1、自然科學發展的普遍規律李浩洋以天體物理學和生物分類學為例一 、自然科學史 什么是自然科學？自然科學是研究無機自然界和包括人的生物屬性在內的有機自然界的各門科學的總稱。自然科學是研究大自然中有機或無機的事物和現象的科學，包括天文學、物理學、化學、地球科學、生物學等。自然科學的六大基礎學科是數學、天體學、化學、物理、地球科學和生物學。 數學是自然科學么？數學是研究數量、結構、變化、空間以及信息等概念的一門學科，從某種角度看屬于形式科學的一種。自然科學研究方法有三種：數學方法、實驗方法以及系統方法。 社會科學是否屬于自然科學么？社會科學是科學化的研究人類社會現象的科學。如社會學研究人類社會（主要是當

2、代），政治學研究政治、政策和有關的活動，經濟學研究資源分配。廣義的“社會科學”，它是人文科學和社會科學的統稱，包括了人文科學。亞里士多德阿基米德伽利略開普勒一 、自然科學史牛頓德布羅意湯姆森霍金亞里士多德阿基米德伽利略開普勒牛頓湯姆森德布羅意霍金愛因斯坦愛因斯坦費曼費曼古代物理學家古代物理學家近代物理學家近代物理學家現代物理學家現代物理學家觀測結果推導出普遍規律1、橢圓定律：所有行星繞太陽的軌道都是橢圓，太陽在橢圓的一個焦點上。2、面積定律：行星和太陽的連線在相等的時間間隔內掃過相等的面積。3、周期定律：所有行星繞太陽一周的恒星時間的平方與它們軌道長半軸的立方成比例。開普勒三定律牛頓三定律第一

3、定律 說明了力的含義：力是改變物體運動狀態的原因；第二定律 指出了力的作用效果：力使物體獲得加速度；第三定律 揭示出力的本質：力是物體間的相互作用。利用微積分等數學方法即可推導出開普勒三定律。利用規律，解釋現象相對論 狹義相對論基于兩個基本假設：狹義相對性原理和光速不變原理。預言了牛頓經典物理學所沒有的一些新效應如時間膨脹 、長度收縮、橫向多普勒效應、質速關系、質能關系等。 廣義相對論是在狹義相對論的基礎上推演出來，舍去了慣性系的概念，適用于所有參考系。在這個基礎上，廣義相對論認為引力場是時空的扭曲。 廣義相對論不僅從新解釋了行星公轉的機制，還預測了引力波、黑洞等現象。利用規律，預測現象。開普

4、勒三定律開普勒三定律牛頓三定律牛頓三定律愛因斯坦相對論愛因斯坦相對論行星公轉的研究發展觀觀察現象，總結規律察現象，總結規律利利用用規律，解釋現象規律，解釋現象通過規律，通過規律，預預測現象測現象自然科學發展的普遍階段觀用預 不僅僅物理學發展遵循著三段式發展，其他的自然科學學科發展也是遵循這一規律。 例如化學發展，門捷列夫的元素周期表使 化學學科發展突飛猛進。生命科學的未來從分類學到進化論，從分子生物學的建立到人類基因圖譜的繪制，從克隆技術的發明到Cas9/CRISPER基因敲除的發展，生命科學已經走到了“用”的階段。鑒于其他自然學科的發展，你認為生命科學在“預”會有什么樣的表現形式。二、生物科

5、學發展史觀察描述法17世紀-18世紀上半葉林奈比較法18世紀下半葉-19世紀初達爾文、施萊登和施旺 實驗法19世紀初-至今巴斯德系統法19世紀初-至今C.貝爾納、W.B.坎農生物科學領域動物學領域動物學領域動物學-動物生理學-解剖學-胚胎學-神經生物學-發育生物學-昆蟲學-行為學-組織學植物學領域植物學領域植物學-植物病理學-藻類學-植物生理學微生物學微生物學/免疫學領域免疫學領域微生物學-免疫學-病毒學生物化學領域生物化學領域生物化學-蛋白質力學-糖類生化學-脂質生化學-代謝生化學演化及生態學領域演化及生態學領域生態學-生物分布學-系統分類學-古生物學-演化論-分類學-演化生物學現代生物技術

6、學領域現代生物技術學領域生物技術學-基因工程-酵素工程學-生物工程-代謝工程學-基因體學細胞及分子生物學領域細胞及分子生物學領域分子生物學- 細胞學-遺傳學生物物理領域生物物理領域生物物理學-結構生物學-生醫光電學-醫學工程生物醫學領域生物醫學領域感染性疾病-毒理學-放射生物學-癌生物學生物信息領域生物信息領域生物數學-仿生學-系統生物學環境生物學領域環境生物學領域大氣生物學-生物地理學-海洋生物學-淡水生物學分類學 在1600年，人們知道了約6000種植物，隨著人類進入大航海時代，僅僅過去了100年，植物學家又發現了12000個新種。到了18世紀，對生物物種進行科學的分類變得亟為迫切。分類學

7、面臨的困難 各國科學家都有一套自己的方法命名植物，你認為這對分類學會造成怎樣的困擾？ 同物異名，異物同名 學名冗長，難以記錄 語言隔閡，文化隔閡生物雙名法的奠定卡爾.林奈 林奈集中研究了植物的繁殖系統。很快，他發現許多植物都有共同的雄性和雌性特點，他把它們歸為一類。他把相似的種類合在一起組成更大的類。他發現，根據幾個重要特性完全可以把植物分類，自然界確實是存在秩序的。雙名法與優先律 屬名+種加名 （拉丁斜體，屬名第一個字母大寫）； 每一種植物只給予雙名，已給予一個種的雙名永遠不能再給予另一種。（優先律）； 在植物名稱的“命名人”一列，林奈（Linnaeus）是唯一一位可將姓名省略為“L.”單個

8、字母的人。雙名法的優勢 同樣的名稱在所有語言中通用， 避免了翻譯的困難; 任何的一個物種都可以明確無誤的由兩個單詞確定； 當一個種從一個屬轉到另一個屬時（比較常見的現象）， 如果可能的話，種加詞保留一致。雙名法的不足 基于分類上不同的觀點，根據生物命名法規的名稱修訂或在分子系統學中的新發現，同一種生物可能有幾個不同的學名在流通。 命名優先原則會給后面的命名帶來不便。階元系統 林奈把自然界分為植物、動物和礦物三界，在動植物界下，又設有綱、目、屬、種四個級別，從而確立了分類的階元系統。 每一物種都隸屬于一定的分類系統，占有一定的分類地位，可以按階元查對檢索。進化論的出現 林奈相信物種不變，他的自然

9、系統沒有親緣概念，其中 6個動物綱是按哺乳類、鳥類、兩棲類、魚類、昆蟲、蠕蟲的順序排列的。 J.-B.de拉馬克把這個顛倒了的系統撥正過來，從低級到高級列成進化系統。他還把動物區分為脊椎動物和無脊椎動物兩類，并沿用至今。 JB拉馬克 林奈的繼承者 進化論的先驅拉馬克的主要觀點拉馬克的主要觀點 今天的有機界是自然規律作用下緩慢演變今天的有機界是自然規律作用下緩慢演變的結果的結果 內稟的復雜化、用進廢退與與獲得性遺傳內稟的復雜化、用進廢退與與獲得性遺傳 從低到高的從低到高的“自然等級自然等級” 人和猿具有共同的起源人和猿具有共同的起源達爾文與進化論達爾文與進化論一.進化論四.漸變論三.自然選擇學說二.共同祖先學說分類學的現狀 隨著分子生物學、細胞生物學等新興學科的發展，分類學也在20世紀后半葉飛速前進。在人類眼中，世間萬物都在演化和互相影響。 傳統分類學