本书所要阐述的是一种因在生物化学方面有所发现而被推至极限的思想理论——达尔文的进化论。生物化学是研究生物最基础部分的学科：也就是研究组成细胞和组织、并具有促进消化、光合作用、免疫等许多化学反应功能的分子。50年代中期生物化学研究的惊人进展为科学地了解这个世界作出了不朽的贡献，并给医学和农业带来了实实在在的好处。当然，为此我们也是要付出代价的。一旦基础被挖掘，那么矗立于这个基础之上的建筑就会摇摇欲坠；有时甚至会倒塌。当某些科学领域如物理学的基础理论最终被揭示出来，那么旧的认识世界的方式就必须被抛弃、彻底地改变或者被限至极小的范围，这种现象会不会通过自然选择而发生、作用于进化论身上呢？
正如许多伟大的思想一样，达尔文的进化论是极其简朴的。他观察到所有的物种都在变异；有的大一些，有的小一些，有的胖一些，有的颜色浅一些，等等。他认为由于有限的食物无法满足所有的生物，那么那些生命力强的物种就会比那些生命力弱的物种更有机会通过抗争最终生存下来并繁衍后代。如果某个物种具有遗传性，那么过一段时间这个物种就会发生变化，时间间隔越大，变化也就越大。
一个多世纪以来，大多数科学家认为，所有生物，至少是所有生物的全部重要特性实际上都是源于通过随机变异的自然选择。达尔文的思想一直被用于解释鸟嘴、马蹄、飞蛾的颜色、昆虫奴隶、地球上生物的分布及生物存在的年代等现象。他的理论甚至还被一些科学家用于解释人类的行为，诸如为什么绝望的人要自杀，青少年为什么会未婚生育，为什么有些学生的智力测验成绩比其他学生好，为什么宗教教士摒绝结婚生子等。所有有机体、所有想法、所有感觉和思想，无不成为进化论所涉猎的主题。
在达尔文推出他的理论近一个半世纪以来，进化生物学在我们周围能看到的生物类型方面取得了很大进展。对许多人来说，这种进展似乎是彻底的胜利，但就动物或有机物的整体而言，真正研究生物的工作尚未开始；生物中的最重要的部分还很微小，人们无法看到。生物中存在很多微小的东西，而与生物体内微小的东西有关的就是分子。达尔文的思想也许能够解释马蹄，但它能够解释生物的基础吗？
从某种意义上讲，生物学的历史是由一系列的黑匣子组成的；当一个黑匣子被打开，另一个黑匣子就自然显露出来。
黑匣子是一个奇怪的术语，它是指具有一定功能的物品，但由于其内在机制不为人所见，或有时因为难以理解而给人一种神秘感。计算机就是黑匣子的一个最好的实例。大多数人在使用这个神奇的机器时根本不必明确知道它是如何工作的，你可以处理文字、画表格或玩游戏而完全不必考虑主机内在做什么。
想象一下我们把一台装有长命电池的计算机运回到1000多年以前的亚瑟王的院子里，那个时代的人们看到这台古怪的机器会作何反应？也许大多数人会感到畏惧，也许有幸有人想弄明白它，有的人会发现，一碰到键盘荧屏上出现了字母。一些与计算机命令有关的一串字符会改变屏幕显示的内容；过一会他就会弄懂许多条命令。那些中世纪的英国人会认为他们已经揭开了计算机的秘密。与此同时，碰巧有人打开机壳探视机内工作原理，一时间“计算机工作原理”这一理论的发现反被认为是极其幼稚的。逐渐被揭秘的黑匣子也许会显露出另一个黑匣子。
在古代，生物学本身就是一个黑匣子，因为没有人能对生物现象作出解释。古代人呆呆地面对植物或动物，在深不可测的技术面前想弄个究竟，可他们真的是在黑暗中摸索。
最早期的生物研究只能是采取最原始的方法，即用肉眼观察。大约公元前400年（被尊为“医师之父”的希波克拉底时代）的一些书中描述一些常见病症状时认为生病与饮食和其他生理原因有关，并非上帝所为。尽管具有良好的开端，但面对生物的内在机理，那些古代人还是茫然不知所措，他们认为一切事物都是由土、气、火、水四种因素组成。而生物被认为是由四种“体液”组成——血液、黄胆汁、黑胆汁和粘液，且认为所有疾病都是因为其中一种体液过多所致。
古希腊最伟大的生物学家、也是最伟大的哲学家亚里士多德于希波克拉底在世时出生。与所有前人不同的是，他认识到了对自然的认识需要系统的观察和研究。通过认真仔细的研究他认识到生物界是存在着惊人的秩序性，这使生物研究向前迈出了重要的第一步。亚里士多德将动物归为两大类——有血液的和无血液的，这和现代的脊椎动物和非脊椎动物分类基本上是一致的。在脊椎动物中他发现了哺乳类、鸟类和鱼类。他将两栖动物和爬行动物单列为一类，而将蛇单归为一类。他的观察没有仪器的帮助，但亚里士多德的许多推理和认识是正确而合理的，尽管是在他去世几千年之后人们才获得了这些认识。
在亚里士多德之后的近千年中，仅出现几位重要的生物学家，其中之一就是盖伦，他是公元2世纪罗马的一位内科医生。盖伦的研究表明，要理解生物现象，（通过解剖）仅通过对植物内外部仔细研究是不够的。例如，盖伦试图了解动物器官的功能，尽管他知道心脏是输出血液的器官，但仅通过观察，他无法知道血液循环最终又回到心脏。盖伦错误地认为从心脏输出的血液是用来“灌溉”其他组织器官，同时体内不断造出新的血液以供给心脏。他的这种认识一直被当作教学内容沿用了近1500年。
直到17世纪才有一位叫威廉·哈利的英国人提出了血液不断地朝一个方向流动，循环一周又流回到心脏的理论。哈利计算出，如果心脏每跳动一次就能输出两盎司血液，按心脏每分钟跳动72次计算，那么，一个小时心脏就能输出540镑血液——也就是人体重的三倍！既然在这么短的时间内造出那么多血是显然不可能的，血液一定是被反复地利用了。哈利用这种逻辑推理（借助于容易计算的阿拉伯数字）来证明一种观察不到的活动可以说是前所未有的，它为现代生物学理论奠定了又一个新的基础。
中世纪时，科学研究的步伐加快了。以亚里士多德为榜样，相继出现的自然科学家层出不穷。早期的植物学家布伦法尔斯、博克、福切斯和瓦勒雷厄斯·考德斯对许多植物都有描述。随着朗迪利对动物生活的详细描述，科学地解释生物现象又取得了新进展。百科全书的编纂者诸如康拉德·盖斯纳出版了大量有关生物知识的书籍。林奈极大地发展了亚里士多德的分类方法，发明了按族、序、类、种的分类方法。比较生物学研究所表明的许多不同的观点也成为讨论的主题。
17世纪和18世纪时，由于科学家们综合了亚里士多德的和哈利提出的仔细观察和清晰的推理，从而使生物研究进展顺利。然而，观察不到一个系统的重要部分，即使是再仔细的观察和再清晰的推理都于事无补。尽管人类的肉眼能看见1／10毫米小的物质，但许多生物活动都是以极微小的方式存在的，所以，生物研究到达了一个高级阶段：有机物整体结构这个黑匣子虽被打开，但只是表现黑匣子的浅层部分。要取得更深一层的进展，生物学研究需要做进一步的技术突破。第一个突破就是发明了显微镜。
伽利略用这种显微镜惊奇地发现了昆虫的复眼。斯太勒用它观察蜜蜂和象鼻虫的眼睛、舌头、触角和其他部位。马尔皮菲证实了血液是通过毛细管循环的，并描述了小鸡心脏初期胚胎的发育情况。奈希未阿·格鲁用它观察过植物，斯威沫德姆用它解剖过蜉蝣；利文卢克是第一个用它观察细胞的人；罗伯特·胡克对软木塞和树叶进行过观察和描述（尽管他忽略了这些东西的重要性）。
自此，一场难以预料的微观世界的研究开始了。为了推翻有关生物的论断，查尔斯·辛格这位科学家、历史学家这样写道：“由此而展现的生物无限的复杂性与伽利略为我们上一代人揭示的有序而壮丽的天文世界一样在哲学上都是有鼓动性的，尽管后者用了很长时间才深入人心。”换句话说，有时新的黑匣子的出现要求我们对所有的理论加以修正。在这种情况下，难免会出现极大的不情愿。
到了19世纪初期，生物细胞理论终于由马歇尔·施雷顿和希奥多·施万提了出来。施雷顿最初从事植物组织的研究，他所提出的中心论点是有关细胞内的重要的黑点——细胞核的存在。而施万则侧重动物组织的研究，虽然观察到细胞较难，但他觉得动物的细胞结构与植物的相似，而且从某种意义上讲，细胞是有生命的独立体。他写道：“有关有机体原动力的答案就存在于每个细胞中。”施雷顿也提出这样的问题，“那么，最基本的问题是，这个小小的有机体的源泉是什么，是细胞吗？”
施雷顿和施万的研究工作处在19世纪初期到中期，正是达尔文出游并撰写《物种起源》时期。对于当时的达尔文及其他科学家来说，细胞就是个黑匣子，然而他却能很好地解释有关细胞之外的生物现象。生物进化思想并非达尔文首创，但是他对有关生物的进化原理——即生物变异的自然选择作出了最系统的描述和解释，这是他的独创。
与此同时，有关细胞黑匣子的探讨一直在稳步地进行。细胞研究由于光的波长而把显微镜推到了极限。从物理学上讲，可见光的波长大约只是生物细胞直径的1／10，所以细胞组织的许多微小、重要的细节用光显微镜是无法看到的。没有科学技术的进一步发展，细胞这个黑匣子无法打开。
19世纪末，随着物理研究的飞速进展，J．J．汤姆森发现了电，几十年以后人们发明了电子显微镜。由于电子波长比可见光的波长短，电光“照耀”下的再小的物质都可以看到。应用电子显微镜也有许多实际困难，至少电子束有可能毁坏标本。但人们最终找到了解决这一问题的办法。第二次世界大战后电子显微镜正式诞生了。新的下层细胞组织被发现：看到细胞核中的缝隙及线粒体（细胞的发电厂）的双层薄膜。在光显微镜下所见到的同一个简单的细胞如今在电子显微镜下显得有很大的不同。20世纪科学家在看到细胞的复杂结构时所表现的惊奇与早期光显微镜科学家看到的昆虫的细微结构时所表现的惊奇是一样的。
此时的科学发展水平足以使生物学家们开始向最难打开的黑匣子进军。“生命是如何运动的”此类问题远非达尔文和他那个时代的人所能回答。
对于达尔文来说，视觉就是个黑匣子，但经过许多生化学家的不断努力，如今对于视力这样的问题我们几乎可以回答了。
如果像达尔文以及今天推崇进化论的人那样只是从进化论的角度来解释整个眼睛的解剖结构是远远不够的。被达尔文认为如此简单的每一个解剖的步骤和结婚实际上包含着用语言文字难以表达的极为复杂的生化过程。
在此，生物化学对达尔文的理论提出了一个小小的挑战。很显然，解剖学可以回答有关分子是否会产生进化的问题。有关化石的记载亦是如此，至于记载中有没有空白或者所作的记载是否像记载美国总统那样连贯都没有什么关系。如果真的有空白，至于所记载的化石能否清楚是无关紧要的。因为有关化石的记载不能告诉我们11这一侧视网膜与视紫红质、传导蛋白和磷酸脂酶的相互作用是否是一步一步发展的。无论是生物地理学还是人口生物学的研究方式如何，也无论进化论对一些基本的器官或物种的传统解释如何。但这并不是说偶然的变化就是神话或者达尔文什么也解释不了（实际上他的微观进化论解释得相当不错），也不是说像人口遗传学这类的现象也无足轻重。其实，它们是确实值得研究的。如今细胞这个黑匣子已被打开，然而，在这个无限的世界里，还有许多现象有待解释。
摘自《达尔文的黑匣子》中央编译出版社出版
