科学方法/生物学中的历史实验
在列文虎克之前,很少有人想到可能存在微小的生物。部分原因是当时大多数显微镜不够强大,无法看到它们,尽管它们确实存在 [1]。然而,列文虎克非常擅长制作这种强大的显微镜,并在池塘水中观察到了原生动物 [2]。
他不但观察了它们,还能够推断它们是活着的,因为它们是运动的,只有活的有机体才能够靠自己的力量移动。列文虎克的推断以及他运用科技探索新途径的创造性思维,促使人们认识到细胞是生命的基本组成部分,这对生物学的研究和知识产生了深远的影响。如果没有显微镜,我们不可能看到像飞机和海龟之类的东西,那么我们该怎么办呢?
在路易·巴斯德和其他科学家证明它们是错误的之前,科学界的主流观点是,生物体是从非生物体自发产生的。对于列文虎克发现的“细胞”来说,这一点尤其明显,因为细胞相对简单,因此,它们从周围环境中自然产生似乎合乎逻辑 [3]。另一位名叫 拉扎罗·斯帕兰扎尼 的科学家之前已经证明,许多细菌(尽管并非所有细菌)都会被煮沸杀死,而且如果密封起来,它们就不会在容器中再生 [4]。然而,同时代的人拒绝否认自然发生论,他们说,由于生物体是自发地从空气中产生的,因此将容器密封起来使得拉扎罗的假设无效。
巴斯德通过设计一项实验解决了这个问题。他设计了一种叫做鹅颈瓶的装置,在这种装置中,无菌液体暴露在空气中,但细菌无法到达它。细菌和它们生存的尘埃被困在鹅颈中,无菌空气到达液体。由于液体没有被细菌污染,巴斯德证明细菌不会自发地从空气中产生。这导致了自然发生论的消亡,并促使人们进一步研究细菌是如何繁殖的。这些研究非常重要,因为它们让人们了解了包括 青霉素 在内的许多抗生素的作用机理。
在像巴斯德和科赫这样的科学家出现并证明他们错误之前,许多科学家对疾病的本质抱有错误的看法。其中一种观点是,传染性细菌是在人体内由于疾病而自发产生的 [5] 。虽然巴斯德证明了自然发生在空气中是不可能的,但科赫设计了一种方案,可以对人类(和动物)疾病的病因进行实验测试。
他的方案围绕着一个概念展开,即如果一个人能够证明一种生物体存在于所有疾病病例中,并且能够证明没有外部因素导致这种疾病,那么这种生物体就必须是导致这种疾病的病原体。为了使实验更加严谨,科赫需要一个控制方案,因此他设计了一套“假设”来证明所讨论的生物体确实是导致疾病的病原体 [6]
- 这种生物体必须存在于任何有关疾病的病例中。
- 必须能够从患者体内取出这种生物体并将其纯化,以便只存在一种物种。这可以排除除正在观察的生物体之外的其他生物体实际上导致疾病的可能性。
- 现在已经纯化的生物体在注入健康动物后必须能够引起疾病。这可以排除在细菌出现之前就存在导致疾病的因素的可能性,并驳斥毒素先出现并导致细菌形成的可能性。
- 作为最后的检查,必须能够从新患病的动物体内重新分离出这种生物体。
科赫利用这种方法证明了炭疽杆菌是导致炭疽病的病原体 [7],这种方法也被用来确定许多其他细菌性疾病的病原体。