天體演化理論
1755年，德國科學家、哲學家康德（I.Kant，1724—1804）發表《宇宙發展史概論》，提出了太陽係起源的星雲假說。這個假說所依據的科學事實是，科學家通過大量的天文觀測，已經發現太陽係內行星公轉軌道具有共麵性，行星公轉的方向具有同向性，行星公轉軌道呈近圓性。為了回答太陽係行星公轉時何以具有這樣多的相似性，康德設想太陽係可能是從同一團原始星雲演化而來。他的主要論點有：原始星雲是由彌漫於宇宙空間的不停運動著的無數物質微粒組成；其密度不均勻；憑借萬有引力，密度較大的部分可以從它周圍吸引密度較小的物質微粒，以後它們自己又同所聚集的物質一起，聚集到密度更為巨大的地方，並如此一直繼續下去。這樣，星雲中必有一處其密度比其他地方都大，就會形成整個星雲的引力中心；當微粒物質向引力中心降落時，除受到引力作用外，同時還受到斥力作用。這樣就有可能造成運動方向的偏離，使垂直的下落運動變成圍繞降落中心的圓周運動；開始時圓周運動可能還很混亂，後來逐漸出現一個主要的運動方向，形成巨大的旋渦，使整個星雲逐漸向垂直於轉動軸的平麵集中。在這個平麵上，速度較小的團塊繼續落到中心團塊，速度較大的團塊則可以保持力的平衡形成各個行星；在形成行星的小團塊中又會由類似的過程形成行星的衛星係統。
康德的這個假說能夠解釋行星的共麵性、近圓性和同向性，也能解釋行星的不同密度和質量的形成。但康德假說本身的思辨成分太多，有許多問題解釋不清楚，加之當時許多科學家受形而上學、經驗主義的影響，厭惡理論思維，因此這個假說發表以後沒有引起什麽反響，竟然埋沒了半個世紀之久。直到18世紀未法國著名數學家、力學家拉普拉斯根據天文觀測資料，對天體的形成從數學和力學方麵作了論證，提出了類似的星雲假說後，這一觀點才為人們普遍接受。
拉普拉斯（P.S.Laplace，1749—1827）的星雲假說體現在1796年出版的《宇宙體係概說》一書中。他也認為太陽係的所有天體都起源於同一原始星雲。但和康德不同，他假設原始星雲是熾熱氣體；假設熾熱的球狀氣體星雲從一開始就在緩慢轉動。這樣就回避了康德想用引力和斥力的矛盾加以解釋，但並未解釋清楚“星雲是怎樣開始旋轉起來的”這個問題。按照拉普拉斯假說，氣體狀的熾熱星雲大致呈球形，它的直徑很大，在宇宙中緩慢地旋轉。同時向外散發熱量漸漸變冷，其體積也在逐漸收縮。根據角動量守恒原理，其旋轉速度將加大。按離心力規律，星雲物質所受的慣性離心力也隨之增大，而且在赤道處的星雲物質所受慣性離心力最大。這使得星雲的赤道部分向外突出，使球形星雲變為扇球乃至扁平圓盤。當外緣部分受到的離心力增大到足以和星雲對它的吸引力相抗衡時，這部分物質便不再隨整個星雲一起收縮而保留在原來的半徑上旋轉。重複上述過程就可以得到一個又一個的圓環，其中心部分最後收縮為太陽。分離出來的圓環經過相互吸引和凝聚，就形成了各個行星。
由於這個假說和康德的假說類似，人們就把這兩個假說統稱為“康德—拉普拉斯星雲假說”。盡管康德—拉普拉斯假說仍有許多具體問題不能解決，但其形成和演化的思想逐漸被天文學發展所證實。尤其是1859年德國物理學家吉爾霍夫和德國化學家本生創造出光譜分析法以後，可以對恒星上存在的元素進行分析了。分析證明，各種不同的天體構成元素相同。而且通過光譜分析還可以比較出它們所處的不同發展階段。天體形成和演化的觀點從而被確立下來了。
地質進化理論
由於地貌的變化人們比較容易觀測到，科學家就會常常由地貌的變化去猜測整個地球的變化，所以有關這方麵的研究很早就有了。如1644年笛卡兒（R.P.Descartes，1596—1650）就在《哲學原理》一書中討論了地球的形成過程。德國的萊布尼茲（G.W.Leibniz，1646—1716）1680年也出版了《原始地球》一書，猜想地球最初是高溫發光物體，後逐漸冷卻，表麵形成皺褶，這就是山脈。最初的地殼是多孔結構，海水可由這些小孔流入地下，使海平麵下降，山露出水麵。但是這些早期猜測和研究，思辨性都比較強，而科學性不足。但以這些研究為基礎，使後來的地質研究分成不同的學派，其中主要有水成派和火成派，災變論和漸變論。
1.水火之爭
17世紀時，西方地質學界對地球的形成就存在有水成派和火成派之爭。1695年，英國地質學家伍德沃德（J.Woodward，1665—1728）發表《地球自然曆史探討》，主張地球的水成觀點。認為是摩西洪水造成地球上原有生物的滅絕，並把它們變成化石。火成派的代表是莫羅（Mauro），他則相信岩石是由火山噴發造成的。到18世紀後，在對地球岩石圈曆史演變的認識上兩派鬥爭更加激烈，德國地質學家維爾納（A.G.Werner，1749—1817）等人主張水成論，認為一切結晶岩都是在原始海洋中形成的，都是水成岩，後來由於全球水位突然下降，才使岩石的較高部分露出水麵形成陸地和高山，但在這一過程中構成地殼的岩石圈本身並沒有任何改變。水成派與聖經中的描述一致，所以一時之間占了上風。蘇格蘭地質學家赫頓（J.Hutton，1726—1797）堅持火成論，認為地球內部是熔融的岩漿，通過火山爆發在地麵凝結成花崗岩，由於地下熔期岩漿的推動，還將引起已經形成的沉積岩傾斜變形。後來法國地質學家馬列斯特在一個偶然機會中發現了玄武岩，他沿著玄武岩的分布一直追索到火山口，說明了玄武岩也是火成岩。在火成論的指導下，建立了地殼運動的觀念。1787年，冰島附近的海底玄武岩發生了一次火山大噴發，使火成派又抬了頭。後來在英國蘇格蘭山上開會討論時，兩派互不相讓，竟然發生地質史上的武鬥事件。
水成論者提出兩點反對火成論的論據：（1）熔融的岩漿凝固時隻能形成玻璃體而不會結晶化；（2）有些岩石如石灰石受熱後會被分解掉。對此，詹姆士·霍爾（J.Hall，1761—1832）在1790—1812年間還進行了一係列的實驗。他在玻璃廠使熔融的玻璃非常緩慢地冷卻，證明它可以結晶化形成不透明體；他又將從火山口弄來熔岩重新用爐子熔化，然後也使它慢慢冷卻，結果也能結晶成玄武岩那樣的岩石。他又通過實驗證明，如果把石灰石放在密閉容器中加熱，石灰石並不分解，而是形成像大理石一樣的岩石。實驗結果是有利於火成論的。
應該指出，這兩派觀點都有合理之處，因為岩石本來就分沉積岩和火成岩（花崗岩、玄武岩）。但又都不全對，因為從思維方法上看，兩派都犯了絕對化的錯誤。
2.災變論和漸變論之爭
災變論的代表是法國生物學家居維葉（G.Cuvier，1769—1832）。在對巴黎盆地地層的研究中，他發現老地層中化石少，而且化石生物原始；新地層中化石多，生物物種也較複雜。這本來可以看成生物不斷進化的證據，但居維葉1765年認為，這些不同時代的物種之間毫無聯係，地球表麵的曆次變動都是間斷的，由於突然的巨大洪水造成的。他在《地球表麵的革命》一書中寫道：“這種洪水的反複進退不是以緩慢和漸進為特征；恰好相反，大多數激變是突變引起的……較老的地層的位錯和倒轉沒有任何疑問地表明，置岩石於現在這樣位置的過程是突然和強烈的……這可怕的洪水常會席卷地球上的生命，無數生物因激變而消失了。”這樣，地球演變的曆史就成了一堆前後無關的突變集合，而在各次突變之間，地球以及地球上的生物則沒有任何演化和漸變。當時正值1765年意大利的一個火山爆發，似乎成了居維葉論點的一個佐證，所以居維葉災變論的提出迎合了歐洲人對災變的恐懼。居維葉在生物學上成就很大，他提出了“器官相關律。”根據這個規律，你隻要找到一小塊動物化石，他就能預言動物的原型。他的學生挖出來的化石可以和他預言的一點不差。我們至今猜不透是什麽使他在地質理論上卻持這麽保守的觀點。
另一派是漸變論者。英國業餘科學家赫頓1795年出版了《地球理論》，主張應以現在仍起作用的地質力量去解釋曆史上發生的地殼變動。後來英國地質學家賴爾（C.Lyell，1797—1875）進一步發展了這一思想。他雖是水成論代表維爾納的學生，但不信他老師的觀點。他以“現在是認識過去的鑰匙”這一思想作指導，1830—1833年間寫成了《地質學原理》一書，這本書的副標題就是“以現在還在起作用的原因試釋地球表麵上以前的變化”。他在這部著作裏以豐富的地質資料證明，江河海流、潮汐、風雨、冰雪、火山、地震等自然作用至今仍在持續緩慢地改變著地球的表麵狀況，地球的曆史在時間上是連續的，現狀是以前變遷的結果，是“長期一連串前後相繼事變的結果”，而不是像災變論者所說的彼此隔絕而無聯係。而且，引起這種變化的原因，不是一兩項原因單獨作用的結果，更不是靠有限幾次突然災變造成的，而是諸種自然原因複合作用的結果。各種地質作用所產生的效果是由一係列微小的、緩慢的變化積累起來的，而不是突變式的。有人把賴爾的這些觀點概括為連續性法則、均一性法則和積累法則。
賴爾的地質漸變論進而導致物種可變的思想。既然地殼是逐漸形成的、不斷變化的，那麽在它上麵生活的一切生物也必定是進化發展的。正如赫胥黎（T.H.Huxley，1825—1829）所說：賴爾“鋪平了達爾文的道路”。達爾文（C.Darwin，1809—1882）自己也在自傳中承認，是《地質學原理》引導他得到物種進化的結論的。但賴爾本人是擁護物種不變觀點的，還批評過拉馬克（J.B.Lamarck，1744—1829）的進化論。可見賴爾在方法上還是陷入了絕對化，他過分強調漸變，否定了激變的可能；他絕對化了自然規律的古今一致性，認為在地球上起作用的各種力量也是從來不變的。然而，世界上的事物大都是非絕對的。
原子—分子論的確立
化學是在近代興起的一門學科，無數的科學先驅者為這門學科奠定了理論基礎。1789年，拉瓦錫（A.L.Lavoisier，1743—1794）根據大量的化學實驗建立了質量不滅定律，從此化學中能夠使用天平進行精確的研究，也使化學得以進入定量研究階段。1791年德國化學家李斯特已能作出預言：“化學是應用數學的一個分支。”定量化的方法使李斯特發現了“定比定律”——相互化合的元素間有固定的質量比。1799年法國化學家普魯斯特（J.L.Proust，1754—1826）發現“定組成定律”——各種化合物都有確定的組成，與製備方法無關。
自學成才的英國物理學家、化學家約翰·道爾頓在對原子的研究方麵取得了非凡的成果，成為近代原子學說的奠基人。他既具有敏銳的理論思維頭腦，又具有卓越的實驗才能，他是從氣體的物理性質的研究開始構建其原子論的。在這裏牛頓的粒子說和拉瓦錫的元素概念成為他的原子概念的基礎。由於經常發現氣體在水中的溶解和氣體體積可被壓縮等一些重要的物理化學現象，道爾頓發現了“倍比定律”，並且逐漸形成了一個概念，即物質內部不可能是連續的，應該由一些質點所組成。由此，他於1803年提出了新的原子論，其主要內容包括：元素由非常微小的不可再分的物質微粒——原子組成；原子在化學變化中保持其本性不變；同一元素原子的各種性質和重量都完全相同，不同元素原子的性質和重量不同；原子的重量是每一化學元素的重要特征。1808年，道爾頓又在《化學哲學的新體係》這本書裏更加係統和充分地闡述了他的原子論思想。其要點是：（1）元素的最終組成稱為“簡單原子”，它們不可見、不可創生、不可消滅、不可分割，其在一切化學反應中保持本性不變；（2）同一元素的原子其形狀、質量等各種性質均相同，而不同元素的原子則各不相同。原子量是元素的最基本特征；（3）不同元素的原子以簡單整數比相結合而形成化合物，化合物的原子稱為複雜原子。他的這部著作與拉瓦錫的《化學大綱》一起成為經典化學的兩大名著。
但是在原子論建立的初期，化學家們寧願采用元素的概念，也不願使用原子概念；寧願仍然采用元素當量，也不願采用原子量。這是由於當時還沒有辦法準確確定參與化學過程的各種元素的原子數目，所以原子量很難準確斷定；另一方麵，道爾頓忽視了原子和分子的區別。他認為單質隻是簡單原子的組合，不存在分子狀態，隻有化合物才是複雜原子，是由分子組成的。所以當1811年意大利化學物理學家阿佛加德羅（A.Avogadro，1776—1856）提出分子概念，並認為單質物質的分子是由相同原子組成的簡單分子，化合物分子是由不同原子組成的複合分子，“分子是物質存在的獨立單元”時，道爾頓堅持認為，相同的原子要互相排斥，不可能結合成一個分子。直到1860年於德國召開的國際會議上，意大利化學家康尼查羅（S.Canizzaro，1826—1910）才說服化學家接受分子概念，澄清了半個多世紀以來理論上的混亂，為分子論和原子論統一為原子—分子論做出了巨大貢獻。這說明，一個正確的理論，尤其是一個新概念，其提出是一回事，能否為大家接受又是一回事。
元素周期表
在化學教科書中，都附有一張“元素周期表”。這張表揭示了物質世界的秘密，把一些看來似乎互不相關的元素統一起來，組成了一個完整的自然體係。這張表的發明，是近代化學史上的一個創舉，對於促進化學的發展，起了巨大的作用。這張表的最早發明者就是傑出的俄國化學家門捷列夫。1834年，門捷列夫（D.I.Mendeleev，1834—1907）生於俄國西伯利亞的托波爾斯克市，在那兒，一個政治流放者指導門捷列夫學習科學並使他對化學產生了興趣。當時，關於自然界到底有多少元素；元素之間有什麽異同和存在什麽內部聯係；新的元素應該怎樣去發現這些問題，化學界正處在探索階段。各國的化學家們進行了頑強的努力，但由於他們都沒有把所有元素作為整體來概括，所以沒有找到元素的正確分類原則。年輕的門捷列夫勇敢地衝進了這個領域，開始了艱難的探索工作。他不分晝夜地研究著，探求元素的化學特性和它們的一般原子特性，然後將每個元素記在一張小紙卡上。上麵記載著元素的原子量、化合價、物理性質和化學性質，等等。他企圖在元素全部的複雜的特性裏，捕捉元素的共同性。他的研究一次又一次地失敗了，可他屢敗屢戰，堅持不懈。
1869年，門捷列夫編製了一份包括當時已知的全部63種元素的周期表。他的結論是，按照原子量大小排列起來的元素，在性質上呈現明顯的周期性。1871年，他對周期表作了進一步的修改，使之基本具備了現代周期表的形式。在這份周期表中，門捷列夫大膽地修正了一些元素的原子量。如把鈾的原子量從當時認為的116改為240；對周期表中四個空位元素的性質他也作了極為詳盡的預言。到1875年，發現了他預言的類鋁“镓”，1880年，發現了類硼“鈧”，1886年，發現類矽“鍺”。它們的性質都和門捷列夫的預言十分接近。
門捷列夫是如何發現周期律的？其中有許多傳說。有人說這是他在玩撲克牌遊戲時偶然發現的；也有人說是他連續工作三天三夜沒有睡覺，終於在夢中發現的。事實上，門氏是在1869年俄曆2月17日（公曆3月1日）這一天內發現元素周期律的。當時他正在編寫《化學原理》第二卷，在結束這卷的第二章之後，必須確定在堿金屬之後應該緊跟著敘述哪一族金屬元素的問題。在他看來，似應敘述堿土金屬，但又拿不出根據。恰巧，這一天他收到了一封信，便信手在信的空白處對化學性質不相似的鈉族和類鋅族的原子量的差值進行了計算。然後他對比了緊密相連的若幹元素族，先編成了一張包含31個元素的表格，指導思想是使常見的不相似的各元素族緊密相連而原子量又最大限度的靠近，以至使各元素族間再也放不進元素。接著又列了第二個表。其中原子量的排列按豎行，不像第一次按橫行。這個表包括了42個元素，為了編製當時已知63個元素的總表，門氏采用了“化學牌陣”的方法（即用卡片寫上元素名，性質，原子量），把63個元素按研究程度和原子量輕重分成四堆，最後剩下7個元素，門氏試著把它們放在適當的位置，終於編成了一個元素周期律的草表。
門氏時代，雖然已知63個元素，但隻占天然元素總數（92個）的2/3，而且有11個元素的原子量測得不對。雖然有不少元素已組成了自然族，但已組成的這些自然族裏還有不少疑問，而且有一些元素還無法安置。在這種情況下，要想揭示化學元素的內在聯係和一般規律也是不容易的。這時，門氏的逐步綜合法又幫了他的大忙。所謂逐步綜合法是指不斷綜合、逐級綜合的方法，即隻有先小綜合，才能大綜合；隻有先把元素小綜合成自然族，才能大綜合成體係，否則把單個元素直接排在某一個體係裏顯然是困難的。門氏采用的比較方法則使他容易把握元素的內在聯係。他自己也說過：“要全麵地把握，就需要有比較的方法。”門氏對元素分族時，首先就要對各個化學元素的性質進行比較分析，隻有對各個族的性質進行比較研究才能綜合考察。他通過比較不相似的兩類元素原子量的差值，發現了元素性質的變化是由原子量的大小決定的；他應用比較法預言了應該有過渡元素存在，為建立包括所有元素在內的周期表作了準備。
實踐證實了門捷列夫的論斷，也證明了周期律的正確性。在化學的係統化過程中，周期律的發現是一個重要的裏程碑。這個定律的重要性不僅僅是總結了前人的工作，將許多似乎毫不相幹的事實用一個規律聯係起來，並且指明了研究方向。元素周期律經過後人的不斷完善和發展，在人們認識自然、改造自然、征服自然的鬥爭中，發揮著越來越大的作用。
有機化學的誕生
化學原子論的確立，使無機化學奠定在監視的理論基礎上，也為有機化學提供了示範。“有機化學”這一名詞1806年首次由瑞典化學家貝采利烏斯（Jos Jacob Berzelius，1779—1848）提出。當時隻是作為“無機化學”的對立物而命名的。
早在18世紀末，化學家們就開始提純和分析有機化合物。例如，氧的發現人之一、瑞典化學家席勒（1742—1786）分離出了酒石酸、檸檬酸、蘋果酸、乳酸、草酸等，他還通過用硝酸氧化蔗糖的方法製得了草酸。其他一些化學家還從有機物中分離出尿素（1773）、馬尿酸（1829）、膽固醇（1815）、嗎啡（1805）等有機物。這一段時間，對有機元素的分析也得到了迅速的發展，如，泰納（Thenard，1777—1857）等人成功地分析了蔗糖、乳糖、澱粉、蠟等有機物，確定了它們所含氮、氫、氧等元素的百分比。瑞典化學大師貝采利烏斯在1815年係統分析了檸檬酸、酒石酸、琥珀酸等有機物的成分，並在1830年發現葡萄糖與酒石酸的組成成分相同。1830年，德國化學家李比希（Liebig，1803—1873）還製成了有機分析儀器——燃燒儀，從而把有機分析提高到精確定量階段。
有機化學之所以能產生和發展，是和維勒（F.Wohler，1800—1882）的工作是分不開的。維勒是瑞典化學大師貝采利烏斯的得意門生。他早年在德國求學，獲博士學位之後，去瑞典留學，跟著貝采利烏斯繼續深造。1825年從瑞典回國，專門從事化學教學和研究工作。他在1828年，成功地人工合成了尿素，並發表了《論尿素的人工合成》，從而填平了有機物與無機物之間的鴻溝，打破了“生命力”的學說，解放了人們的思想，開拓了有機合成的新道路。19世紀初，許多化學家相信，在生物體內由於存在所謂“生命力”，才能產生有機化合物，而在實驗室裏是不能由無機化合物合成的。維勒的實驗結果給予“生命力”學說第一次衝擊，此後，乙酸等有機化合物相繼由碳、氫等元素合成，“生命力”學說才逐漸被人們拋棄。維勒以後，有機合成物不斷增加。1845年，德國化學家柯爾柏（Kolbe，1818—1884）人工合成了醋酸；1854年，法國化學家貝特羅（Berthelot，1827—1907）合成了油脂類物質；1861年，俄國化學家布特列洛夫（A.M.Butlerov，1828—1886）合成了糖類物質。
到19世紀有機化學理論也逐步發展起來。先是維勒和李比希提出有機化合物是由“基”組成的。李比希認為，基是一係列化合物中不變的組成部分，有機物中的基可以被其他簡單物取代，基與某簡單物化合以後，簡單物還可被相當量的其他簡單物所取代。1834—1839年，杜馬（Dumas，1800—1884）發現了醋酸中的氫被氯取代的詳細過程。1842—1843年，法國化學家日拉爾（Gerhardt，1816—1856）通過研究把有機物分成多種類型，這就是著名的日拉爾“類型論”，類型論是有機化學同係物的早期概念，1848—1850年，德國化學家霍夫曼（A.W.Hofmamn，1818—1892）又發展了日拉爾提出的類型論，提出了有機化合物的多種類型，如水型、氫型、氯水氫型、氨型，等等。
1858年，德國著名化學家凱庫勒（F.A.Kekule，1829—1896）提出了碳的四價學說，這一學說成了有機化學結構理論的基礎。凱庫勒還因發現了苯的分子結構而出名。他1829年生於德國的達姆斯塔德，中學時就懂四門外語，1849年從師於李比希，學習化學。據說1865年聖誕節後的一天，凱庫勒因研究苯分子結構已疲憊不堪，按說他早已測定清楚苯分子是由六個碳原子和六個氫原子組成，而按照碳原子四價的學說，卻很難把它的結構式說清楚。凱庫勒百思不得其解，就坐在安樂椅上靠著壁爐睡著了，睡著以後他做了一個奇怪的夢，夢見他畫的苯分子的六個碳連著六個氫的直鏈變成了一條怪蛇，這條怪蛇翻轉舞動，最後回頭一口咬住了自己的尾巴，形成一個環。凱庫勒就此驚醒，從而發現了苯分子的環狀結構。
原子四價學說和苯分子結構發現之後，對有機結構理論的研究發展就更快了。俄國化學家布特列洛夫在1861年德國“自然科學家和醫生代表大會”上作了題為《論物質化學結構》的報告，係統地提出了有機結構理論，從而奠定了有機化學結構學說的基礎。與此同時，英國化學家弗蘭克蘭（Fronkland，1825—1899）、庫帕（Couper，1831—1892）等人在有機結構理論的建立方麵也做出了巨大貢獻。
立體有機化學理論在19世紀也得到了發展。1815年，法國人比奧（1774—1862）發現有些天然有機物在液態或它的溶液中有旋光性（當偏振光射入這類物質後，振動麵會發生偏轉，石英晶體、鬆節油、糖溶液都有這種性質）。1848年，巴斯德用人工方法把19種酒石酸鹽的結晶分為左旋酒石酸和右旋酒石酸，它們之間的關係就像左手和右手一樣不能疊合，亦如鏡中影像和實體的鏡像對稱一樣。接著，德國化學家威利森努斯（1838—1902）研究了乳酸的旋光性後得出結論：分子的旋光異構隻能以原子在空間的不同排布來解釋。在此基礎上，1874年，荷蘭人範霍夫（Jacobus Henricus vant Hoff，1852—1911）和法國人勒貝爾（1847—1930）分別提出了碳的四麵體結構學說。這一學說標誌著人類已在有機物的微觀世界開始立體思維。有機物質的原子在空間有規則地排列著也是一種自然奧秘的美。範霍夫由於他後來的化學成果而在1901年成為第一個諾貝爾化學獎的獲得者，而這個新的世紀已是人類開始探索生命基本組成單元DNA的空間結構的時代了。
能量守恒與轉化定律
對能量守恒單純從哲學上給以思辨性研究的曆史很長，在古希臘的哲學家那裏已經有所提及。到了笛卡兒，提出了運動守恒；而黑格爾（G.W.F.Hegel，1770—1831）則提出了現象之間互相聯係和轉化的思想。這些觀點當時並未引起人們的注意，因為能量守恒和轉化定律必須建立在一定的客觀基礎上，而這種客觀基礎還在建設的過程中，它主要包括三個方麵：
第一，是力學和蒸汽技術的基礎，這是能量守恒定律的第一個基本物質前提。力學方麵，伽利略已直觀地把這個定理表述為：“物體在下落過程中所達到的速度能夠使它跳回到原來的高度，但不會更高。”1695年，萊布尼茲（G.W.Leibniz，1646—1716）把能量原理表述為：力和路程的乘積等於活力（mv2）的增加。他認為宇宙間的活力的總和是守恒的。瑞士數學家伯努裏（Johann Bernoulli，1667—1748）一再講到“活力守恒”，即當活力消失時做功的本領沒有失去，而隻是變成另一種形式。在熱學領域，最初廣泛流傳著熱質說，就是在拉瓦錫用燃燒理論代替燃素說時，他還把熱看做一種物質。把熱看做物質就不可能存在熱和機械能的轉化問題。所以在熱素說占統治地位時人們不可能理解由蒸汽機的發明所揭示的熱和機械運動之間的關係。在蒸汽機的改進過程中，為了不斷提高熱機的效率，法國工程師卡諾（L.N.M.Carnot，1753—1823）分析了蒸汽機中決定熱產生機械能的各種因素，發現熱機做功的數值僅取決於兩個熱源間的溫度差。經過慎重思考，他終於放棄了熱素論，1830年他在筆記中明確地提出了能量守恒和轉化定律，他說：“動力（能量）是自然界的一個不變量，準確地說，它既不產生，也不能消滅。實際上，它隻改變它的形式，這就是說，它有時引起一種運動，有時引起另一種運動，但它決不消失。”
第二，生理學拋棄了神秘的活力觀點，而把生命過程作為普通的自然過程，這是成就能量守恒定律的第二個實質性前提。19世紀初對植物的研究表明，拉瓦錫的物質守恒定律和普勞斯特的定組成定律對有機體是同樣適用的，舊植物就像一個獨特的化學實驗室，它能把吸收的無機物、礦物質在體內轉化為有機物。邁爾、赫爾姆霍茲（H.Helmhltz，1821—1894）等人進一步認為，能量在有機體內的一切表現都應該追溯到能量的某種已知的物理的或化學的來源，思維的勞動、動物的發熱都是依靠包含在有機物質中的、從食物吸收來的潛在能量而產生的。
第三，物理學家證明自然界力的統一性和可轉化性是能量守恒定律的第三個基本前提。在19世紀，電轉化為熱，熱轉化為電以及電磁互相轉化的關係得到普遍承認。法拉弟（M.Faraday，1791—1867）在證明自然界的力的統一性和相互轉化性方麵做了許多工作，他堅持的普遍聯係的觀點給他的科學研究幫了很大的忙。他說過“有一個古老而不可改變的信念，即自然界的一切力都彼此有關，有共同的起源，或者是同一基本力的不同表現形式，這種信念常常使我想到在實驗上證明重力和電之間聯係的可能性”。
由於上述三個方麵的發展，到19世紀30—40年代，經過五個國家、六七種不同職業的十幾個科學家的共同努力，終於揭示了各種運動形式之間的統一性。1851年，由威廉·湯姆遜（W.Clausius，1822—1888）和德國克勞修斯（R.Clausius，1822—1888）提出的能量守恒定律作為自然界的普遍規律被確立下來，從此，特別是在物理學中，每一種新的理論能否被承認首先要檢查它是否跟能量守恒原理相符合。
關於能量的定律，當時的物理學家都強調量“守恒”的一麵，把這條定律稱為“能量守恒定律”。恩格斯則突出強調了質的“轉化”這一麵。他早於1858年7月14日同馬克思討論這個定律時，就說明這是物理學中各種力（即能量）的相互轉化的關係。到了19世紀70年代，恩格斯更是明確地把這定律改稱為“能量守恒和轉化定律”。恩格斯在1885年寫的《反杜林論》第三版序言中說：“如果說，新發現的、偉大的運動基本定律，10年前還僅僅概括為能量守恒定律，僅僅概括為運動不生不滅這種表述，就是說，僅僅從量的方麵概括它，那麽，這種狹隘的、消極的表述日益被那種關於能的轉化的積極的表述所代替，在這裏過程的質的內容第一次獲得了自己的權利，對世外造物主的最後記憶也消除了。當運動（所謂能）的量從動能（所謂機械力）轉化為電、熱、位能等等，以及發生相反轉化時，它仍是不變的，這一點現在已無須再當做什麽新的東西來宣揚了；這種認識，是今後對轉化過程本身進行更為豐富多彩的研究的既得的基礎，而轉化過程是一個偉大的基本過程，對自然的全部認識都綜合於對這個過程的認識中。”由此可見，恩格斯的表述才深刻地、全麵地反映了這一定律的本質內容，因而是這一定律的最科學的表述形式。
細胞學說和遺傳學的開端
1.細胞學說的提出
自從列文虎克和胡克用顯微鏡對生物進行微觀研究以後，細胞學說就逐步發展起來了，經許多專家的努力，最終在19世紀30年代末，由德國植物學家施萊登（M.J.Schleiden，1804—1881）和動物學家施旺（T.Schwann，1810—1882）共同提出。“細胞學說”與“能量守恒定律”和“進化論”被恩格斯稱為19世紀自然科學的三大發現，對生物科學的發展起了巨大的促進作用。
施萊登1804午出生在德國，早年學習法律，在海德爾堡（Heideberg）學習結束之後，就在該城任律師工作。但因工作極不順利，曾試圖用槍自殺，幸而未死，在額頭上留下了一個明顯的傷疤。傷愈後，他決定放棄法律工作，改學自然科學。1831年以後，施萊登先後在哥廷根大學和柏林大學研究植物學和醫學，不久獲醫學哲學博士學位，被聘為耶那大學植物學教授多年。後來他又辭去了大學教授職務在歐洲各地遊學，1864年以後，他靠當家庭教師和江湖醫生為生，曾在柏林認識了施旺。
施萊登批評了林耐的分類學，主張隻有植物化學和植物生理學才有真正的意義。1838年施萊登出版了《論植物發生》，認為植物中普遍存在的結構是細胞，細胞是最基本的結構，他把細胞稱為“Cytoblast”，同時還指出，無論形態多麽複雜的植物，它們的基本生存單位都是細胞。施萊登在《論植物發生》之後，還發表了《植物學概論》一文，文中還對細胞的起源進行了探索。1837年10月，施萊登把他對細胞研究未發表的成果通知了他的好友施旺，經過施旺的研究，把細胞學說擴展到動物界，最後用細胞學說統一了動物和植物。
施旺是和施萊登性格不同的人，施萊登比較急躁，好走極端，施旺則性格溫順，內向而虔誠。他在1834年畢業於柏林。他和偉大的生理學家彌勒關係非常密切，據說他曾受教於彌勒，他對施萊登也很尊重，他對動植物的細胞進行過認真的顯微研究。1839年，施旺發表了著名的論文《關於動植物結構和生長一致性的顯微研究》，闡明了動物和植物兩大有機界中最本質的聯係。該文主要分為三部分：第一，描述了在蝌蚪體內脊索和各種不同來源的軟骨的結構和生長；第二，指出了各種不同的動物構成基礎都是細胞；第三，詳細闡明了細胞理論。論文中提出了一個有重大意義的思想：凡有生命的東西都源自細胞。盡管施旺和施萊登一樣，對細胞的了解比現代細胞概念要膚淺，也還有些不確切的地方，但他們的工作，用細胞學說把包括動植物在內的生命都統一起來了。
施萊登和施旺提出細胞學說以後，生物學家、生理學家、醫學家們在此基礎上，經過半個多世紀的努力，使這一學說日趨完善。細胞學說使人們開始認識和了解生命的本質，給當時仍在生物學中占統治地位的神學又一次沉重的打擊。“神創論”和“活力論”對生命所做的種種解釋顯得荒謬和多餘。
2.遺傳學的建立
細胞學說一旦確立，馬上在生命科學中顯示出生命力。其最顯著的成就是德國生物學家微耳和（R.C.Virchow，1821—1902）將細胞學說運用於病理學，創立了細胞病理學，為現代醫學奠定了基礎。同時，也為遺傳學開辟了道路。瑞士的植物學家耐格裏（C.W.Nageli，1817—1891）提出了最初的有關遺傳的細胞種質論，這一理論又引導孟德爾進行了遺傳育種實驗，並發現了孟德爾遺傳定律，為遺傳學的誕生準備了充分的條件。
孟德爾（1822—1884）出身於貧苦的農民家庭，他天資聰穎，卻無錢接受良好的教育。他少年時曾為一家莊園主照看莊園的果樹，長大後進了故鄉的奧古斯丁修道院以解決生存問題。1851年，他被修道院送進維也納大學學習自然科學課程。他先後學習了數學、物理學、化學、動物學、植物學、昆蟲學等，據說曾為多普勒當過物理實驗的演示助手。他還參加了維也納大學的動植物學會，發表過一些生物學論文。1853年，孟德爾回修道院當了神父，並開始在附近的教會學校任教。
1854年夏天，孟德爾在修道院的花園裏種植了34個株係的豌豆，開始從事植物雜交育種的遺傳研究。豌豆是一種自花授粉的植物，孟德爾同時進行自花授粉（即同一品種自我生殖）和人工雜交授粉（即用不同品種雜交生育）。他將授粉後的植株仔細包紮起來，以免發生其他意外的授粉。下一代生長出來後，繼續進行同樣的授粉實驗。用這種方法，孟德爾能夠仔細研究子代與親本之間的遺傳關係。
他首先考察株的高矮這兩種性狀的遺傳情況，結果發現，矮株的種子永遠隻能生出矮株，因此它屬於純種。高株則不同，約占高株總數1/3的高株屬於純種，一代代生育出的都是高株，其餘高株的種子生出一部分高株、一部分矮株。高矮的比例大約總是1∶3。這說明高株有兩類，一類是純種的，一類是非純種的。孟德爾將矮株與純種高株雜交，吃驚地發現，雜交生出的全是高株，矮株的性狀似乎全都消失了。但是，將這一代雜交出的高株進行自花授粉，結果新一代1/4是純矮種，1/4是純高種，1/2是非純高種。
這簡直太神奇了。品德爾認識到，豌豆的高矮性狀在遺傳時表現不同，前者是顯性的，後者是隱性的。這種顯性和隱性的性狀遺傳是否具有普遍性呢？孟德爾接著考察了其他一些性狀，結果發現類似的遺傳規律也在起作用。如圓皮豌豆與皺皮豌豆雜交，圓皮是顯性性狀，皺皮是隱性性狀；紫花豌豆與白花豌豆雜交，紫花是顯性性狀，白花是隱性性狀。其性狀的分配規律也恰是3∶1。
經過多年的育種實驗，孟德爾掌握了大量的數據。1865年，他總結了自己多年的研究工作，寫出了《植物雜交試驗》的實驗報告。他在論文中指出，植物種子內存在穩定的遺傳因子，它控製著物種的性狀。每一性狀由來自父本和母本的一對遺傳因子所控製。它們隻有一方表現出來，另一方不表現出來。不表現的一方並不消失，會在下一代以1/4的比例重新表現出來。孟德爾的論文首先在布隆的博物學會宣讀，並於次年發表在該會的會議錄上。
孟德爾的工作一直默默無聞的。當時的大多數生物學家關注的是進化論的博物學研究，感興趣的是一些對人有利的生物優良性狀的遺傳問題，加上孟德爾的遺傳定律過於簡單，許多性狀的遺傳由於受多種因素控製，並不遵循這一定律，所以，連孟德爾自己也懷疑自己的工作是否具有普通意義。他讀過達爾文的《物種起源》，甚至為之作注，但未意識到他的遺傳學研究正好為達爾文的自然選擇進化論提供了強有力的支持。由於孟德爾像拉瓦錫將化學確立為科學一樣將遺傳學確立為科學，人們讚譽他是“植物學上的拉瓦錫”。
達爾文的生物進化論
科學世家出身的達爾文（Charles Darwin，1809—1882）1809年2月12日出生在英格蘭希羅普鎮，幼年學習一般，他的老師和父親都認為他是一個非常普通的孩子，智力在一般水平之下，他的父親甚至誤認為，達爾文除了打鳥、玩狗和抓老鼠以外，什麽也不幹，將來會辱沒門楣。1825年10月，16歲的達爾文被父親送去愛丁堡學醫，這也是他父祖所從事的行業，一直到1827午4月，達爾文都在愛丁堡學習。但是，達爾文對醫學並不感興趣，認為麻醉和手術是帶有“獸性的職業”。由於達爾文學醫沒有長進，他父親不願意兒子過那種“無所事事的遊**生活”，所以，1827年10月又把他送進劍橋基督學院學習神學，希望他將來當個受人尊敬的牧師。達爾文在那裏學了3年，後來他自己回憶說，這3年是浪費時間。
命運的安排使他作為官方科學家，出現在“貝格爾號”船上，進行了5年的科學考察活動。1831年，英國皇家軍艦“貝格爾號”要進行環球航行，目的是發現和測繪南美東西兩岸和附近島嶼的水文地圖，同時完成環球各地的時間測定工作以及尋找一些有商業價值的礦物，但船上缺一名醫生。一開始這個機會並沒有給達爾文，而是想給另外兩個人，當那兩個人拒絕去的時候，這個機會才落到達爾文的頭上。當時達爾文已經24歲，他父親不同意他去，但他的朋友亨斯羅（Henslow）和他的舅父韋奇伍德都支持他。後來，韋奇伍德說服了老達爾文，終於同意他去了。但這時“貝格爾號”的船長羅伊（R.F.Roy）又不大想用他。總之，達爾文最後終於能登上“貝格爾號”艦，一方麵是他自己的愛好和堅持，另一方麵也是一係列偶然事件促成的。
長達5年的考察使熱愛自然的達爾文有幸看到未被破壞的自然界：原始熱帶雨林、各種地層、火山，各具風俗的民族，各種各樣的昆蟲、鳥類和哺乳動物，每種生物與它們所處的環境完美地契合。達爾文認為自己終於找到了熱愛的事業。他克服種種困難，隨著考察團深入叢林、登上高山，收集各種標本、挖掘古生物化石，記錄地層情況。他堅持寫日記和調查報告，為以後的研究工作積累了大量豐富的材料。這期間，達爾文還閱讀了賴爾的《地質學原理》，地質漸變的思想使他產生了強烈的認同感。賴爾所倡導的地質學研究中的比較曆史方法也給了他深刻的啟發。在南美洲東海岸，達爾文目睹物種隨地域分布而變化的明顯規律性：有親緣關係的物種總是分布在鄰近地域，隨著距離的增大，一個物種為另一個物種所代替；兩地距離越遠，物種差異越大。南美西海岸的加拉帕戈斯群島上的大部分生物都與大陸上的類似，但各島又有自己特有的物種；即便同一物種，各島也呈現出微小的差異。物種的巨大豐富性和連續性使達爾文對流行的物種起源的上帝創造論產生了懷疑。他想到，上帝何必為創造這些僅有微小差異的生物花費如此巨大的心力呢？賴爾的方法論和他自己的實地考察，使達爾文產生了生物逐漸進化的思想。
回國後，他於1846年出版了他在探險航行中獲得的地質學和動物學研究成果。這些著作很快使他躋身於科學家的最前列。1838年，他當選為地質學會秘書，次年與表姐埃瑪結婚。結婚使達爾文有了經濟保障，雙方老人給了他們很多錢，使達爾文可以毫無後顧之憂地從事他的研究事業。
1838年，達爾文偶然接觸到了馬爾薩斯的《人口論》，馬爾薩斯關於人類為爭奪食物所導致的災難性競爭的觀點，給他留下了深刻印象。他聯想到在生物界中，一定也有類似的生存競爭，而且由於他們繁衍地更迅速，這種鬥爭隻會更加激烈。“貝格爾號”的環球考察使達爾文完全接受了賴爾式的生物漸變思想，馬爾薩斯的著作更使他對生物進化機製有了某種頓悟。達爾文意識到，生物界存在著極為巨大的繁殖力和大量變種，但是隻有那些在生存鬥爭中有適應能力的變種才能活下來，並得以有最多的後代；其餘變種被淘汰，這就是自然選擇的過程。為了證明這一過程，他首先研究人工選擇問題，事實上，人類一直在進行培育優良品種的工作。達爾文自己進行家鴿的育種實驗，對變異和選擇問題有了更深地了解。1856年，在賴爾的敦促下，達爾文開始準備寫作《物種起源》。
在發現生物進化、自然選擇的過程中，英國博物學家華萊土（A.R.Wallace，1823—1913）也作出了很大貢獻。華萊士曾把他自己發現的自然選擇與生物進化的論文寄給達爾文。達爾文看了非常吃驚，因為，華萊士的觀點與達爾文的觀點非常一致，而且表達得非常明確清晰，這促使達爾文抓緊寫作，又經過13個月零10天的努力，終於在1859年最後完成了《物種起源》。
達爾文的進化論給唯心主義在物種起源方麵的神創論和目的論以沉重打擊，對物種不變的形而上學自然觀也是一次致命的打擊。進化論使唯心主義和形而上學在生物起源方麵喪失了最後的地盤，同時，從科學方法論方麵，對那種不顧事實的思辯科學也是一個否定。達爾文的進化論在一片攻擊聲中受到了廣泛的關注，他為人類的起源和進化提供了證據。他的觀點得到了廣泛的引用，種族主義和種族平等者，重男輕女者和男女平等者，戰爭狂與和平主義者，資產階級社會學家和共產主義者，都引用進化論來論證自己的觀點。