶液和少量的石英砂，用力研磨后，用两层纱布滤去残渣。把滤过液装进试管，在小离心机上旋转半分钟，然后除去砂粒和碎叶片。再把剩下的滤过液离心旋转以后，在试管下部沉淀下来的就是叶绿体了。最后，再取5毫升的食盐磷酸盐溶液，把叶绿体倒进去，叶绿体就悬浮在盐溶液中，从而做成了叶绿体悬浮液。
接着，希尔用两只试管，各装进2毫升叶绿体悬浮液，再分别加进去1毫升黄色的草酸铁溶液。然后，把一只试管放在阳光下照射，另一只放在暗箱里。3分钟以后分别取出，放在沸水中加热两分钟，再放进离心机里旋转，使叶绿体沉淀。
取出试管以后，看到照光的溶液变成了桔红色，而暗箱里的那只试管颜色没变。桔红色的溶液是什么呢？原来，阳光照射叶绿体以后，经光合作用放出的氧和草酸铁进行了化学变化，使得黄色的草酸铁变成了桔红色的草酸亚铁；在暗箱里的叶绿体没有进行光合作用，所以试管里的颜色没改变。同时，希尔还测到了在阳光下的那只试管里放出了氧气，不过数量很少。这个轰动世界的“希尔实验”证明：“车间”搬出来以后照常可以生产。
不过，美中不足的是，希尔在提取叶绿体的时候，把叶绿体的外被膜也就是“车间”的“围墙”给破坏了，进行卡尔文循环的酶流了出来，这样就不能和二氧化碳结合了。以后，科学家们细心地用种种方法保护了叶绿体，在试验过程中不使“围墙”破坏。这样搬出来的“车间”，还是能够和二氧化碳进行化学变化的。
希尔把叶绿体从细胞里搬了出来，这在光合作用的研究中起了突破作用。首先是他把细胞给打开了，这对于后来深入地研究光合作用内部反应的各个环节，都起到了开路先锋的作用。
四、一项重大的研究课题
二百多年来，世界上许多科学家为了揭开光合作用的奥秘贡献了毕生的精力。不过，人们对于绿叶的光合作用，现在也只是知道一个粗略的轮廓，许多细节还不很了解。要想更深入地探求光合作用这样一个重要的自然现象的全部奥秘，还需要几代人长期不懈的努力。
光合作用是在一个很精致、很复杂的“工厂”中进行的。各种植物的“绿色工厂”的设备和装置也不完全一样，科学家们正在探索不同植物的“工厂”特点，分析“工厂”中的各种设备，力图抓住其中的关键环节，用遗传学知识提高现有农作物等的光合作用效率；并通过对“绿色工厂”设备的详细解剖和分析，在掌握它的生产原理以后，用现代化学、物理和工程学的知识来仿效它，以便高效率地生产品质最优良的产品。这是多么富有魅力的目标啊！
那么，当前科学家们对于光合作用的研究，正在开展哪些重大的研究课题呢？
变三碳植物为四碳植物
20世纪60年代，美国科学家发现植物可分为三碳植物和四碳植物两类。所谓三碳植物，是指二氧化碳进入绿叶以后，先形成一个含有三个碳原子的化合物，这类植物比如水稻、小麦、大豆、天竺葵等等。而四碳植物，是指二氧化碳进入绿叶以后，先形成一个含有四个碳原子的化合物，这类植物比如甘蔗、玉米、高粱等等。
科学家是怎样发现三碳植物和四碳植物的呢？
60年代初期，美国科学家用天竺葵做实验，发现在光照下，叶片吸进的氧气很多，放出来的二氧化碳也很多，科学家把这种现象叫做光呼吸。天竺葵的光呼吸是比较高的，但是光合作用的效率却很低。
到了60年代中期，他们又发现另一种植物甘蔗的光呼吸很低，甚至几乎没有光呼吸，可是它的光合作用效率却很高。这是怎么回事呢？
经过科学家的进一步研究，发现甘蔗叶片内的维管束部分有皇冠状的细胞组织，这种独特的结构和二氧化碳的结合能力比较强。比如，中午阳光比较强的时候，气孔开得很小、尽管吸进来的二氧化碳含量减少，但是光合作用能够照常进行。而天竺葵、小麦等就不是这样，平时，它们的气孔开得很大，这样就不能适应强光的照射，体内的水分都被蒸发到周围环境中去了，所以一到中午，气孔就关闭，叫做小麦“午睡”，需要等到太阳斜射的时候、叶片再恢复光合作用。
科学家还发现，四碳植物甘蔗进行光合作用的时候，还有一套比较复杂的酶系统和二氧化碳结合。具体讲，有两种酶和二氧化碳结合的很紧密：一种是二磷酸核酮糖羧化酶，另一种是磷酸烯醇丙酮酸羧化酶。这两种酶都能把一丁点儿的二氧化碳尽快地送进“车间”。所以，在同样的条件下，甘蔗光合作用的效率比小麦高。
更有趣的是，那些长期生活在沙漠里的仙人掌，可称是景天科植物中的佼佼者了。白天，沙漠奇热，它惜水如金，紧闭气孔；一到晚上，气孔敞开，由一种酶把二氧化碳先运到细胞的液泡中，暂时贮存起来。等到白天，在强烈的阳光下再“闭门生产”。这时候，二氧化碳再源源不断地从液泡运到“车间”。科学家发现仙人掌负责和二氧化碳结合的酶，同四碳植物的酶一样，都是结合能力很强的酶。二氧化碳进入仙人掌的绿茎以后，也是先形成一个含有四个碳原子的化合物，但是又和甘蔗、玉米等四碳植物不同。甘蔗是在白天进行光合作用，直接利用二氧化碳作原料，不需要在液泡里暂时贮存。
从以上和二氧化碳产生不同变化的植物类型来看，四碳植物的光合作用效率比三碳植物高，所以，世界上许多农业专家、生物学家都力图把三碳植物变成四碳植物。从不同植物具有不同的光呼吸，科学家们得到启示：想办法降低光呼吸作用来提高光合作用效率。但是，做了许多实验都没有成功。经过研究，现在自然界中的四碳植物，大约有一百多种，大多都是起源于热带的植物；其余的基本上是三碳植物。科学家正继续探索三碳植物变成四碳植物的途径。
大约到70年代初期，美国科学家又发现在滨藜科的植物中，既有三碳植物，又有四碳植物。
他们用这两种植物进行杂交实验，也就是让三碳植物和四碳植物进行异花传粉。结果，在后代植株上面，表面看起来像四碳植物，实际上，四碳植物的优点却没有了。分析主要原因是由于三碳植物和四碳植物的内部结构和功能不同。从这个实验说明用杂交的办法目前是不行的。
科学家认为，解决这个问题最有希望的办法是基因移植，也叫做遗传工程，这样才有可能提高低光呼吸植物的光合作用效率。
什么是基因呢？平时，你所看到的植物各种各样，有的高，有的茎细，有的花小，有的果大等等，这些叫做不同的性状，而且这些性状可以遗传下去。是谁控制着生物体中多种多样的性状呢？原来，在细胞核里有许多棒状的染色体，在染色体上面就排列着许许多多基因，一个基因控制着一个性状。因为基因可以一代一代地遗传下去，所以生物的性状也就跟着遗传了。
随着现代生物学的发展，科学家能够运用一种专门的技术给生物细胞做“手术”，把基因从一个生物体的细胞里移植到另一个生物体的细胞里去。这个专门技术叫做遗传工程。如果把四碳植物的遗传基因移植到三碳植物里面，这样，三碳植物也就像四碳植物那样长出先进的“生产设备”，从而大大提高生产效率。如果能做到这一点，“绿色工厂”合成的产品，就可以翻几番，地球上就可以增加多少亿吨的粮食。
开发能源的新途径
目前，全世界每年大约耗费煤炭等能源物资几十亿吨，1979年，美国单石油一项就消耗九亿两千四百万吨之多。如果按这个速度耗费，要不了二百年，地下贮藏的石油、煤等能源就要消耗殆尽。所以，科学家正在千方百计地寻找新能源。
探索光合作用的秘密，是开发能源的理想办法之一。
大家知道，太阳光是用之不尽，取之不竭的能源，水也是最丰富的资源。如果能像“绿色工厂”那样，吸收太阳光来分解水，把水变成氢气和氧气，那该是多么理想的办法！氢气是不污染空气的良好能源，现在一般用电分解水得到它，还要消耗大量的电源。所以，模拟光合作用用光来分解水是重要的方向。
人类有没有办法实现这个理想呢？
这，乍看起来似乎十分困难。因为通常绿色植物利用太阳光分解水总是放出氧气和生成还原态氢，再用还原态氢去还原二氧化碳，生成碳水化合物，而不会放出氢气来。
然而，人们通过长期的观察和研究，也找到一些植物用光分解水以后是能放出氢气的。比如，有一些藻类——绿藻、红藻和蓝绿藻等等，它们身上就有一种特殊的放氢酶。人们把它们放在无氧条件下培养一个时期以后，在光照下就可以产生氢气。虽然这些植物产生氢气的量很少，而且放氢的速度也慢，但它毕竟给人类仿照植物的光合作用来分解水作出了启示。
1973年，美国科学基金会特别拨出一笔经费，成立专门研究小组，研究如何仿照“绿色工厂”分解水制取氢气和氧气的办法。经过努力，果然有所突破。研究小组提出用叶绿体和放氢酶联合作战的方案来光解水。他们从菠菜叶子中提取叶绿体，从梭菌体内提取放氢酶，把它们混在一块，再加进一个能传递电子的化合物——甲基精紫。然后，把它们安置在无氧的环境中，经过太阳光的照射，结果，很快地放出了氢气。
1977年，这项研究又取得进展。他们的光解装置效率是每毫克叶绿素每小时可产生125微克的氢气，而且这个光解装置可以连续工作六个半小时。虽然得到的氢气量还是比较少，但它说明人类用植物光解水取得能源是完全可能的。
但是，光合作用分解水是一个非常复杂的问题，目前还只是停留在实验室里进行。要大规模生产还有许多问题有待解决。比如，叶绿体品种的选择、放氢酶的稳定性等等。不过，用光分解水的办法解决能源的课题，已得到世界各国的重视。美国、澳大利亚、日本、英国等都相继成立专门的组织和联合会，致力研究。相信在不久的将来，人类一定能实现以光解水取得能源的宏伟目标。
绿色“发电厂”
植物利用太阳光分解水获得氢气和氧气，只是一个间接解决人类对能源需求的办法。能不能把太阳光直接转变成电能呢？用半导体材料制作的光电池，就是这样一种装置。不过现在人们还正求助于“绿色工厂”建立绿色“发电厂”，从另一个途径实现这个宏伟目标。
前面讲过，绿色植物的光合作用是在叶绿体中进行的。叶绿体里面有专门捕捉阳光的光合膜，它是由叶绿素分子、磷脂以及蛋白质组成并有严密结构的膜。光合膜体积很小，只有几个微米，但能力大得惊人，具有捕捉阳光、传递电子和能量转换等功能。它在光合作用中起主力作用。依靠它，通过一系列电子传递来实现光合作用。
于是，人们设想以叶绿素为主体制造一个人工光合膜，然后把光能激发，形成电流。如果形成的电流强大，那就成为一个绿色“发电厂”了。
这个宏伟的设想能不能成为现实呢？
能。美国科学家经过十年的努力，用这种模拟光合作用的光化学反应产生电流，已经获得成功，并且应用在“阿波罗三号”人造卫星上面。只是价格昂贵，需要进一步改进。
后来，日本著名科学家落合教授也用实验作出肯定的回答。
落合教授从小对“绿色工厂”就发生兴趣，立志要揭开它的奥秘。他大学毕业以后，从事光合作用的研究，取得了成绩。1979年，他为建立绿色“发电厂”迈出了可喜的第一步。
落合教授详细分析了光合膜的结构和功能，发现分离出来的叶绿素，在阳光照射下，可以进行两个化学反应。如果把这两个反应放在一起，就有电子转移。于是，他就模拟光合膜结构，以叶绿素为主体，制作了一个人工光合膜，铺在水面上形成单分子层，在太阳光照射下，膜的上下两面果然产生了电位差。
近来，落合教授又进一步改造人工光合膜的性能，添加了一些过渡元素化合物作催化剂，提高了膜电子传递的能力。据报导，利用中午的阳光照射，从人工光合膜上，可以获得12微安培的电流。这说明，利用“绿色工厂”的原理是可以发电的。
落合教授试验初步取得成功，人们设想：有朝一日，能造出一个巨大的人工光合膜，把它覆盖在厂房和住房的房顶上，一年四季都可以利用太阳能来发电，源源不断地供应工厂和家庭对电能的需要。
光合固氮
把空气里的氮变成含氮化合物的过程，叫做固氮。化学上固氮的办法比较复杂，需要在高温、高压和高活性催化剂的帮助下，才能做到。但是，生物固氮就简单得多了。比如，有一种叫根瘤菌的微生物，它和豆科植物共生，在常温常压下，就能不断地制造氮的化合物。
那么光合作用能固氮吗？
回答这个问题得从光合细菌说起。
前面讲过，本世纪30年代，科学家发现紫色和绿色的细菌也像绿色植物那样有光合作用的本领，它们也能把光能转变为化学能。
不过，真正揭开光合细菌之谜的，那还是近年的事。据美国科学家卡白昂许的研究，光合细菌身上有一种独特的光合器，里面有类似叶绿素那样的物质，能捕捉光能，传递电子，合成许多营养物质。有一种叫红色无硫细菌，它的光合器中就有一系列类似橙红色胡萝卜素的化合物。卡白昂许等人研究表明：光合细菌不仅能固定空气中的二氧化碳，还能进一步利用太阳光固氮。因此，光合细菌已作为生物氮肥施加在农田上，达到了增产的目的。据报导，光合细菌分别施加到水稻、茄子、辣椒等农作物上，可以分别增产46%、35%和54%。日本科学家小林达治把光合细菌喷洒到柿树和温州蜜桔上，不仅可以使果品鲜美，产量增加，而且提高果品的糖分、维生素B、维生素C等含量。
科学家在研究光合细菌固氮的同时，也发现有些绿色植物有光合固氮的能力，特别是有些热带植物和某些藻类植物，光合固氮的能力更为显著。
光合细菌和某些植物为什么能光合固氮呢？
这正是科学家研究的重大课题。他们初步认为，光合固氮是在光合膜上进行反应的。在光合膜接受光能以后，发生了一系列的电子传递，当“绿色工厂”里的一些高能物质把电子递交给氮的时候，氮就被还原成为氮的化合物了。
光合固氮的秘密揭开以后，人们就可以进一步地模拟它，把光合固氮推广到一般植物体上面，那样，我们就可以不给或少给庄稼施肥，同样获得丰收。
富有魅力的目标吸引了许多科学家。我们相信，再经过几代人的努力，这些光辉的理想，一定会变为灿烂的现实。
五、生物进化论的发现
1859年11月的一天，在英国伦敦，人们纷纷涌向书店，购买一本刚刚出版的新书——《物种起源》，初版1250本书在发行的当天就被销售一空。原来不甚愿意承印这本书的出版商喜出望外，接着再版3000本，又很快告罄。购书的要求从美国、德国纷至沓来……“我完全相信，物种不是不变的”，“一切生物都不是神创的，而是少数生物的直系后代。
”书中的观点震撼了世界，动摇了禁锢人们思想许多个世纪的神创论。
这本书的作者，就是英国伟大的博物学家查理·达尔文，是他完成了具有划时代意义的进化论。
达尔文并不是最早提出进化论的人，在他之前，已有许多科学家、哲学家提出进化论的思想了。
向神创论挑战
地球上的生物是从哪里来的？为什么会有千千万万各不相同的物种？自古以来，这个问题就引起人们不断的争论。
古希腊的阿那克西曼德曾猜测：“人是由鱼变成的，是从水中到陆地上来的。”这可以说是进化思想的最早萌芽。
但是长期以来，统治人们思想的还是人和万物都是由神创造的说法，其中影响最大的就是神创论。
基督教的经典《圣经》第一篇《创世纪》中这样记载着，地球还有地球上的生物是上帝用6天时间创造出来的。上帝用泥土造出了男人，又用这个男人的肋骨造出了女人，然后又造出了树木、走兽、飞鸟、爬虫等各种生物。每一种生物都是上帝有目的创造的。猫被造出来是为了吃老鼠，老鼠被造出来是为了给猫吃。而这些生物又都是为人服务的：猫所以吃老鼠，是因为老鼠对人类有害。物种是不变的，上帝开天辟地时创造出多少个物种，现在就有多少个物种。这就是神创论。
那时候，谁要是反对《圣经》，和《圣经》的说法不一致，就被认为是大逆不道，将遭到教会的严厉处罚，甚至被判处死刑。最早研究血液循环的西班牙医生塞尔维特、宣传日心说的意大利哲学家布鲁诺，都因触犯了《圣经》，而被烧死在火刑场上。
但是真理是压不住的。18世纪，随着科学技术的进步，特别是胚胎学、解剖学的发展，上帝创造万物和物种不变的观点，遭到了越来越多人的怀疑和反对。
法国博物学家布丰研究了大量的动植物和化石后，提出生物是在变异的。他认为，地球曾经是一片汪洋，先有水栖生物，后来才发展出陆栖生物，并随着热带、温带、寒带光照的不同，形成了不同的物种。
可是，后来在宗教的压力下，布丰不得不放弃了自己的观点，违心地宣布：“我没有任何反对《圣经》的意图，我放弃我的著作中所有可能与摩西故事相抵触的看法。”
德国自然哲学家和胚胎学家沃尔弗从胚胎学角度向物种不变论发出了挑战。按照上帝创造万物的观点，上帝一开始把人造成什么样，人就永远是这种样子。因此人在胚胎期间就应该具备完整的心、脑、五官、四肢等，是一个缩成胚胎般大小的小人。可是沃尔弗在研究鸡胚胎时发现，生物的组织和器官是在发育过程中逐步形成的，并不是一开始就有的。
俄国胚胎学家贝尔进一步发现，所有脊椎动物的胚胎都很相似，因此他推测，它们很可能有共同的祖先。德国解剖学家梅克尔则提出，从胚胎的发展过程可以看出物种的发展过程，比如人的胚胎早期也有腮裂，这表明人是由鱼发展进化而来的。
英国医生和博物学家伊内兹马斯·达尔文，即查理·达尔文的爷爷，也都提出过类似的进化思想。
而第一个提出完整进化论思想的则是法国生物学家拉马克。
拉马克的进化论
1744年，在法国一个小贵族家庭中诞生了他们的第11个孩子，他就是拉马克。父母为使他日后成为一个牧师，送他到教会学校读书。可是，后来在对自然科学的研究中，这个虔诚的宗教信徒变成了一个离经叛道的进化论者。
拉马克早年从事植物学研究，他曾是布丰的弟子。他撰写的《法国植物学》奠定了他在法国科学界的位置，被选为科学院院士。1794年，当他已经50岁时，开始转向无脊椎动物的研究。
拉马克的研究对象不仅有活的动物，还有古代的化石。
按照《圣经》的传说，一个英国主教曾计算出，上帝造物的时间是公元前4004年10月12日上午9点，可是，化石却告诉拉马克，古代生物的存在至少有几万万年以上了。
按照《圣经》的说法，上帝创造的物种永远不会变，可是拉马克发现，古今生物形态虽有很大的不同，可它们之间都有血缘关系，今天的生物是古代生物进化来的。
拉马克再也不相信上帝造物那一套神话了。
那么，物种为什么会变化呢？拉马克认为外界环境是引起生物变异的直接原因。生物有适应外界环境的能力，经常使用的器官越变越发达，不使用的器官就渐渐退化了。不仅生物的先天的形态可以遗传，这种后天获得的特性也可以遗传。这就是拉马克的用进废退和获得性遗传学说。
比如，长颈鹿在古代时，它的脖子并不像现在这么长，是一种类似羚羊那样的原始动物。长颈鹿生活在干旱的非洲，靠吃树叶为生，吃光了低处的树叶后，不得不拼命伸长脖子吃高处的树叶，于是，脖子渐渐变长了。这种获得的特征又传给了后代，一代一代传下去，长颈鹿的脖子越变越长，最后，成为我们今天看到的这副模样了。
拉马克把他的这些观点写进了《动物哲学》一书中。可是，几乎所有的学者都不承认他的学说，反而嘲笑和攻击他。的确，拉马克还缺乏充分的事实证明他的学说。
但是拉马克毫不动摇，晚年，他虽然双目失明，仍以坚强的毅力，在他女儿的帮助下，完成了《无脊椎动物志》的写作，在这本书中，他再一次阐述了他的观点。
达尔文给予拉马克很高的评价，在他的《物种起源》一书的开头就说，拉马克坚信一切物种，包括人类在内，都是从其他物种传下来的，他的卓越工作唤起了我们注意生物和非生物界的一切变化都是根据自然界的规律发生的，而不是神灵干预的结果。
圣提雷尔与居维叶的论战
拉马克失败了，除了他拿不出更多事实证明他的学说外，还因为他遇到了一个强有力的反对者，他就是居维叶。
居维叶是古生物学和比较解剖学的创始人，是当时法国最有权威的生物学家，曾担任法国科学院的最高职务。
居维叶对巴黎附近的许多化石进行了研究，他发现了许多今天已经绝迹的植物和动物的化石，而且还发现，在不同的地层中，分布着不同的动植物化石。地层时代越古老，化石就越简单，跟现代生物差别也越大。
从这些事实中本来应该得出进化论的结论。可是居维叶却顽固地坚持上帝创造世界的观点，提出了灾变论。他认为地球上曾经发生过好几次大的灾变，每次灾变时，大多数生物都死绝了，然后上帝又创造出一批新的生物来。他还得出了最后一次灾变就是《圣经》上所说的五六千年前出现了诺亚时代的大洪水。
这样，居维叶就用上帝的多次创造活动代替了一次创造活动。
在法国科学院，还有一个科学家支持拉马克的进化论观点，反对居维叶的灾变论，他就是圣提雷尔。
圣提雷尔也是比较解剖学的创始人之一，他原来和居维叶是好朋友，可是，后来两人之间的分歧越来越大，成了论敌。
1830年，他和居维叶之间爆发了一场著名的论战，起因是在科学院一次会议上，圣提雷尔提交了两个青年科学家的论文。这篇论文提出墨鱼处于脊椎动物与无脊椎动物之间，在墨鱼身体中间有一根软骨，相似于脊椎动物的脊椎。圣提雷尔认为这篇论文证实了他所提出的无脊椎动物与脊椎动物有统一构造图的观点。
这篇论文遭到居维叶的强烈反对。争论的内容从比较解剖学、形态学扩展到进化论与神创论的对立，论战一直持续了8个月，轰动了欧洲的学术界。
由于宗教界的支持，也由于圣提雷尔学说本身的不足，最后论战以圣提雷尔的失败而告终，居维叶由此获得了生物学独裁者的称号。
进化论者虽然暂时失败了，但他们却为进化论学说的诞生奠定了思想基础。正是以他们的工作为阶梯，查理·达尔文才登上了这一学说的高峰。
贝格尔号远洋舰环球考察
1831年12月底，一艘三桅木帆船驶出英吉利海峡，航行在大西洋上。船尾站着一个有着高高额头、浓眉乌发的英俊年轻人。他从船尾布下的网中取出捕获的生物，对它们逐一鉴别、解剖，并登记入册。22岁的查理·达尔文作为博物学家，随着这艘叫贝格尔号的海军勘探船，开始了为期5年的环球考察。
查理·达尔文出生于英国西南部施鲁斯伯里城一个世代名医的家庭，他的祖父伊内兹马斯·达尔文不仅医术出众，而且是一位博物学家、诗人。他的父亲罗伯特·韦林·达尔文也是当地著名医生。
他的父亲最初希望他继承父业，成为一名医生，把他送到爱丁堡大学学医。可是达尔文对学医不感兴趣，却热衷于采集标本，寻找矿石。他的父亲又把他送到剑桥大学基督教学院学习神学，想让他成为一个牧师。但达尔文仍醉心于博物学，他经常去听生物学、地质学的课，结交了他的老师、植物学家亨斯洛和地质学家塞治威克，并跟着他们出去作科学调查。正是亨斯洛推荐他随贝格尔号舰考察。
达尔文随身携带了一本英国地质学家赖尔刚刚出版的《地质学原理》，一有空就读。这本书使他耳目一新。书中写道，地球是自然界缓慢变化形成的，陆地是由海底渐渐升起形成的。
这和他过去在学校中学过的地球和地球上的万物是永远不变的观点完全不同。究竟谁说的对呢？达尔文思索着。
当贝格尔号舰到达佛得角群岛的圣地亚哥岛时，那白白的由贝壳和珊瑚凝成的地层带立即把他吸引住了，那正是陆地是由海底隆起的证据。在巴塔哥尼亚平原、安第斯山的考察也都证明了，赖尔的地质学原理是正确的，地球是逐渐变化的。这给了他很大启示。
在考察中，最吸引达尔文的还是各地千奇百怪的动物、植物及其化石。它们使达尔文赞不绝口，经常处于“非常惊奇之中”。
在佛得角群岛，到处是奇花异草，郁郁葱葱的草木中，活跃着各种昆虫、珍禽异兽，光蝴蝶就有上千种。是什么力量把大自然装扮得如此美丽，创造出这样种类繁多的动植物呢？
查塔姆岛上，有一种身体巨大的贮水龟，它可以爬到很远的地方找水源，不仅把肚子喝饱，而且把水贮存在膀胱和心囊中，因此它们可以生活在雨量极少的干旱地区。这是否说明动物和环境之间有某种联系？
在朋塔阿尔塔，他们挖到了一种剑齿兽的化石，它的身体像大象那样大，可是牙齿却像老鼠那样小，眼睛、鼻子、耳朵又像生活在水中的海牛。为什么现代不同类别动物的特征会集中在古代同一种动物身上呢？会不会是现代不同种的动物是由古代同一种动物演化而来的呢？
这些问题不断引起达尔文的思考。
1835年9月，贝格尔号舰来到南美厄瓜多尔附近的因盛产巨龟被称为巨龟岛的加拉帕戈斯群岛，在这里考察了一个多月。
笼罩在茫茫无际太平洋海雾中的加拉帕戈斯群岛由十几个主要岛屿、几十个小岛组成。这里的火山口表明，这个岛不是很古老，如果上帝真是公元前4004年完成他的伟大创世行动的话，这个群岛是在上帝创世后才形成的。
达尔文发现，这里有许多当地特有的生物种类，而且不同岛屿之间的生物也有差异。他一共采集到193种植物，其中上百种就是当地特有的。
达尔文采集到26种鸟类，给他印象最深的是雀科鸟类。一共有14种地雀，表面看来和南美大陆的地雀十分相似，但目光敏锐的达尔文却发现，这些雀类嘴巴的大小、宽厚各不相同，有的喙长，有的喙短，有的喙大而坚硬，有的喙弯曲像小钩子。
为什么不同的小岛上有不同的雀类呢？难道这是上帝的特意安排吗？达尔文经过调查发现，这些地雀都是从南美迁来的。由于它们分布在相对隔绝的小岛上，靠吃谷子、昆虫、坚果等不同食物为生，于是喙就变得各不相同，成了不同的种。
5年的航海生活异常艰苦，当这艘不到一百英尺长的木船在大海中颠簸时，达尔文常常几天几夜晕船，呕吐；当他们在荒无人烟的小岛上考察时，往往十几个小时喝不上一口水，还不时遭到毒蛇猛兽的袭击……达尔文以坚强的毅力战胜了种种磨难，他不仅采集到了大量珍贵的动物、植物、化石标本，记下了几大本观察日记，写出多篇论文，更重要的是他抛弃了特创论的观点，得出了一个科学结论，那就是生物进化论。
正像他自己所说的：“贝格尔舰航行是我一生中极为重要的事件，他决定了我的事业。”
物种起源之谜
达尔文深知，物种变化的观点一旦发表，将会遭到教会的激烈反对，而且人们也不会轻易相信物种是变化的，他必须以确凿的证据说明物种为什么会变化。
回国后，他首先搜集动物、植物在家养情况下变异的事实。
他印发了许多调查表，向动物饲养家和作物育种家搜集资料，还广泛阅读书刊，包括中国的农书。
当时英国社会掀起一股养鸽热，经常举办鸽子展览和竞赛。达尔文也参加了两个养鸽俱乐部。
达尔文发现，家鸽的品种至少有20种以上，有的嗉囊肥大，有的鼻子很高，还有的尾羽很大，像一把扇子……他对各种类型的家鸽进行了解剖，结果发现这些家鸽虽然外型差别很大，内部构造和骨骼却相差不多。他又进一步调查了这些家鸽的饲养史，原来，它们都是由一种野生鸽——岩鸽演变来的，是人为干涉使它们演化为不同种类。
例如有一种突胸鸽，它的嗉囊像个皮球似的挂在胸前，那是开始时，人们发现有的鸽子的嗉囊比别的鸽子大一些，于是就专门挑选嗉囊大的鸽子进行交配，经过几代连续交配，最后就培育出了突胸鸽。
他还考察了世界各地的马。马的颜色各种各样，有白的、黑的、栗色的、花斑的……马的类型也有许多种，有跑马、驮马……而原始的马是黄棕色的，个子也很小。
野马怎样变成种类繁多的家马呢？主要是人工选择的作用。一旦马的颜色有一点变异，人们喜欢什么颜色的马，就把它保存下来加以繁殖；在赛马中，把跑得快的马留下来繁殖，并加以训练，就成了良种跑马。
达尔文还观察了金鱼、细毛羊、奶牛、狗及各种花卉，他得出结论，是人类把家养生物改变得那样完善。他写道：“具有不同特征的动植物品种可能起源于共同的祖先，它们在人工干涉下，逐渐形成了人们需要的新品种，我概括为人工选择。”
使他感到迷惑难解的是，自然界的新物种又是怎样形成的呢？这个问题日夜萦绕在他脑际中，连乘车时也在思索着。
1838年10月的一天，为了消遣一下，他拿起了一本马尔萨斯的《人口论》看，忽然，他心中的谜被解开了。
马尔萨斯写道，任何动物的繁殖速度都大于它们食物的增长速度，这样就会有一部分生物在生存竞争中死亡，从而使动物和它们的食物达到新的平衡。比如森林中有50头梅花鹿，个个长得都很健壮。随着鹿的增多，森林中的食物变得不够吃了，于是大批的鹿死亡，只有身体强壮的鹿幸存下来。
这给了达尔文很大启示。自然界中这种生存斗争比比皆是。每一个生物都在为生存而斗争，在斗争中，不利的变异被淘汰，有利的变异被保留下来。
他想到在北大西洋马德拉岛上的昆虫，它们当中大部分翅膀都退化了，不能飞，而少数翅膀又特别发达。达尔文现在明白了，原来马德拉岛上经常刮大风，那些会飞的昆虫大部分都被刮到海里淹死了，只有少数翅膀特别发达的，或爬在地上不会飞的昆虫才被保存下来，经过许多年，岛上就只剩下翅膀特别发达或不会飞的昆虫了。
自然环境就是这样选择生物，通过生存斗争，适者生存，生物不断进化着，达尔文把这叫做自然选择。
达尔文把他的想法告诉了他的朋友地质学家赖尔和植物学家虎克，开始动手撰写他的巨著《物种起源》。
达尔文与华莱士
从1842年起，达尔文开始起草进化论的提要，1844年，他完成了《物种起源》的详细提纲，直到1858年，他仍在继续撰写这部书。
他的好朋友赖尔和虎克不断催促他，赶快把他的理论写出来，并且警告他，不然，就会有人跑到你的前边去了。
达尔文听了只是一笑了之。他是一位非常严肃认真的科学家，他非要找到确凿的证据才肯动手，并且要让他的理论尽可能完善、严谨。
果真有一个年青人赶到他前边去了，那就是华莱士。
华莱士也是英国人，他比达尔文小14岁，经历与达尔文也很相似，从小就热爱大自然，并到世界各地去探险。
华莱士曾到南美洲的热带地域和亚洲东南的马来群岛去旅行。马来群岛的岛屿南下与澳大利亚相连，北上与亚洲相连。华莱士发现，从巴厘岛和龙目岛之间存在一条分界线，东西两侧岛屿上的动物和植物迥然不同，这条分界线至今被称为“华莱士”线。
1855年，华莱士在加里曼州考察时，就发现物种是变化的，非常巧，他也是阅读了马尔萨斯的著作，得出了“物种变化的原因是自然选择的结果”，并且也称之为“适者生存”。
华莱士的性格与达尔文完全不同，他一旦产生某种新思想，马上就伏案写作，两天完稿。
华莱士把自己的论文寄给了他所尊敬和信赖的一位学者，这个学者就是达尔文。
1858年夏天，达尔文收到了华莱士从马来群岛寄来的论文《论变种无限离开原始型的倾向》
，并解释道，这是一篇探讨物种起源的论文。
“物种起源”？达尔文全身一震，难道华莱士也在研究物种起源？他一口气把论文读完。文中所写的完全都是自己思考过的问题，甚至所用的语言也和自己完全一样。达尔文想，即使华莱士手中有过我1842年写的那份初稿，他也不会写出比这个手稿更好的论文来，现在华莱士文中的术语都成了我书中每章的小标题。
华莱士在信中写道：“如果您认为这篇文章有价值的话，请您转给赖尔看一看。”
只要达尔文推荐，华莱士就将成为这一重大发现的创始人了，而这也意味着自己将失去对为之倾注了全部心血、耗费了20年时间的重要理论的开创权。达尔文心里非常懊丧和遗憾。但他是一个非常正直的科学家，他追求的是真理，而不是对荣誉的垄断权。达尔文立即提笔给赖尔写了一封信，热情地推荐这篇论文，并且决定放弃自己的大规模写作。
赖尔很快写来了回信，他和虎克都认为这样做是不公平的，因为他们阅读过达尔文在1842年写的摘要，那本身就是一篇完整的进化论的论文。在他们的倡议下，华莱士的论文和达尔文13年前写的那篇论文于7月1日在林奈学会上发表了。
当华莱士后来知道了事情的真相后，深深为达尔文的自我牺牲和谦虚精神所感动，并心悦诚服地把进化论创始人的位置让给达尔文。
在赖尔和虎克的鼓励下，达尔文又重新拿起笔来写作，经过十多个月的努力，1859年底，凝结着达尔文20多年心血的科学巨著——《物种起源》终于出版了。
战胜神创论
进化论的发表犹如一块巨石落水掀起巨澜，引起了人们的激烈争论，就连一些科学家也接受不了这一革命的理论。曾经当过达尔文老师的地质学家塞治威克对达尔文说：“读了你的书我不是感到愉快，而是痛苦，书中的一部分材料让我感到很可笑，另一部分又使我十分担忧。”
也有许多科学家支持达尔文的进化论，特别是英国的生物学家赫胥黎和德国生物学家海克尔，他们不仅热情地宣传进化论，而且勇敢地捍卫和发展了进化论。
赫胥黎首先把进化论用到人类的起源上，推测人类是由类人猿变来的，人和猿有共同的祖先。
海克尔则最早提出了动植物进化的系统树，并标明了人类的来源和人种的分布。
进化论的最大反对者还是来自科学界外的宗教界，因为进化论否定了上帝创造物种，矛头直指神圣的上帝，动摇了神学的基础，因此遭到了宗教界的围剿。
1860年6月28日，在教会和一些保守科学家的策划下，英国科学协会在牛津大学召开了为期3天的讨论会，名为讨论达尔文学说，实际则是攻击进化论，牛津大主教威尔伯福斯就公开宣称“要粉碎达尔文主义”。
6月30日，讨论会达到了高潮。会议原定在会议厅召开，由于人太多，不得不转移到图书阅览室。
能言善辩、号称“油嘴山姆”的大主教威尔伯福斯亲自出马。他指责达尔文的进化论违背神圣的教义，自以为聪明地说：“按照达尔文的进化论，一切生物都起源于某些菌类，那么人类和蘑菇就有亲缘关系啰？”并挑衅地说：“请问坐在我身旁的赫胥黎教授，究竟是你的祖父还是祖母哪一方同猿猴发生了血缘关系？”
大主教的话颇能蛊惑人心，在听众们兴奋的大喊大叫声中，赫胥黎从容不迫地站起来应战。
他没有理睬大主教的人身攻击，而是用大量的事实有力地反驳了大主教那些缺乏科学根据的胡言乱语。赫胥黎最后以这段广为流传的话结束了他的长篇发言：“一个人没有任何理由因为他的祖先是无尾猿而羞耻。如果有人使我在回忆起他时感到羞耻的话，那就是这样一个人，他有浮滑善变的性格，他不满足于在自己范围内取得的令人怀疑的成功，还要去插手他并不了解的科学问题，用花言巧语、文不对题的议论和宗教偏见来掩盖真理。”
赫胥黎的发言一结束，立即引起了人们热烈的掌声。接着，虎克发言，用事实抨击了大主教在科学上的无知。
这场论战以教会和神创论的失败，进化论的胜利而告终。
斗争并没有结束。达尔文经常收到恐吓信和谩骂信。但达尔文没有退缩，他在给朋友的信中写道：“我已下定决心，装好自己的铠甲了，我将勇敢地迎接艰苦而长期的斗争。”
1871年，达尔文又发表了《人类的由来和性的选择》，指出了人是动物长期发展的产物，把人放到生物界中应有的位置上，粉碎了宗教中有关人是宇宙中心的神话。
达尔文的进化论终于为越来越多的人所接受。
1877年，达尔文的母校剑桥大学决定授予达尔文荣誉学位，以表彰他对人类作出的杰出贡献。就在庆祝大会上，还有几个人高举一只猴子想以此侮辱达尔文。达尔文镇静自若，继续发表讲演。在全场听众暴风雨般的掌声中，一小撮捣乱分子反而弄得灰溜溜的抬不起头来。
达尔文的进化论得到了无产阶级革命导师马克思、恩格斯的高度评价。
马克思赞扬道：“达尔文的著作非常有意义，这本书可以作为我研究历史上阶级斗争的自然科学根据，”并把他著的《资本论》第一卷题赠给达尔文，书页上写道：“赠给查理·达尔文先生。您真诚的钦慕者卡尔·马克思。”
恩格斯将达尔文的进化论誉为19世纪三大自然科学发现之一（细胞学说、能量转换定律、进化论）。他在马克思墓前哀悼马克思时曾说：“正像达尔文发现有机界发展规律一样，马克思发现了人类历史的发展规律。”
进化论的进化
达尔文的进化论打破了生物学中被神学盘踞的最后一个顽固堡垒，推翻了那种把物种看作是彼此毫无联系的、偶然的、神造的、不变的观点，给生物学乃至整个自然科学的发展带来了一场革命。
但是，由于科学技术发展水平的限制，达尔文的进化论也有不足和局限性，他虽然揭示了生存斗争、自然选择、适者生存的原理，然而对于变异的原因并没有真正搞清楚。达尔文自己也很坦然地说过：“关于变异的规律，我们实在是深深无知的，我们能够说明的这部分或那部分发生变异的任何原因，恐怕还不及百分之一。”
随着遗传学、分子生物学的发展，人们已经弄清楚了变异的物质基础是基因，对染色体上某个基因，甚至基因上某个碱基变化给生物体带来的影响开始有所了解。人们不仅从生物形态的宏观水平，而且开始从细胞水平、分子水平去探索生物的进化。
一百多年来，达尔文的进化论经受住了种种考验，而且它还不断地从现代科学的发展中汲取营养，不断地丰富、发展、完善，进化论也在不断进化中。
六、微生物的发现
在我们的地球上，生活着各种各样的生物，除了我们看得见的动物、植物以外，还有一个肉眼看不见的生命世界，生活在这个生命王国中的居民，数量比动植物要多得多，这就是微生物世界。
微生物的存在比人类早得多，化石记录表明，早在32亿年前，地球上就有微生物了。
人类虽然用肉眼看不见这些小生命，但它们却始终伴随着人类，对人类的生活和生产产生着巨大的影响。
微生物可以使人们患可怕的疾病，历史上由于瘟疫，曾使整个村镇变为无人之地；微生物也不是全都对人类有害，在人体中就驻扎了许多微生物，没有它们人会患病甚至有生命危险；微生物还是人类工农业生产的帮手，从古老的酿酒制酱到现代制药、找矿、冶金、清除污染，处处都用得着它们。
可是，在很长一段时间里，在人们对数学、物理、化学、天文学已经有了相当了解的时候，对微生物却一无所知。一直到了17世纪中叶，发明了显微镜之后，借助于人类的新“眼睛”
，人们才发现了这个肉眼看不见的神秘世界。
列文虎克的发现
300多年以前，在荷兰的德尔夫特市有一个开布店的小商人，他还兼任着市政厅的看门人。
邻居们发现，这个看门人好像着了魔，每天不是不停地磨透镜，就是一动不动用他自制的显微镜在观察什么，这个看门人就是列文虎克。
列文虎克从小就失去了父亲，16岁时，为了维持生活，他不得不到一家布店当学徒。列文虎克没有受过正规教育，社会就是他的大学。他从眼镜工匠那里学会了磨制透镜的手艺，还从炼金术士那儿学习了金银匠手艺。
早在古希腊、古罗马时代，人们就发现，做成某种形状的玻璃不仅能把光聚成一个点，还可以把物体放大。1590年左右，荷兰的詹森兄弟发明了显微镜，它是由一组透镜做成的。早期的显微镜做得很粗糙，并且不能消除像差，如果你想进一步放大，被放大的物体就会变得模模糊糊看不清。
列文虎克仔细研磨那些一点气泡也不含的玻璃，直到它们的表面变得非常光滑均匀为止。他还给他的宝贝透镜镶上铜的甚至金银的框。尽管列文虎克的透镜很小，最小的直径才有3毫米，却可以毫不变形的把物体放大200倍。
这个看门人像个小孩子一样好奇，他不加选择地把凡是他想到的东西拿到显微镜底下来观察，什么牛眼睛、羊毛、海狸毛、苍蝇头、蜜蜂刺、虱子腿、自己的皮肤碎屑、血液等等，都是他的观察样品。
他把被观察物固定在透镜的一侧，一看就是几个小时，然后把观察到的现象都详细记录下来。为了看得更仔细，他常常把被观察物固定在透镜下，几个月不动，甚至永远固定在那儿。
为了观察新的东西，他只好另外再做一台新的显微镜。就这样，他一生一共制作了419架显微镜，在他的屋子里，摆满了大大小小的显微镜。
显微镜为列文虎克展现了一个从来没有人见过的奇妙世界。他发现了人的精子，看到了人的红血球，观察到了血液是怎样在蝌蚪尾巴里的毛细血管中流动，然而他最重要的发现是看到了微生物。
一次，列文虎克把一滴淤积在院子中的雨水放在显微镜下观察，天呐，他简直不敢相信自己的眼睛，在这滴清澈透明，看似什么也没有的雨水中竟然生活着许多小东西，它们灵活地游动着，会吞吃食物，并且还能繁殖。列文虎克断定它们是活生生的小生物，他管它们叫小动物，实际上这是微生物中的一类——原生动物。
列文虎克的显微镜每改进一步，就能看到更微小的东西，1683年，他发现了细菌。
列文虎克找到一个牙齿很不好，从不刷牙的老头，从他的牙齿上取下一点白垢，加水稀释后放到显微镜下观察，竟然人的口腔中隐藏着这样多的小动物，有的像小棍慢慢地移动，有的像鱼一样来回穿梭，他惊叹地记录道：“在一个人口腔中生活着的小动物，比整个王国的居民还要多！”
列文虎克把他的发现一一记录下来，并画出图，寄给英国皇家学会，这是欧洲当时最高的科学权威机构。
他的发现使那些有学问的科学家们惊叹不已。起初，许多人不相信这个看门人的发现。皇家学会派出物理学家胡克和植物学家格鲁，找来最好的显微镜，结果证实了列文虎克讲的全是真实的。
1680年，列文虎克当选为英国皇家学会会员。这个没有学历曾被人看不起的看门人以他的许多重大发现成了闻名世界的科学家。俄国彼得大帝到荷兰考察造船，前来向他表示敬意。英国女皇驾临这座小城，为的是从显微镜中看一眼连至高无上的皇帝也无法看到的小动物。
列文虎克从1632～1723年一直活了91岁，他一共向皇家学会寄送了375篇论文。
自然发生说与母体说
在中世纪以前，人们相信，许多低等生物是自然产生的，比如肉腐烂了，就会长出蛆来，霉烂的麦子会生出老鼠。这就叫自然发生说。
第一个向自然发生说发出挑战的是意大利医生雷荻。他做了一个实验，把两块肉分别放到两个容器中，一个容器上盖有纱布，一个不盖。过了几天，没有盖纱布的那块肉上长出蛆来，盖纱布的那块肉虽然也腐烂了，臭气熏人，却没有生蛆。
雷荻认为，是苍蝇在肉上产的卵，变成了蛆。用显微镜，人们果然发现了苍蝇卵。自然发生说被击败了。
可是不久，微生物被发现了。自然发生说又复活了，许多人相信，至少这种看不见的微生物是自然产生的。
意大利博物学家斯帕兰扎尼不同意这种观点，他坚信，微生物像其他动物一样，也必有母体。
斯帕兰扎尼准备了两组瓶子，都盛有肉汤，一组开口，可以让空气进入，一组煮沸，把各种微生物都杀死后再密封起来。头一组瓶子中很快长满了细菌，而第二组瓶子存放很长时间，始终没有细菌。
斯帕兰扎尼还巧妙地把一个微生物赶到清水中，在显微镜底下，看到这个杆状细菌中间慢慢变细，分裂成两个细菌，若干分钟后，这两个细菌又分裂成4个……这清楚地表明，微生物也有母体，微生物来自微生物。
但是，许多生物学家还是不服气。不管采用什么方法煮沸的汤，只要一接触凉爽空气，要不了多久，里边就会有许多微生物，也许微生物是借助空气中的化学物质生成的。
整整一个世纪，生物学家们为此争论不休，直到1862年，这个问题才由现代微生物学的创始人路易斯·巴斯德解决了。
巴斯德制作了一个有横着放的S形长颈的瓶子，空气能通过S形瓶颈出入瓶子，可是尘埃颗粒却无法通过弯曲的长颈，都聚集在瓶颈弯曲部分的底部。巴斯德将瓶子中的肉汤煮得冒了气，这样瓶子和瓶颈中的微生物都被杀死了。几个月过去了，尽管新鲜空气能不断接触到瓶子中的肉汤，汤中也没有长出微生物。
自然发生说被彻底埋葬了。正像小鸟是由鸟下的蛋孵化而成，苍蝇是由苍蝇卵变成的，微生物也只能来自另一个同类的微生物。
揭开发酵的秘密
随着显微镜的进步，人们发现的微生物的种类越来越多了。可是，微生物究竟与人类有什么关系，这种几乎无处不有的小生命在人类生活中起着什么样的作用呢？第一个完整揭示微生物奥秘的就是刚才提到的巴斯德。
巴斯德1822年出生在法国东部的多尔镇，他的父亲是个制革匠。由于家境贫寒，他曾被迫停学和半工半读，21岁时考入巴黎师范学校。受到著名化学家杜马的影响，巴斯德走上了化学研究的道路。这个有着火一般求知欲、狂热工作热情的年轻人，很快就做出了惊人的成绩。
他揭开了酒石酸有不同旋光性之谜，提出同样化学成分的物质所以旋光性不同，是因为有不不同的分子结构，这就是同分异构现象。
1854年，小有名气的巴斯德出任里尔大学理科系主任。
酿酒业是里尔的重要工业。可是当地的酿酒厂却遇到了一个难题，他们酿造的酒不知什么原因常常变质发酸，只好一桶桶倒掉。不仅里尔，整个法国每年都有大批酒因变质发酸而蒙受巨大的损失。
年轻的化学家的到来，使这里的酿酒厂厂主似乎看到了救星，因为当时人们都认为酿酒是一个化学过程，他们请求巴斯德帮助他们解决酒发酵的问题。
巴斯德来到酿酒厂，仔细观察研究整个酿酒过程。他取了几滴酒放在显微镜下观察。酒里边有许多圆形、椭圆形的微生物，有的边上还长出小芽。原来是这些酵母菌使糖变成了酒精。
可是酒为什么会变酸呢？他将好酒和变质的酒分别放在显微镜下观察。在那些变酸了的酒中，小球状的微生物不见了，取代它们的是杆状微生物，正是这些产酸的菌使酒变酸了。
症结找到了。巴斯德向酿酒厂的厂主们建议，当酒酿好以后，用文火缓缓加热，到约60℃，杀死其中的细菌，然后把酒密封起来，这样酒就可以保存很长时间不变质了。这种用缓缓加热杀死微生物的防腐方法就叫巴氏消毒法，现在还广泛用以消毒牛奶、啤酒等。
大批的酒得救了，酒厂的老板们对巴斯德感恩不尽。
法国政府获悉巴斯德发明的这一方法后，特地派了一艘巡洋舰，装了6500升用巴氏消毒法处理过的酒和500升未经处理的酒，从法国启航，远渡重洋，驶向非洲。当几个月后到达目的地时，人们惊异地发现，凡是用巴氏消毒法处理过的酒都醇香扑鼻，风味依旧，而那些没有处理过的酒都酸得不能喝了。从此巴氏消毒法不胫而走，传遍全世界。
接着，法国中部的人要求巴斯德挽救他们的制醋业。因他们酿造的醋，时间一久就失去了醋味。
于是，巴斯德又奔往图尔。他在漂在醋缸上的醋垢中发现许多短棒状的菌，这就是醋酸杆菌。经过仔细研究，巴斯德搞清楚了，这些醋酸杆菌一开始使酒精变成醋，可是当全部酒精变成醋后，它们继续发酵，使醋又变成了二氧化碳和水，于是醋味就消失了。
巴斯德建议，在醋刚刚酿好后，加热杀死这些醋酸杆菌，醋就不会变质了。
是的，早在几千年前人们就在利用微生物的发酵产物酿酒制醋，但人们并不知道这是微生物的功劳，是巴斯德揭开了这个秘密。今天，人们在现代发酵罐中，利用微生物生产各种各样的生物制品，追根溯源，我们还应当感谢巴斯德呢，难怪有人把他称作生物工程之父。
微生物和疾病
巴斯德对人类的一个更伟大的贡献，是发现了微生物和疾病的关系。
在巴斯德那个时代之前，瘟疫经常夺去成千上万人的性命。例如14世纪的一场黑死病，就曾使欧洲1／3的人丧命。
可是过去，人们不知道疾病的原因，以为生病是鬼魂附体或上帝的惩罚。就是在一些发达国家，医生们能做的也不外乎是让病人多加休息，加强营养，呼吸新鲜空气。外科医生们能给人挤出脓血，接好骨头，可是许多病人手术虽然成功了，却死于感染。
那么，巴斯德是怎样发现细菌致病的呢？
1865年，一种奇怪的病威胁着法国南方的养蚕业，农民们养的蚕不知为什么纷纷病了，蚕的身上长满了黑色的斑点，不吃桑叶，也不吐丝做茧，成批成批的死亡。
农民们联名给政府写信，请求派专家来拯救濒临破产的养蚕业。巴斯德拯救了法国的酿酒业、制醋业，这次人们又把希望寄托于他。巴斯德的老师杜马也写信请巴斯德帮助他家乡的农民制止这场灾难。
巴斯德虽然从未接触过蚕，但他的信条是“帮助人类”。他带着显微镜来到南方蚕区，向农民们学习养蚕的知识，仔细观察蚕的生长过程，千方百计寻找蚕得病的原因。
巴斯德把病蚕碾成粉加水，取出一滴放在显微镜下观察，他看到在病蚕的体内有一粒粒椭圆形的棕色的微生物，而健康蚕体内却没有这种微生物。巴斯德还发现，健康的蚕如果吃了被病蚕粪便污染了的桑叶，也会传染上这种病。事情很清楚，正是这种微生物侵入蚕体使蚕生病的。
酒可以加热杀死其中的微生物，怎样消灭藏在蚕的身体内让蚕得病的微生物呢？巴斯德教给农民一个办法，那就是等雌蛾产完卵后，把雌蛾碾成粉，放在显微镜下观察，如果有细菌，就把雌蛾连同卵子一起烧掉，如果没有细菌，就把卵保存下来做种。
巴斯德奋斗了6年，终于制服了蚕病。
细菌能使蚕得病，那么人类的传染病又是怎样引起的呢？为什么人类得传染病时也是一批批地发病，得同一种病的人症状都差不多呢？巴斯德反复思考着这些问题，他提出人类的传染病也是这种肉眼看不见的微生物在作祟，细菌从有病组织转移到健康组织，健康组织也就会得病。
巴斯德公布了他的细菌致病理论。
其实，早在巴斯德之前，有一个维也纳医生泽梅尔魏斯也在寻找致病的原因，并向细菌发起了攻击，只不过他并不知道他进攻的就是细菌。
泽梅尔魏斯在一个妇产科医院当医生。当时医院中有许多产妇死于产褥热。奇怪的是，那些在家里生孩子，由不懂医术的助产婆帮助接生的产妇反倒很少得产褥热。
一次，医院里有一位医生，在解剖尸体时不小心割破了手指，结果得了很像产褥热的病症而死去。泽梅尔魏斯怀疑，是不是医生们在解剖尸体时，把尸毒带了出来，传染给了产妇们。
于是，他要求医生、护士进产房前必须用漂白粉水洗手。一年之内，他所在的产科病房产妇患产褥热的死亡率大大降低。
但是，泽梅尔魏斯的做法却激怒了他的同事们，他们认为让他们洗手是对他们莫大的侮辱，因为这意味着医生们是“杀人犯”。他们借口泽梅尔魏斯是匈牙利人把他赶出了这家奥地利的医院。后来，泽梅尔魏斯在一次手术中，手意外被割伤，不幸得了败血症而死亡。
巴斯德的细菌致病理论为泽梅尔魏斯开创的灭菌防腐法提供了科学依据，扫清了障碍。英国医生李斯特在巴斯德理论的启发下，首先用石碳酸给一位骨折病人的伤口消毒，过去像这样严重的伤口几乎都会化脓感染，这次病人却顺利地痊愈了。
在这次成功之后，李斯特要求医生们用石碳酸喷洒手术室、洗手和浸泡工具，手术的感染率大大降低了，许多病人被救活了。李斯特专门写了一封信给巴斯德，诚挚地感谢他指出了细菌腐败的真正原因，从而自己才找出了防腐的方法。
巴斯德本人也积极倡导消毒无菌法。1870年普法战争爆发，巴斯德是一位热忱的爱国者，他主动到医院工作，命令医生们用开水蒸煮所有的工具、纱布绷带，大大减少了战地感染，拯救了许多受伤士兵的性命。
缉拿杀人凶手
巴斯德指出了细菌是使人致命的凶手，但第一个拿到确切证据，证明一种病是由一种细菌引进，并捉拿到这个杀人凶手的是德国医生、现代细菌学的奠基人之一罗伯特·科赫。
科赫是一位矿工的儿子。他在哥廷根大学读书时，受到他的老师亨勒的影响，对微生物发生了兴趣。大学毕业后，科赫在边远的沃尔斯顿当了一名乡村医生。
巴斯德细菌致病理论的提出，李斯特的消毒灭菌法都进一步激发了他要探索细菌是怎样致病这个奥秘的决心。尽管行医非常繁忙辛苦，但他抓住一切可以利用的时间，在十分简陋的条例下，开展研究。深深理解他的妻子，在他30岁生日时，送给他一件珍贵的礼物——一台崭新的精密显微镜，从此这台显微镜就伴随着科赫，用它科赫做出了一个又一个重大的发现。
科赫在世界上首次以确凿的事实证明了炭疽菌是引起炭疽病的罪魁祸首。
当时，在欧洲的许多地区，牛羊中流行着一种可怕的炭疽病，昨天还活蹦乱跳的牛羊，第二天就直挺挺地倒下了，它们的血变成黑色。有时牛羊的主人也会传染上这种病，身上长出大疖子，严重的在一阵阵咳嗽声中死去。
科赫从农民那儿和屠宰厂找来许多患病的和健康的牛羊的血液，放在显微镜底下观察，他发现，患病的牛羊血液中有许多小棍状和线状的微生物，而健康牛羊则没有。
早在科赫之前，有好几位科学家，包括巴斯德都已经发现患炭疽病的牛羊体内有这种杆状和线状的细菌了，但怎样证明就是它们引起炭疽病的呢？
科赫找来一些小白鼠，把它们尾巴根部切开一个小口，然后用消毒过的木片蘸上一滴病死的牲畜的血液刮进切口。第二天，小鼠就可怜地死去了，它们的脾变得又黑又大。取一滴小鼠的血液在显微镜下观察，又可以看到那种可怕的杆状和线状细菌了。
但是科赫还不肯轻易下结论，他是一个极其严谨的科学家，“要证明这些细菌是炭疽病的病源，除非能把这种细菌分离出来，看到它们生长、繁殖、引起疾病。”他想。
为了防止其他杂菌混入，科赫巧妙地设计了两片贴得很紧、中间有凹槽的玻璃片，里边放了一滴牛眼分泌液做营养物质，取了一点刚死去的小鼠的脾放在液滴中。他把这个装置放在显微镜下观察，这些杆状细菌分裂成两半，成百万倍地繁殖着。
科赫从这个标本中取出一点点液体移到另一滴牛眼分泌液中继续培养，这样反复了8次，直到液滴中没有一点小鼠组织，完全是纯的炭疽菌为止。
科赫把这种体外培养的炭疽菌注射到羊、豚鼠、兔子等身上，结果它们都患炭疽病死去。
现在，科赫可以做结论了，正是炭疽菌引起了炭疽病。他激动地写信把他的发现报告给著名的植物学家柯恩。
1876年4月30日，应柯恩邀请，这位乡村医生坐火车专程到布雷斯劳，在植物学会上连续3天演示了他的实验。他的实验是那样完美无缺，轰动了整个科学界。
要证明一种细菌引起一种病，必须获得单一的这种细菌。从巴斯德开始，人们就是用肉汤来培养细菌，各种各样的菌混在一起，要把它们分开非常困难。怎样才能方便地获得纯种细菌呢？科赫日夜思索着这个问题。
一天早上，科赫来到厨房，无意中发现一个煮熟的土豆，上边长出了一些红色和白色的斑点，作为细菌学家的科赫马上想到，这是细菌落在上边了，可是为什么这些斑点的颜色不一样呢？他用一根针挑了一点斑点上的物质放在显微镜下观察，发现原来一种颜色的斑点上全是一种细菌，另一种颜色的斑点上又全是另一种细菌，也就是说在固体上，细菌不能自由移动了，这一发现使科赫惊喜万分。
不过土豆的营养太少了，好多细菌不能在上边生长繁殖。经过反复实验，科赫终于发明了用肉汤加洋菜做成的半固体胶状的培养基，用针尖把一个细菌挑在这种培养基上，很快就会繁殖出一个纯的菌落。
科赫还首先采用染色法给细菌染色，以观察细菌的形态，他还为显微镜下的细菌拍照，这些方法为人们捉拿“杀人凶手”提供了有力武器，致病的细菌一个个被分离出来，在显微镜下显出原形。
在追捕“杀人凶手”中，科赫一马当先。1882年，他发现了结核杆菌，揭开了这个曾夺去千百万人性命，在过去被人们视为不治之症的奥秘。
1883年～1884年，他冒着生命危险到埃及和印度疫区考察霍乱，发现了霍乱弧菌，并向人们提出了控制这种疾病的建议。
科赫还不畏艰险，到南非帮助消灭口蹄疫，到印度考察鼠疫，到马来群岛、新几内亚考察预防疟疾，到东非研究扁虱引起的回归热、采采蝇引起的昏睡病等，他的一生都在不倦地与危害人类的疾病作斗争。
1905年，科赫因在病原学研究中为人类作出的伟大贡献获得了诺贝尔生理学和医学奖。这位科学家却谦虚地说：“如果我的成绩真的比一般情况略大的话，那是因为我在医学领域漫游时，遇到了一些地区，这些地区金子都放在路边。显然将金子与普通金属分开是必要的，但那也不是什么伟大的成就。”
在科赫之后，更多的细菌被人们一一发现了，1884年发现白喉杆菌，1886年发现肺炎球菌，1887年发现脑膜炎球菌，1894年发现鼠疫菌……人们不仅把一个个引起传染病的“杀人凶手”缉拿归案，而且还发明了一个比一个更有效地杀灭这些细菌的办法。1909年，德国医生艾立希发明了可以杀死螺旋体的药物606。1935年，德国化学家杜马克发明了杀伤力更强的百浪多息，这也就是世界上第一个被发现的磺胺药物，当时被人们称作是万应灵药，不久，磺胺又被新的效力更大的广谱杀菌药青霉素所代替。艾立希、杜马克还有发现青霉素的弗莱明以及弗洛里、钱恩都获得了诺贝尔奖。
比细菌还小的病毒
有了磺胺、青霉素等“魔弹”，许多烈性传染病被控制住了。但是，人们也发现，这些万应灵药在某些传染病前却不那么灵，这是为什么呢？
巴斯德、科赫都指出，一种传染病是由一种细菌引起的，可是有的传染病，人们用显微镜怎么也找不出它们的病原菌来，难道是这些病原体小到连显微镜也看不到吗？
巴斯德在研究狂犬病时就对此发生怀疑了，他能够把狂犬病从一个动物体转移到另一个动物体，而且制出了能预防狂犬病的疫苗，可却始终没有发现这种微生物，巴斯德当时就猜想，可能是这种病菌太小了，小到没法看见。
巴斯德猜对了。引起狂犬病的是比细菌还要小得多的病毒。在世界上第一个发现病毒的，是俄国植物学家、病毒学的创始人之一伊凡诺夫斯基。他不是在研究人类疾病，而是在研究植物的疾病时发现病毒的。
1892年，在俄国成片成片的烟草田间，一种奇怪的病在蔓延着。得病的烟叶上出现白色的疮斑，它们越来越多，最后整个烟草枯萎腐烂，这就是烟草花叶病。
年轻的植物学家伊凡诺夫斯基来到农田，决心查清烟草花叶病的病因。
他把患病的烟叶捣碎，把汁液滴到健康的烟叶上，结果健康的烟叶也被传染上了这种病，显然，引起这种病的病原体就在烟叶里。他把烟叶汁放在显微镜下观察，希望找到引起疾病的细菌，却什么也没找到。
为了逮住这些细菌，伊凡诺夫斯基又想了一个办法，他用一个非常精细的陶瓷过滤器来过滤烟草汁液，这个陶瓷过滤器的滤孔小到连显微镜也看不见，比细菌还小，如果有细菌的话，细菌将被留在过滤器上，滤液应当不会再使烟草害病了。
奇怪的是，当他把这些滤液涂在健康的烟叶上，不久，健康的烟叶又害病了。
“会不会是某种毒素呢？毒素溶解在烟草汁中，是可以通过过滤器的。”伊凡诺夫斯基想。
为了证实这一想法，他把这棵被滤液染上花叶病的烟草捣成浆，让浆液通过过滤器，然后把滤液滴在一棵没患病的烟叶上，结果与前次一样，这棵烟草也害病了，用同样的方法，他把第二株烟草的病传染给第三株，第三株的病传给第四株……如果是毒素引起的疾病，那么把毒素从一株接种到另一株，应该是作用越来越小，可是现在每一株的情况都与原来一样，伊凡诺夫斯基断定：“这决不是没有生命的毒素引起的，而是一种比细菌还要小，可以通过过滤器的微生物！”
1897年，荷兰科学家贝查克林重复了伊凡诺夫斯基的实验，他把这种可以通过过滤器的微生物叫滤过性病毒，现在，我们通常都称之为病毒。
人们发现，许多疾病，包括麻疹、腮腺炎、水痘、流感、天花、狂犬病等都是由病毒引起的。到1931年，人们发现由病毒造成的病已不下40种，可是病毒究竟是什么样的，还是没有人看到过。
1935年，美国生物化学家斯坦利从患烟草花叶病的烟叶汁中分离提纯到了烟草花叶病的结晶，把这种结晶溶在水中，它的感染性完全和以前一样。这是人们第一次得到了纯病毒。
而真正看到病毒的真面目，是在1940年，人们发现了能把物体放大几万到几十万倍的电子显微镜之后。
原来病毒是那样小，呈细棒状的烟草花叶病毒长只有0.28微米，粗细只有0.015微米，脊髓灰质炎、黄热病、口蹄疫病毒，直径为0.025到0.02微米，一个普通细菌中可以容纳下4万个这样小的病毒。
正因为病毒这样小，所以整个身体连一个完整细胞也构不成，它们的结构非常简单，多数只有一个核酸的芯子，外边包着一层蛋白质外壳。它们的体内几乎没有自己的代谢机器，必须寄生在别的活细胞中，靠那个细胞供应原料，才能进行自我复制。这也就是为什么许多对细菌有效的药物，对病毒却不灵了的原因，因为很难找到一种药物，既能杀死病毒，又不伤害寄生细胞。
人们发现的病毒已有400多种，凡是有生物的地方，几乎就有病毒，它们可以传染动物、植物，还可以传染细菌。传染细菌的病毒就叫噬菌体。
病毒还不是最小的微生物。1971年，人们又发现了类病毒，类病毒还不到已知的最小的病毒的1／80，它的结构更简单，连蛋白质外壳都没有，只由核酸组成。
通过300多年许许多多科学家的奋斗，人们终于揭开了这个肉眼看不见的微生物王国的秘密。人们不仅发明了各种药物、疫苗，征服了由微生物制造的形形色色的传染病，而且还让它们服服贴贴为人类服务，除了利用自然界存在的微生物工作外，人们还用遗传工程的方法，制造出符合人类要求的人造微生物，让它们为人类生产宝贵的药品、食物、金属等，微生物正在人类生活中发挥着越来越大的作用。
七、基因的发现
种瓜得瓜，种豆得豆。为什么动物、植物能一代代生生不息繁衍下去？为什么子女长得像父母？现在人们已经搞清了，这一切全是由于细胞内染色体上的小小基因所决定的。
基因是怎样被发现的呢？遗传的奥秘是怎样被揭开的？事情还要从一百多年以前奥地利一个偏僻城市修道院的神父的豌豆实验说起。
孟德尔豌豆实验
1900年，在欧洲的三个不同国家里有三位科学家——荷兰植物学家德弗利斯、德国植物学家科伦斯、奥地利植物学家切尔马克，在总结了他们各自所做的杂交实验后，几乎是同时发现了植物杂交的规律。更巧的是，当他们准备发表自己的论文，去查阅以前的文献资料时，又不约而同的发现，他们的实验结果，与35年前一个叫格里戈尔·约翰·孟德尔的奥地利生物学家的实验结果相同。他们三个人在发表论文时，又做出了同样的选择，把发现的荣誉归于孟德尔，称自己的工作是证实了孟德尔发现的植物杂交的遗传规律。
这件事轰动了科坛，从此，这个被埋没了35年的重大发现才引起了人们的重视。
孟德尔1822年生于奥地利一个贫苦农民的家庭。他从小聪明好学，功课优秀，而且特别爱好园艺。可是由于家庭贫困，交不起学费，他不得不中途辍学，16岁就开始自谋生路。后来，他进入了布尔诺修道院，成了一名神父。1850年，在朋友的资助下，他终于有机会进入著名的维也纳大学深造。从小爱好园艺学的孟德尔，仍然是对植物学最感兴趣，参加了维也纳植物学会。回到布尔诺后，他在一所中学任教，教植物学和数学，同时开始了他的著名的豌豆杂交实验。
早在18世纪中叶，科学家们就开始进行植物的各种杂交实验了，不过那时主要是围绕杂交能否产生新种进行的。随着进化论的确立，这个问题解决了。但是杂种后代的性状为何有遗传又有变异？生物的遗传是否有规律可循？这些问题却无人知晓。孟德尔进行杂交实验，就是想探究其中的规律。
每一种生物有那样多的遗传性状，杂交后传给后代，这些性状的变化更是让人眼花缭乱，如何才能发现其中的规律呢？孟德尔总结了前人的经验和教训，那就是只有找到具有明显、易观察性状的生物做实验材料，才有可能获得成功。为此，他在修道院一块荒地上种了豌豆、菜豆、草莓等植物，还饲养了蜜蜂、小鼠等动物，经过反复比较，他发现豌豆正是他要寻找的理想材料。
孟德尔挑选了22个性状稳定的豌豆品种，让成对性状不同的豌豆杂交：如高茎与矮茎豌豆杂交，红花与白花豌豆杂交……从春到秋，年复一年，他穿梭在豌豆花丛中，精心地进行着各种杂交实验，仔细观察和记录杂种后代的特点。8年中，他一共栽培了5千多株豌豆。
孟德尔不仅是一位出色的植物学家，而且擅长统计学方法。这二者的结合使他很快从独特的角度发现了前人所未能发现的规律。例如，他发现，当高茎豌豆与矮茎豌豆杂交时，所产生的后代全都是高茎的，而让这些后代相互交配培育出来的杂种第二代，高茎与矮茎的比例总是3∶1。其他性状的遗传也符合这一规律。
根据这一实验结果，孟德尔提出植物的每一个性状都是由一对遗传因子控制的，其中一个来自父本，一个来自母本。当形成种细胞也即精子或卵子时，成双的遗传因子分离。当精卵结合，形成新的后代时，又从双亲那里获得控制这个性状的两个遗传因子，这就是分离定律。
孟德尔还提出遗传因子有显性遗传因子和隐性遗传因子。例如代表高茎的遗传因子是显性的，代表矮茎的遗传因子是隐性的，因此杂交产生的第一代后代，全都是高茎的。而它们相互交配生成的杂种第二代中，代表茎高矮的这对遗传因子有四种可能的结合方式：高茎与高茎、高茎与矮茎、矮茎与高茎、矮茎与矮茎，其中前三种结合方式表现出来的都是高茎，只有第四种情况才表现为矮茎，因此高茎与矮茎之比总是3∶1。
孟德尔又进一步研究了两对或多对遗传性状在后代中出现的情况，发现各种遗传因子自由结合的机会均等，总结出了自由组合定律。
1865年2月8日，布尔诺自然科学研究会召开例会，身穿黑色修士长袍的孟德尔走上讲坛，报告了他发现的遗传规律。然而他只赢得了台下有礼貌的掌声，既没人反对，也没人赞同。看来他的理论超出了人们的接受水平。
孟德尔的论文被登在布尔诺自然研究会会刊上，这个会刊与全世界120多个研究机构和高校有交换关系，于是，孟德尔的论文随之被送到了世界各地。不幸的是，它仍然没有遇到一个知音，而被放在书架上，蒙上了一层厚厚的灰尘。
只有孟德尔坚信他的发现与进化论一样有巨大意义，他对他的一位朋友说：“我的时代一定会到来。”
这一天终于来到了，这就是文章一开始讲的那个故事。
孟德尔的发现完全可以与他同时代的达尔文的进化论相媲美，他为现代遗传学奠定了第一块基石。
从遗传因子到基因
孟德尔的遗传定律重新被发现之后，人们自然而然提出了这样的问题：究竟有没有遗传因子这种物质？有的话，它存在于生物体的什么地方？是由什么组成的？细胞学的发展，使人们把遗传因子和染色体挂上了钩。
就在孟德尔的那个时代，借助显微镜的帮助，生物学家们已经发现了细胞，还有细胞的分裂现象。
1879年，德国生物学家弗莱明发现，用苯胺染料可以把细胞核里一种物质染成深色，这种物质被称为染色质，后来人们给它起名为染色体。1882年，弗莱明观察到，当细胞分裂时，染色体聚集成丝状，分成数目相等的两半，并形成两个细胞核。
假如当时孟德尔的研究成果能够出名的话，弗莱明及其继承者很可能会发现染色体与遗传因子有关。可惜当时孟德尔的发现没能引起人们的重视。直到20世纪初，孟德尔的定律重新被发现之后，人们才把染色体与遗传因子联系在一起。
那时，许多生物学家已经注意到，每种生物都有特定数目的染色体，在细胞分裂时，染色体能准确无误地自我复制，人们自然而然想到染色体很可能与遗传的奥秘有关。
1902年，美国哥伦比亚大学著名细胞学家威尔逊的研究生萨顿发现，在显微镜底下看到的染色体的分离与组合行为，与孟德尔遗传定律中的分离组合行为有着惊人的一致。在体细胞中，染色体像遗传因子一样也都是成对存在的。而在精子、卵子中，染色体数目只有体细胞染色体数目的一半。精卵结合，形成受精卵后，染色体又恢复到原来的数目，每对染色体，一半来自父本，一半来自母本。萨顿因此大胆提出，遗传因子就在染色体上。由于染色体的对数远小于遗传特征的数目，因此，他预料一个染色体上可以有好几个遗传因子。
1909年，荷兰遗传学家提出用基因这个术语来代替遗传因子，基因这个词就被生物界沿用下来了。
摩尔根的基因论
萨顿的假说一提出，立即遭到科学界绝大多数人的非议，因为它毕竟是推理，缺乏实验的根据，而当时生物学刚刚从以描述和推理的研究方法为主转入以精确实验为主的阶段。用实验证实染色体与基因关系的是美国生物学家摩尔根，而他一开始也是萨顿和孟德尔学说的怀疑者。
摩尔根的家世与孟德尔相反，他于1866年出生在美国肯塔基州一个名门望族的家庭，从小就受到良好的教育。
1886年，摩尔根考入霍普金斯大学研究院当研究生。他的老师布鲁克斯是一位形态学家，但很有哲学头脑，经常给学生们讲述生物各分支学科的关系，指出遗传学等学科中还有许多尚待研究的问题，对摩尔根的启示很大。摩尔根渐渐对形态学的比较和描述的研究方法感到不满，他更偏爱实验研究。1894年，摩尔根到意大利那不勒斯动物园工作了十多个月。这里汇集了各种学术流派，摩尔根学到了许多有益的东西。回国后，他开始用实验方法代替了过去的比较、描述方法。
1908年，摩尔根开始进行果蝇实验。不过，他并不是为了研究遗传因子，而是对荷兰生物学家德弗里斯提出了突变论感兴趣。德弗里斯证实了植物遗传性状的突变，但还没有研究动物遗传性状的突变。
果蝇是一种苍蝇是类的小昆虫，但比苍蝇小得多。你要是注意观察的话，会发现，夏天它们常常聚集在水果摊上觅食。人们发现，果蝇是进行遗传学研究的理想实验材料，它繁殖快，大约2周就可以生长一代，这样，人们在短时间内就可以观察到它许多世代的遗传情况，更重要的是果蝇只有4对染色体，便于观察研究。
摩尔根的“果蝇遗传实验室”设备很简单，几张旧桌子上摆着几千只培育果蝇的瓶子。有一次，摩尔根偶然发现，在一个培养瓶中出现了一只白眼雄性果蝇，而普通的果蝇都是红眼睛的。这引起了他的好奇心。
摩尔根让白眼雄蝇与红眼雌绳交配，结果生出来的全都是红眼睛的果蝇。他又让这些红眼果蝇相互交配，生出的后代中，又出现了白眼果蝇，而且红眼蝇与白眼蝇的比例总是3∶1，完全符合孟德尔的遗传定律。
事实使摩尔根不得不对孟德尔的学说刮目相看，他从一个对孟德尔学说持怀疑态度的人，变成了一个热衷于孟德尔学说的人。
在果蝇实验中，摩尔根还发现了一个令人奇怪的现象，那就是几乎所有的白眼果蝇都是雄性的，也即白眼的遗传特征总是伴随着雄性个体遗传，这究竟是什么原因呢？摩尔根抓住这一现象穷追不舍，终于用基因和染色体遗传学说成功地解释了伴性遗传现象。
原来，果蝇的4对染色体中，有一对是决定雌雄性别的性染色体，雌果蝇的两条性染色体形态一样，叫XX染色体，雄果蝇的两条性染色体形态不一样，一大一小，叫XY染色体。白眼基因就载在X染色体上，Y染色体上没有它的等位基因。当雌雄果蝇交配时，红眼基因与白眼基因组合在一起时，总是表现为红眼，因为红眼基因是显性基因。在子二代中，只有当载有白眼基因的X染色体与Y染色体结合时，由于Y染色体没有它的等位基因，才会表现出白眼来，而X和Y染色体结合，出来的都是雄果蝇。
摩尔根和他的学生发现，还有一些遗传性状也像这样总是在一起遗传，他们把这种现象叫做基因连锁。而基因连锁群的数目，恰恰与染色体的数目相同。如果蝇有4对染色体，它的基因连锁群正好有4个。这就表明，这些基因位于同一条染色体上，就像坐在同一辆车上的旅客总是一起旅行一样，几个基因位于同一染色体上时，它们决定的性状总是一起遗传，只有位于不同染色体上的基因才可以自由结合，这就是摩尔根发现的基因连锁定律。
摩尔根是一位具有民主作风的科学家。他招收了几个热情、有才华的大学生到他的实验室工作，果蝇室充满了民主的学术空气，从而使新思想、新成果不断出现。摩尔根的学生斯特蒂文特发现，基因连锁群并不是铁板一块，有时也会被打乱，这是因为精卵结合时，染色体可能会发生断裂和部分交换，两个基因在染色体上的距离越远，交换的频率也就越大。这就是遗传学的交换定律。根据遗传特性的相互关系和不同基因的交换率，可以推断出各种基因在染色体上的排列位置。据此，他们成功地绘出了果蝇的基因排列图。这也是世界上第一张基因在染色体上的排列图。
1915年，摩尔根和他的学生出版了《孟德尔遗传的原理》，1919年出版了《遗传的物质基础》，1926年出版了《基因论》。
由于摩尔根首次用实验揭示了基因与染色体的关系，建立了比较系统的染色体和基因理论，大大丰富和发展了孟德尔开创的现代遗传学，他于1933年获得诺贝尔生理学和医学奖。
基因之谜
摩尔根虽然证明了染色体是基因的载体，然而染色体究竟是由什么物质组成的？基因的化学构成是什么？基因何以能传递遗传信息？仍然是一个谜。
正像物理学家和化学家们假设了看不见的原子和电子一样，生物学家们也假设了看不见的基因。随着科学技术的发展，物理学家和化学家找到了原子、电子，生物学经过前赴后继的努力，也找到了基因的实体，那就是脱氧核糖核酸。
核酸是怎样发现的呢？
1869年，瑞士化学家米歇尔从脓细胞中分离出一种含有氮和磷的物质，这种物质的性质完全不同于蛋白质。由于细胞核主要是由这种物质组成的，因此，他称之为核素。后来，人们发现这种物质是一种强酸，就改称为核酸。
德国生化学家科塞尔第一个系统地研究了核酸的分子结构，发现了核酸中有四种不同的碱基，还有磷酸与戊糖。他的学生列文和琼斯又进一步发现，戊糖有脱氧核糖和核糖两种，两者在结构上仅差一个氧原子，据此，将核酸分为两大类：脱氧核糖核酸和核糖核酸，即DNA和RNA。
虽然人们发现细胞核主要是由核酸组成的，但是，当时人们都误认为核酸是由四种核苷酸组成的单调均匀的大分子，因此，许多生物学家不相信核酸会是千变万化的基因的载体，而把目光投向了细胞中的另一种物质——蛋白质。
蛋白质的发现比核酸还要早30年。由于蛋白质像鸡蛋清一样一加热就会凝固，因此人们给它起名为蛋白质。蛋白质是由氨基酸组成的。
20世纪以来，人们发现的蛋白质的种类越来越多，功能也越来越广泛，起免疫作用的球蛋白，具有形形色色的生理作用的激素等都是蛋白质。因此，许多科学家猜想它很可能是遗传信息的载体，以致核酸反而遭到冷落。
那么，人们是怎样发现DNA是遗传物质呢？是细菌的转化实验为人们提供了证据。
1928年，英国细菌学家格里菲斯用肺炎双球菌对小鼠做感染实验。肺炎双球菌有两种，一种是有毒型，可以使动物患肺炎死亡，它的细胞外边有外膜；另一种是无毒型，不会引起动物患病，它的细胞外边没有外膜。
格里菲斯把有毒的肺炎双球菌加热杀死后，注射到小鼠体内，小鼠不再患病。可是当他把加热杀死后的有毒菌和活的无毒菌混合后注射到小鼠体内时，这些小鼠全都患病死亡了，而且在小鼠体内发现了活的有毒菌。
实验的结果简直让人不可思议，有毒的肺炎双球菌是从哪里来的呢？难道他们会死而复生？格里菲斯提出，死去的有毒菌中有一种转化因子，它们可以使无毒菌转化为有毒菌。
美国洛克菲勒研究所的细菌学家艾弗里敏锐地意识到格里菲斯工作的重要性。他和他的两个同事立即着手捕捉神秘的转化因子。他们把有毒的肺炎双球菌加热杀死，从其中提出蛋白质片段，放入无毒菌的培养液中，结果不起任何作用；相反，当把其中的蛋白质、糖类都除去后，剩余的物质仍有转化作用，这个剩余物质经过纯化后证明，它们就是DNA。DNA不仅可以使无毒菌转化成有毒菌，而且转化生成的有毒菌还可以一代代复制下去。这就表明，DNA是遗传信息的携带者，基因就在DNA上。
艾弗里的工作发表后，遭到了许多科学家的反对，他们不相信DNA能成为遗传信息的载体，怀疑艾弗里的实验手段不够严密，将少量的蛋白质带了进来，而恰恰就是这少量的蛋白质起了遗传作用。艾弗里本人也没能顶住传统观念的压力，只做出“DNA是个别细菌类型中特殊遗传性的携带者”的结论，并说：“可能不是核酸的自有性质，而是由于微量的附着于核酸上的其他物质起了遗传信息的作用。”
来自物理学的冲击
基因的奥秘最终被揭开，是物理学家、化学家、生物学家几路大军协同攻关的结果。
30年代，物理学正经历着一场革命——量子力学创立了。作为量子力学的旗手，著名的物理学家尼尔斯·玻尔把世界上一大批杰出的学者吸引到了丹麦的哥本哈根，他们不仅讨论物理问题，有时也涉及生物学问题，试图用刚问世的量子力学来解释基因突变等问题。
1932年，在哥本哈根举行的国际光疗会议上，玻尔作了《光和生命》的著名演讲。他有关物理学规律与生物学规律互补的哲学思想深深打动了一位年轻的物理学家，他就是德尔布吕克。
德尔布吕克1906年出生于德国柏林，大学时攻读的是原子物理学，曾担任过著名物理学家迈特纳的助手，并在玻尔实验室工作过。他被神秘的基因所吸引，深感这是解开生命奥秘的一把钥匙。因此，他决定放弃原子物理学研究，转向生物学研究。
1937年，德尔布吕克来到美国加利福尼亚工学院摩尔根的研究基地果蝇实验室，从事遗传学核心问题——基因复制的研究。那时一些生物学家已开始用大肠杆菌、噬菌体代替果蝇进行遗传学研究。这立即引起了他的重视。
噬菌体是一种病毒，比细菌小得多，它能够侵入细菌，在20分钟内就繁殖出数百个后代，致细菌于死地，因此人们叫他噬菌体。噬菌体的结构非常简单，只有一个蛋白质外壳，里边包着DNA，可以说是一个包着蛋白质外壳的自由基因组，因此是研究基因和遗传信息传递的最好材料。
德尔布吕克与从意大利来到美国的生物学家卢里亚、美国生物学家赫尔希建立了闻名世界的噬菌体研究小组。他们每年夏天都要在纽约附近的冷泉港举办“噬菌体”暑期讲习班，团结和培养了一批年轻有为的科学家，被人们称为遗传信息学派。他们应用噬菌体技术，进行了许多出色的工作，其中最重要的工作之一，就是确凿无疑地证明了DNA是基因的化学实体。
实验是由赫尔希和他的学生蔡斯做的。他们巧妙地应用同位素标记技术，使噬菌体内的DNA标记上放射性同位素磷，使噬菌体的蛋白质膜标记上放射性同位素硫，然而观察放射性磷和放射性硫的行踪，这样也就可以知道DNA和蛋白质的行踪了。
他们让标记过的噬菌体去感染大肠杆菌，结果发现，噬菌体在进入大肠杆菌时，先来了个金蝉脱壳，把蛋白质外壳留在了大肠杆菌的外边，只有DNA分子进入大肠杆菌，而正是这个DNA分子，在大肠杆菌中繁殖出许多新的噬菌体。这就清楚地表明了，噬菌体的遗传物质是在DNA上，它不仅包括了DNA自我复制的信息，而且还包括指导外壳蛋白合成的信息。
这个实验一公布，立即得到了人们的公认。一旦认定了DNA的作用，一场全力以赴搞清DNA的结构，揭示遗传之谜的竞赛就在世界上许多个实验室中激烈地开展起来了。
德尔布吕克、卢里亚、赫尔希因从事噬菌体研究，对创立分子生物学作出的贡献，1969年共获诺贝尔生理学或医学奖。
在谈到物理学家对生物学的影响时，还必须提到的另一位科学家就是量子力学的创始人之一薛定谔。他在1944年出版了著名的《生命是什么》一书，提出染色体是由化学成分相同而结构不同的单体组成的。单体严格、精确排列，构成了遗传密码，就像莫尔斯的电报用点和线（·—）排列，构成大量信息一样。这本书启发了人们用全新的物理思想和方法来研究生物学，吸引了一大批有才华的年轻物理学家转向生物学研究，叩开了分子生物的大门。
发现DNA双螺旋结构既然DNA是遗传的关键物质，那么它一定有复杂的结构，以一定方式携带各种遗传密码，并使它们能一代代传递下去。
怎样才能知道DNA的分子结构呢？用光学显微镜可以看到细胞以及细胞中的染色体。可是要观察分子结构，光学显微镜就无能为力了。科学家们搬来了新武器，那就是X射线衍射技术。
X射线衍射技术是1912年由英国物理学家布拉格父子开创的。X射线的波长很短，和晶体内原子（或分子）间的距离相近。因此，当一束X光通过晶体时就会发生衍射，射线的强度在某些方向上加强，某些方向上减弱。分析这种衍射图样，就可以确定晶体内部原子间的排列和距离。
小布拉格的学生阿斯特伯里首先用X射线衍射法来测定核酸和蛋白质的结构。尽管他们拍出的照片质量不高，但是已经可以看出，核酸和蛋白质都是折叠的卷曲的长纤维。
50年代初，随着对DNA作用认识的深入，更多的科学家投入了对核酸结构的研究。其中有三个著名的小组，一个是英国皇家学院的晶体衍射专家维尔金斯和年轻的女科学家弗兰克林。
他们制成了高度定向DNA纤维，拍摄到了非常清晰的DNA X射线衍射照片。正是这张照片为DNA双螺旋结构的发现提供了极其重要的依据。
另一个是美国加州工学院著名的结构化学家鲍林。在此之前，他已经建立了蛋白质以肽链为骨架的α螺旋结构，他对DNA结构提出了三链模型。
而最后捷足先登，发现DNA双螺旋结构的是在英国卡文迪什实验室工作的美国年轻生物学家沃森和英国物理学家克里克。
沃森1928年出生于美国芝加哥，大学时在美国芝加哥大学学习动物学，后获博士学位。还在学生时代，他就被薛定谔的《生命是什么》一书迷住了，这本书决定了他一生的道路，那就是揭开生命之谜。
大学毕业后，他来到著名的遗传信息学派卢里亚的研究所，专门进行噬菌体研究。1951年，23岁的年轻有为的沃森被派到英国剑桥大学卡文迪什实验室深造。
在卡文迪什，沃森遇到了英国伦敦大学毕业的物理学家克里克。克里克比沃森年长12岁，他也是被薛定谔的《生命是什么》一书打动，转向生物学研究的。他曾和著名的结构派佩鲁茨等人一起从事过血红蛋白的X射线结晶学研究，在研究X射线衍射照片方面有很高的造诣。
沃森与克里克一见如故，他们发现彼此都对基因分子感兴趣。一个生物学家，一个物理学家，一个遗传信息学派，一个结构学派，组成了理想的搭档，开始了揭开基因奥秘这一生物学史上激动人心的合作。
当时的DNA射线衍射照片表明，DNA很可能具有螺旋形几何形状。沃森和克里克先建立了一个三链的模型，但很快就被指出是错误的。由于没有清晰的高质量照片做实验依据，他们的研究进展甚微。
1953年2月，当沃森参观皇家学院实验室时，看到了威尔金斯和弗兰克林拍摄到的那张非常出色的DNA的照片。威尔金斯小组认为照片排除了双链的可能性，可是照片中央那小小十字架图样却牢牢吸引住了沃森，他敏锐地意识到，DNA分子很可能是双链结构。
他和克里克立即投入了建立双链模型的研究。沃森后来这样形容他们这一点的工作：兴趣盎然、个人摩擦、令人沮丧的失败和突如其来的灵感交错在一起。
他们建立的双螺旋结构是以核苷酸中的糖和磷酸为骨架，碱基两两相联夹于螺旋链之间。DNA有4种碱基：腺嘌呤（A）、脑腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C），起先他们让相同的碱基配对，如A基与A基配对，T基与T基配对。但是这种对称式配对方式却使两条链发生扭曲。
正当他们伤脑筋时，美国生化学家查哥夫对DNA的研究成果给了他们很大帮助。查哥夫发现，在他分析的每个DNA标本中，A和T的数目相等，G和C的数目相等，而A、T与G、C的比例则随生物物种的不同而变化。
经过深入研究思考，沃森和克里克终于找到了答案，那就是让A基和T基配对，G基和C基配对，DNA的双螺旋结构被发现了！
其实，当时已接近发现DNA双螺旋结构的不止沃森和克里克。鲍林由于陷入了三迭链的错误设想中而功亏一匮，威尔金斯和弗兰克林又没有能跳出蛋白质的单螺旋结构而错失良机。年轻的沃森和克里克既没有鲍林那样丰富的学识和经验，又没有像威尔金斯和弗兰克林首先掌握了第一手资料，他们为什么能战胜对手，捷足先登呢？这不仅仅是因为他们个人的智慧和想象力，两个人知识互补、相互配合，而且因为他们善于博采众长，集思广益，他们吸收了鲍林提出的氢键结合概念，从查哥夫那里知道了正确的碱基比，接受了同办公室化学家多诺休对他们模型提出的意见，争取到了数学家格里费思的帮助……正是在众人工作的基础上，最后才别出心裁地提出碱基互补的DNA双螺旋模型。不难看出，揭开基因奥秘并非一二个科学家的功劳，而是众多科学家众擎齐举的结果。
沃森和克里克的研究结果与威尔金斯小组提供的X射线衍射照片，一起发表于1953年4月份的英国《自然》杂志上。由于这一成就，沃森、克里克、威尔金斯三人共同获得了1962年的诺贝尔生理学或医学奖。
DNA双螺旋结构的发现被认为是20世纪最伟大的发现之一。
它使人们对千百年来迷惑不解的遗传之谜有了本质的了解，解释了生命为什么能一代又一代自我复制。
就在DNA双螺旋问世不久，遗传密码也被破译了。每三个碱基组成一个密码，这样一共有64个密码子，其中61个密码子与组成蛋白质的20种氨基酸相关，其余3个密码子则在制造某种氨基酸中起起动、停止等“标点符号”的作用。
UCACU苯丙氨酸丝氨酸酪氨酸〖〗半胱氨酸U苯丙氨酸丝氨酸酪氨酸半胱氨酸C亮氨酸丝氨酸终止号终止号A亮氨酸丝氨酸终止号色氨酸GC亮氨酸脯氨酸组氨酸精氨酸U亮氨酸脯氨酸组氨酸精氨酸C亮氨酸脯氨酸谷氨酰胺精氨酸A亮氨酸脯氨酸谷氨酰胺精氨酸GA异亮氨酸苏氨酸天门冬酰氨丝氨酸U异亮氨酸苏氨酸天门冬酰氨丝氨酸C异亮氨酸苏氨酸赖氨酸精氨酸A甲硫氨酸苏氨酸赖氨酸精氨酸GG缬氨酸丙氨酸天门冬氨酸甘氨酸〖〗U缬氨酸丙氨酸天门冬氨酸甘氨酸C缬氨酸丙氨酸谷氨酸甘氨酸A缬氨酸丙氨酸谷氨酸甘氨酸GDNA双螺旋结构的发现，还使人们对种种生命现象有了更深刻的认识。各种先天性遗传病，就是由于基因的异常引起的，而癌症的发生则与基因的变异、调控失灵有关……由于DNA双螺旋结构的发现，还导致了一门新的学科——遗传工程的诞生。人们可以把一个物种的遗传基因转移到另一个物种中，从而创造新的物种；还可以用正常的基因来代替修补缺损的基因等。这不仅在生物学研究中有重要意义，而且在农业、医学、环保、资源利用、发展新一代生物计算机等方面有着广阔的应用前景。
DNA双螺旋结构的发现带来了分子生物学的突飞猛进，它深刻地影响到人类生活的方方面面，使人们迎来了一个新的时代，那就是分子生物学称雄的时代。
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