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自然地理学与科学探险
在十八世纪后半期和整个十九世纪，系统的世界探险工作进行得很快，而且大部分是在真正科学精神下进行的。1784年，英国军需部在洪斯洛荒地（Hounslow Heath）测定基线，开始利用三角学进行测量。这样，法国地图学家丹维尔（d’Anvlle）所创始的精密地图和海洋图就都有可能给制出来了。
我们应当叙述一下普鲁士博物学家和旅行家洪堡男爵（vonHumboldt，1769－1859年）的工作。他最喜欢住在巴黎。在那里，他协助盖伊－吕萨克完成气体的研究（见211页）。他花了五年的时光在南美洲及墨西哥海湾的海上与岛上探险。根据这次旅行所得的观察结果，他认为应该把自然地理学与气象学当做是精确的科学。洪堡首先在地图上绘出等温线，因而得到一个比较各国气候的方法。他攀登过安第斯山脉的琴博腊索山（Chimborazo）与其他高峰，以观察温度随海拔增高而降低的比率。他研究了赤道带暴风与大气扰乱的起源；他研究了火山活动带的地位，认为火山活动带与地壳的裂缝是符合的。他调查了动植物在自然条件影响下的分布情况；他研究了从两极到赤道地磁强度的变化，并巳创造了“磁暴”这个名词来描述一个他首先加以记录的现象。
洪堡的劳动与人格引起人们很大兴趣，从而推动了欧洲各国的科学探险。1831年英国派出“猎犬号”（the Beagle，或音译为“贝格尔号”）进行了一次有名的航行，“完成了巴塔哥尼亚（Pata－gonia）与火地（Tierra del Fuego）的测量；又测量了智利、秘鲁的海岸和太平洋上一些海岛；并且进行了定期的环球联测”。当时宣布，这次航行“纯粹是为了科学的目的”，达尔文就以“博物学家”的身分，在这艘船上服务。
几年以后（1839年），有名的植物学家胡克（W．J．Hooker）爵士的儿子约瑟夫·胡克（Joseph Hooker，1817－1911年）加入了罗斯（James Koss）爵士的南极探险队，在那里花了三年时间研究植物。后来他又参加一个政府资助的远征队，到了印度的北边。1846年，赫胥黎（T．H．Huxley）离开英国，在“响尾蛇号”船上做外科医生，在澳大利亚海上进行了几年测量与制图工作。他生性热情，观察力锐敏，常常因为没有机会从事普遍感兴趣的精密科学研究而慨叹。这样，在十九世纪思想革命中起了重大作用的人物当中，就有三个在科学探险的航行中当过一个时期的学徒。有组织的发现与研究的最高潮是“挑战者号”（the Challenger）的远征。这艘船于1872年出发，在大西洋与太平洋上游弋几年，记录了有关海洋学、气象学及自然历史各个部门的资料。
海洋学尤其变得重要起来。美国海军部的莫里（Maury）研究了一个半世纪以前丹皮尔（Dampier）所留下来的有关风和洋流的问题，对于海上路线航行作了很大改进。海上的集群生物具有无数的形态，有显微镜下才看得见的、经亨森（Henson）命名的浮游生物、原生动物、变成海底软泥的放射虫的骸骨，还有各式各样大小的鱼类；它们的生活迁徒部分地以浮游生物为转移，因为有些鱼群以这些生物为饵料，常追随它们而游行。
地质学
拉普拉斯由于企图提出一个合理的学说来说明太阳系的起源，就促使人们注意到这个问题并激发了人们把地球当做太阳系的一部分加以研究的兴趣。不幸，在不顾教皇的无上权威，思想自由最为盛行的国家，《圣经》文字的权威也最为深入人心。所以在《创世记》以外任何有关地球起源的看法，必须经过一番新的斗争，才能得到一般的承认。就是在十九世纪中期，还有人认真地说化石是上帝（或魔鬼）埋藏在地下，以考验人们的信心的，但是我们都知道化石告诉我们的是另外一套故事。
从很早的时候以来，在开矿的过程中，人们就得到一些有关岩石、金属与矿物的知识。正象一些希腊哲学家那样，达·芬奇与帕利西（Palissy）已经认识到化石是动植物的遗体，但是一般人却以为化石是“造物的游戏”，是一种神秘的“溯形力”——自然界以各种方法创造所喜爱的形式的倾向——的产物。只有个别的观察者，如斯坦森（Niels Stensen，1669年），才认识到我们可以利用化石来探索地球的历史，但这种看法没有得到一般人的接受。伍德沃德（Johnwoodward，1665－1728年）赠给剑桥大学的大批化石大有助于证实化石来源于动植物的看法。1674年，佩劳尔（Perrault）证明地上的雨量足以解释泉水与河流的来源而有余，盖塔尔（Guettard，1715…1786年）说明风化怎样改变了地球的面貌。虽然如此，仍然有人对事实加以曲解，以附会圣经中关于天地开辟时有洪水或大火的说法，而有水成派与火成派的争论。
首先有系统地和这种观点作斗争的是在1785年发表《地球论》的赫顿（James Hutton，1726…1797年）。这一次又是对自然过程的实际认识，铺平了科学前进的道路。赫顿为了改进他在柏韦克郡（Berwickshire）的农场，先在诺尔福克（Norfolk）研究本国农业再到荷兰、比利时与法国北部学习外国的农业方法。他对人们所熟悉的沟、坑、河床等熟思了十四年，然后回到爱丁堡，奠定现代地质科学的基础。赫顿认为岩石的层化与化石的埋藏现今仍在海、河、湖沼之内进行。赫顿说：“不是地球固有的因素不予使用，而且不了解其原理的作用不予承认”——这是一句真正的科学格言，因为它力求避免一切不必要的假设。
一直到沃纳（Werner）指出地质岩层有规律地相继出现以后；一直到斯密斯（William Smith）根据化石的客藏算出岩层的相对年龄以后；一直到居维叶根据在巴黎附近发现的化石与骨骼、重新构成久已绝迹的哺乳动物以后；一直到拉马克（Jean Baptiste deLamarck）比较现今的介壳和化石的介壳，而加以分类以后；最后一直到赖尔（Charles Lyell）爵士把说明水、火山与地震等因素至今仍在改变地球的证据以及有关化石的事实，都收罗在他的《地质学原理》（1830…1833）之内以后，赫顿的“天律不变学说”才得到普遍的公认。长期不断的过程所积累的效果第一次为人类所充分把握；人们觉得利用岩石的记录，印证眼前仍在进行的自然作用进行推理，我们可以寻出地球的历史，至少可以寻出地球上有生物的一段时期的历史。
化石的生态说明生命在各确定的时期里有很大的改变。这与阿加西斯（Agassiz）与巴克兰德（Buckland）在1840年左右最先收罗到的关于冰河作用的地质证据是符合的。这些地质证据可以说明各个冰期。
人类的起源与年龄的问题是人类特别感兴趣的问题。由于发现原始人所用的石器，由于在现今欧洲已绝迹的动物遗骸附近发现兽骨和象牙雕刻，赖尔才得以在1863年确定人类在生物的长系列中的地位，而且指出人类在地球上存在的时期比公认的圣经年代学所说的年代要长得多。现在看来，很可能，我们的祖先摆脱比较原始的状态成为真正的人，约在距今百万至千万年之间，而文明不过是五千至六千年间的事。
自然历史
在布丰发表了他的巨著《动物的自然历史》以后，又有一位法国人对分类问题进行研究，把分类法放在坚实的基础之上。乔治·居维叶（Georges Cuvier，1769－1832年）是一新教教士的儿子。他父亲从朱拉（Jura）迁居符腾堡（Wurtemberg）保护国境内。在法国革命初期和恐怖时代，他在诺曼底（Normandy）安静地学习，随后到巴黎，即在法兰西学院得到一个重要的位置。他的特殊贡献在于，他在博物学家中最先对现在的动物的构造和古代化石的遗骼加以系统的比较，从而说明在研究生物发展的时候，过去与现在应当同样注意。居维叶站在科学发现的新时代的门口。他的主要著作《按其组织分布的动物界》（Le Regne Animal，distribued’apres son Organisation），是两派人的研究成果之间的桥梁。一派人把世界及其现象当做是静止的问题加以研究，一派人把世界及其现象当做是一出巨大的进化戏剧中一系列变动不已的场景加以研究。
不幸，科学家与从事实际工作的花匠和农民之间缺乏密切的联系，后者用杂交与选种的方法不断培育出许多动植物的新品种，或把已有的品种加以改良。十八世纪末，贝克韦尔（Bakewell）把长角羊改良为新的有用的勒斯特（Leicestor）种。科林（Colling）兄弟应用贝克韦尔的方法改良了提斯（Tees）山谷的短角种，这样就培育出最重要的英国羊种。
巨大变异的自发出现，是园艺家们都熟知的事实：
例如，一种变种梨会忽然生出一支结满优良水果的枝条来；山毛榉会莫名共妙地长出绿叶扶疏的枝干；山茶会开出意料不到的好花。如将它们从母树取下插枝或嫁接，这种变种可以长久维持下去。园圃中的许多花卉与果木的品种便是从这样得来的。
园艺家所培殖的新品种，多数是由不同品种甚至种的个体杂交而来。在后一情况下，我们晓得杂交的结果常比纯种生育不蕃，有时简直不能生殖。
达尔文以前的进化论
自然界处在进化过程中的观念至少可以上溯到希腊哲学家的时代。赫拉克利特认为万物皆在流动状态之中。恩培多克勒说生命的发展是一个逐渐的过程，不完善的形式慢慢地为较完善的形式所代替。到了亚里斯多德的时候，思辨好象更进一步，以为较完善的形式，不但在时间上来自不完善的形式，而且就是从不完善中发展而来。原子论者常被称为进化论者。他