Lịch sử sinh học

Từ nguyên

Từ "biology" (sinh học) trong tiếng Anh là sự kết hợp giữa hai thành phần tiếng Hy Lạp βίος (bios) mang nghĩa "cuộc sống" và hậu tố "-logy" mang nghĩa "khoa học của", "nghiên cứu về", "hiểu biết về", "nói về", dựa trên động từ tiếng Hy Lạp λέγειν (legein) có nghĩa là "lựa chọn", "tụ họp" (danh từ liên quan đến nó là λόγος (logos) có nghĩa là "từ"). Thuật ngữ sinh học với nghĩa như hiện nay được giới thiệu một cách độc lập bởi Thomas Beddoes (1799), Karl Friedrich Burdach (1800), Gottfried Reinhold Treviranus (Sinh học hay Triết học của Tự nhiên sống, 1802), và Jean-Baptiste Lamarck (Hydrogéologie, 1802). Bản thân từ này xuất hiện trong tiêu đề của tập 3 của Philosophiae naturalis sive physicae dogmaticae: Geologia, biologia, phytologia generalis et dendrologia của Michael Christoph Hanow, được xuất bản vào năm 1766.
Trước khi có thuật ngữ "sinh học", một vài khái niệm được sử dụng để nói về bộ môn học nghiên cứu về động vật và thực vật. Lịch sử tự nhiên đề cập đến các yếu tố mô tả của sinh học, mặc dù nó cũng bao gồm khoáng vật học và các lĩnh vực khác không phải sinh học; từ thời Trung Cổ qua thời Phục hưng, cai khung thống nhất được sử dụng của lịch sử tự nhiên là scala naturae hay Chuỗi Vĩ đại của Tồn tại. Triết học tự nhiên và lý thuyết tự nhiên bao gồm nền tảng về định nghĩa và siêu hình về cuộc sống của động vật và thực vật, đề cập đến các vấn đề như tại sao các vật thể sống tồn tại và cái cách chúng tồn tại như thế nào, mặc dù những môn nghiên cứu này cũng bao gồm những thứ mà chúng ta biết bây giờ là địa chất học, vật lý học, hóa học, và thiên văn học. Sinh lý học và dược vật học là những lĩnh vực nghiên cứu về dược phẩm. Thực vật học và động vật học và (trong nghiên cứu về hóa thạch) địa chất học là những từ thay thế cho lịch sử tự nhiên và triết học tự nhiên trong thế kỷ 18 và 19 trước khi sinh học được chấp nhận một cách rộng rãi. Ngày nay, thuật ngữ thực vật học và động vật học vẫn được sử dụng rộng rãi, mặc dù chúng bao gồm những lĩnh vực khác của sinh học.

Những nền văn minh sớm

Những người cổ xưa nhất định đã truyền đạt lại kiến thức về thực vật và động vật để có thể tăng cơ hội sinh tồn trong tự nhiên. Các kiến thức này có thể là những hiểu biết về giải phẫu người và động vật, một số khía cạnh của hành vi động vật (chẳng hạn như mẫu hình di cư). Tuy nhiên, bước ngoặt lớn đầu tiên về kiến thức sinh học xuất phát từ cuộc Cách mạng nông nghiệp đầu tiêu cách đây khoảng 10.000 năm. Con người lúc này bắt đầu thuần hóa thực vật để canh tác, sau đó chăn nuôi gia súc để hỗ trợ cho xã hội định cư.

Các nền văn hóa cổ đại ở Lưỡng Hà, Ai Cập, tiểu lục địa Ấn Độ, Trung Quốc và ở những khu vực khác, đã sản sinh ra các bác sĩ phẫu thuật và học giả của các ngành khoa học tự nhiên nổi tiếng như Susruta và Trương Trọng Cảnh, phản ánh các hệ thống triết học tự nhiên độc lập với nhau. Tuy nhiên, gốc rễ của sinh học hiện đại thường bắt nguồn từ truyền thống thế tục của triết học Hy Lạp cổ đại.

Lưỡng hà cổ đại

Người Lưỡng Hà dường như ít quan tâm đến thế giới tự nhiên theo góc nhìn khoa học, họ quan tâm hơn đến cách các vị thần đã sắp xếp vũ trụ. Bộ môn sinh lý học động vật được nghiên cứu thực ra để hỗ trợ bói toán, đặc biệt là giải phẫu gan, một cơ quan quan trọng trong thuật bói haruspicy. Hành vi động vật cũng được nghiên cứu cho mục đích bói toán. Hầu hết thông tin về việc huấn luyện và thuần hóa động vật được phổ biến ở dạng truyền miệng, nhưng cũng tồn tại một văn bản liên quan đến việc huấn luyện ngựa.
Người Lưỡng Hà cổ đại cũng không có sự phân biệt giữa "khoa học" (theo nghĩa hiện đại) và ma thuật. Khi một người bị bệnh, các bác sĩ sẽ vừa tuyên những công thức ma thuật và vừa chữa trị bằng thuốc.  Các đơn thuốc y tế sớm nhất xuất hiện ở Sumer trong Triều đại thứ ba của Ur (khoảng năm 2112 - khoảng năm 2004 trước Công nguyên). Tuy nhiên, văn bản y học Babylon rộng rãi nhất là Cẩm nang Chẩn đoán được viết bởi ummânū, hay trưởng học giả, Esagil-kin-apli của vùng Borsippa, dưới triều vua Babylon là Adad-apla-iddina (1069 - 1046 BCE). Trong các nền văn hóa Đông Semitic, quyền chữa bệnh nằm trong tay các thầy thuốc kiêm trừ quỷ gọi là āšipu.  Nghề này được truyền từ cha sang con và rất được trọng vọng. Hiếm gặp hơn là asu, tức những thầy thuốc điều trị các triệu chứng vật lý bằng các phương thuốc như các loại thảo mộc, sản phẩm động vật và khoáng vật, cũng như các loại thuốc uống, thuốc mỡ hoặc thuốc đắp. Những thầy thuốc này, có thể là nam hoặc nữ, cũng có thể băng bó vết thương, nắn chân tay và thực hiện các ca phẫu thuật đơn giản. Người Lưỡng Hà cổ đại cũng thực hành các phép phòng bệnh và các biện pháp để ngăn chặn sự lây lan của bệnh.

Truyền thống Trung Quốc cổ đại

Ở Trung Quốc cổ đại, các chủ đề liên quan đến sinh học có thể được tìm thấy rải rác trên một số lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn như các tác phẩm của những nhà thảo mộc học, bác sĩ, nhà giả kim và cả những nhà triết học. Chẳng hạn, truyền thống Đạo giáo trong giả kim thuật Trung Quốc có thể được coi là một phần của khoa học đời sống do nhấn mạnh vào sức khỏe (với mục tiêu cuối cùng là thuốc trường sinh bất lão). Hệ thống y học cổ điển Trung Quốc thường xoay quanh các học thuyết về âm dương ngũ hành. Các nhà triết học Đạo giáo, như Trang Tử ở thế kỷ thứ 4 trước Công nguyên, cũng bày tỏ những ý tưởng liên quan đến tiến hóa, như phủ nhận sự bất biến của các loài sinh học và suy đoán rằng các loài đã phát triển các thuộc tính khác nhau để đáp ứng với các môi trường khác nhau.

Truyền thống Ấn Độ cổ đại

Một trong những hệ thống y học có tổ chức lâu đời nhất mà chúng ta biết có nguồn gốc từ tiểu lục địa Ấn Độ. đó là tác phẩm Ayurveda ("trí tuệ cuộc sống) có vào khoảng 1500 năm trước công nguyên, một phần của Atharvaveda (một trong bốn cuốn sách cổ nhất về kiến ​​thức, trí tuệ và văn hóa Ấn Độ).
Ayurveda của người Ấn Độ cổ đại đã phát triển độc lập khái niệm ba thể dịch ("dịch của cơ thể"), giống như thuyết bốn thể dịch của y học Hy Lạp cổ đại, mặc dù hệ thống Ayurveda còn có các thông tin bổ trợ khác, chẳng hạn như cơ thể bao gồm năm yếu tố và bảy loại mô cơ bản. Các tác giả Ayurveda cũng phân loại các sinh vật sống thành bốn loại dựa trên phương pháp sinh nở (sinh ra từ tử cung, từ trứng, từ nhiệt & độ ẩm và từ hạt) và cũng giải thích chi tiết những ý niệm về thai nhi. Người Ấn Độ cổ đại cũng đã có những tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực phẫu thuật; nhưng kiến thức này thường không đến giải phẫu người hoặc giải phẫu sinh thể động vật. Một trong những chuyên luận Ayurveda sớm nhất là Sushruta Samhita, được cho là do Sushruta viết vào thế kỷ thứ 6 trước Công nguyên. Đây cũng là một trong những sách dược liệu (materia medica) đầu tiên, mô tả 700 cây thuốc, 64 chế phẩm từ khoáng vật và 57 chế phẩm từ nguồn động vật.

Truyền thống Ai Cập cổ đại

Hơn một chục cuộn giấy cói về y thuật đã được bảo tồn đến tận ngày nay, đáng chú ý nhất là văn bản giấy cói Edwin Smith (cẩm nang phẫu thuật lâu đời nhất còn được giữ lại) và văn bản giấy cói Ebers (một cuốn sổ tay chuẩn bị và sử dụng dược liệu để trị các bệnh khác nhau), từ thế kỷ 16 trước Công nguyên.
Ai Cập cổ đại cũng được được biết với việc phát triển kỹ thuật bảo quản thi thể, nổi tiếng nhất là ướp xác, nhằm giữ lại hài cốt của con người và ngăn chặn việc phân hủy.

Truyền thống Hy Lạp và La Mã cổ đại

Các nhà triết học tiền Socrates đã đặt ra các câu hỏi về sự sống nhưng không có nhiều kiến ​​thức có hệ thống chuyên về sinh học. Chẳng hạn, những nhà triết học theo phái Nguyên tử luận muốn giải thích sự sống bằng thuần túy vật lý, quan niệm này cũng sẽ còn lặp lại nhiều lần trong lịch sử sinh học. Tuy nhiên, các lý thuyết y học của Hippocrates và những môn đệ của ông, đặc biệt là thuyết Thể dịch, để lại những ảnh hưởng lâu dài.
Nhà triết học Aristotle là học giả có ảnh hưởng nhất trong lĩnh vực thế giới sống vào thời cổ đại. Dù những tác phẩm đầu tiên của ông trong triết học tự nhiên chỉ là suy đoán, các tác phẩm sinh học sau này của Aristotle đã mang tính kinh nghiệm hơn, tập trung vào nguyên nhân sinh học và sự đa dạng của sinh giới. Ông đã thực hiện vô số quan sát về thiên nhiên, đặc biệt là những nét chính và những thuộc tính của thực vật và động vật ở thế giới xung quanh. Ông cũng dành thời gian và công sức đáng kể để phân loại những đối tượng này. Tổng cộng, Aristotle đã phân loại 540 loài động vật và giải phẫu ít nhất 50 loài trong số đó. Ông tin rằng mục đích trí tuệ, nguyên nhân cấu trúc (một trong bốn nguyên nhân trong góc nhìn triết luận của Aristole), đã chỉ dẫn tất cả các quá trình tự nhiên.
Aristotle, và gần như tất cả các học giả phương Tây sau ông cho đến thế kỷ 18, tin rằng các sinh vật được sắp xếp theo một mức độ hoàn thiện tăng dần từ thực vật lên đến con người, đây gọi là Bậc thang Sự sống hay scala naturae. Người kế tục của Aristotle tại Lyceum, Theophrastus, đã viết một loạt sách về thực vật học-cuốn Lịch sử thực vật. Cuốn sách này đã được giữ lại và được coi là đóng góp quan trọng nhất của thời cổ đại cho thực vật học, ngay cả vào thời Trung cổ. Nhiều tên do Theophrastus đặt vẫn được sử dụng cho đến ngày nay, chẳng hạn như carpo để chỉ trái cây và pericarpion để chỉ vỏ của hạt giống. Tiên phong trong lĩnh vực của mình, Dioscorides đã viết một cuốn bách khoa dược liệu, De Materia Medica, kết hợp các mô tả của khoảng 600 loại cây và công dụng của chúng trong y học. Pliny Trưởng lão, trong cuốn Lịch sử tự nhiên của mình, cũng đã lập nên một cuốn bách khoa toàn thư tương tự từ những sự vật trong tự nhiên, trong đó có cả nhiều loài thực vật và động vật.
Một vài học giả trong thời kỳ Hy Lạp hóa dưới triều vua Ptolemy, đặc biệt là Herophilus vùng Chalcedon và Erasistratus vùng Chios, đã chỉnh sửa các tác phẩm về sinh lý của Aristotle, thậm chí còn thực hiện mổ xẻ và giải phẫu sinh thể.Các tác phẩm của thầy thuốc Claudius Galen thì trở thành chuẩn mực quan trọng nhất về y học và giải phẫu. Mặc dù một số nhà triết học của phái Nguyên tử luận cổ đại như Lucretius đã thách thức quan điểm mục đích luận của Aristote (là cho rằng tất cả các khía cạnh của cuộc sống là kết quả của thiết kế hoặc mục đích), mục đích luận (và sau sự trỗi dậy của Kitô giáo, thần học tự nhiên) sẽ vẫn là trung tâm của những tư tưởng sinh học cho tận thế kỉ 18 và 19. Ernst W. Mayr lập luận rằng "Không có bất kỳ tiến bộ thực sự nào trong lĩnh vực sinh học từ sau Lucretius và Galen cho đến thời Phục hưng." Những ý tưởng truyền thống về lịch sử tự nhiên và y học Hy Lạp vẫn tồn tại, nhưng chúng thường không được nghi ngờ ở châu Âu vào thời trung cổ.

Hiểu biết vào thời Trung cổ và ở thế giới đạo Hồi

Sự suy tàn của Đế chế La Mã khiến nhiều kiến thức bị tiêu hủy hoặc bị thất truyền, dù các bác sĩ vẫn kết hợp nhiều khía cạnh của truyền thống Hy Lạp vào đào tạo và thực hành. Ở Byzantium và thế giới Hồi giáo, nhiều tác phẩm của Hy Lạp đã được dịch sang tiếng Ả Rập và nhiều tác phẩm của Aristotle đã được bảo tồn.
Trong thời Trung kỳ Trung cổ, một vài học giả châu Âu như Hildegard von Bingen, Albertus Magnus và Frederick II đã viết về lịch sử tự nhiên. Sự vươn lên của các trường đại học châu Âu, mặc dù rất quan trọng đối với sự phát triển của vật lý và triết học, lại không có nhiều tác động đến lĩnh vực sinh học.

Thời Phục hưng và những phát triển hiện đại đầu tiên

Quá trình Phục hưng ở châu Âu đã làm tăng sự quan tâm đến cả lịch sử tự nhiên và sinh lý học thực nghiệm. Năm 1543, Andreas Vesalius đã đánh dấu kỷ nguyên hiện đại của y học phương Tây với chuyên luận giải phẫu người xuất sắc của ông là De humani corporis fabrica ("Về cấu trúc con người"), với kiến thức dựa trên việc mổ xẻ trực tiếp xác chết. Vesalius là người đầu tiên trong một loạt các nhà giải phẫu học đang dần thay thế chủ nghĩa kinh viện bằng chủ nghĩa kinh nghiệm trong sinh lý học và y học (tức là dựa vào thực nghiệm quan sát được hơn là uy quyền và lý luận trừu tượng của các tác phẩm kinh điển). Thông qua bộ môn thảo dược học, dược liệu cũng gián tiếp là nguồn gốc của chủ nghĩa kinh nghiệm trong nghiên cứu thực vật. Otto Brunfels, Hieronymousus Bock và Leonhart Fuchs đã viết nhiều về các loài thực vật hoang dại, khởi đầu của một cách tiếp cận dựa trên tự nhiên đối với toàn bộ thế giới thực vật. Những cuốn bách khoa thư về thú (bestiary), một kiểu từ điển kết hợp cả những loài vật tự nhiên và những loài tưởng tượng (chẳng hạn như người cá, nhân sư), cũng trở nên tinh xảo hơn, đặc biệt là với các tác phẩm của William Turner, Pierre Belon, Guillaume Rondelet, Conrad Gessner và Ulisse Aldrovandi.
Các họa sĩ như Albrecht Dürer và Leonardo da Vinci, thường làm việc với các nhà tự nhiên học, cũng quan tâm đến cơ thể của động vật và con người, nghiên cứu chi tiết về sinh lý học và đóng góp vào sự phát triển của kiến ​​thức giải phẫu. Các kiến thức xa xưa về thuật giả kim và ma thuật tự nhiên, đặc biệt là trong tác phẩm của Paracelsus, cũng đặt ra những đòi hỏi về kiến ​​thức đối với thế giới sống. Những nhà giả kim đã bắt đầu nghiên cứu chất hữu cơ để phân tích hóa học và cũng bắt đầu tự do thí nghiệm với những liệu thuốc, cả hữu cơ và vô cơ. Đây là một phần của sự chuyển dịch lớn hơn trong cách nhìn thế giới (với sự trỗi dậy của triết học cơ học) và vẫn tiếp tục đến tận thế kỷ 17, phép ẩn dụ truyền thống tự nhiên là sinh vật dần được thay thế bằng tự nhiên là cỗ máy.

Tiến bộ trong thế kỷ 17 và 18

Hệ thống hóa, đặt tên và phân loại lịch sử tự nhiên là mối bân tâm hàng đầu trong suốt phần lớn thế kỷ 17 và 18. Carl Linnaeus đã xuất bản một sách phân loại cơ bản cho thế giới tự nhiên vào năm 1735 (các biến thể đã được sử dụng kể từ đó). Đến những năm 1750, ông đã giới thiệu tên khoa học (danh pháp hai phần) cho tất cả các loài của mình. Trong khi Linnaeus quan niệm các loài là một phần không thay đổi của một hệ thống phân cấp được thiết kế sẵn (hãy nhớ về Bậc thang Sự sống đã được đề cập ở trên), thì nhà tự nhiên học vĩ đại khác của thế kỷ 18, Georges-Louis Leclerc, Bá tước Buffon, coi các loài là khái niệm do con người đặt ra và có thể thay đổi, thậm chí ông còn gợi ý về tổ tiên chung. Mặc dù phản đối thuyết tiến hóa, Buffon là một nhân vật chủ chốt trong lịch sử tư tưởng tiến hóa; công trình của ông sẽ ảnh hưởng đến các lý thuyết tiến hóa của cả Lamarck và Darwin. 
Việc phát hiện và mô tả các loài mới cũng như sưu tập mẫu vật trở thành niềm đam mê của các quý ông khoa học và là một cơ hội sinh lợi (dù đầy mạo hiểm) cho các doanh nhân. Nhiều nhà tự nhiên học đã đi gan dạ chu du khắp thế giới để tìm kiếm kiến ​​thức khoa học và phiêu lưu.
Mở rộng công trình của Vesalius thành các thí nghiệm trên những cơ thể còn sống (của cả người và động vật), William Harvey và các nhà triết học tự nhiên khác đã tìm hiểu vai trò của máu, tĩnh mạch và động mạch. Cuốn sách của Harvey, De motu cordis (1628) là khởi đầu cho việc chấm dứt uy quyền của Galen trong y học. Cùng với các nghiên cứu về chuyển hóa của Santorio Santorio, cuốn sách là hình mẫu có ảnh hưởng trong cách tiếp cận định lượng đối với sinh lý học.
Đầu thế kỷ 17, qua kính hiển vi, một thế giới hoàn toàn mới được hé mở trong sinh học. Một vài những thợ làm mắt kính và các nhà triết học tự nhiên đã tạo ra kính hiển vi thô từ cuối thế kỷ 16, Robert Hooke đã công bố cuốn Vi thể (Micrographia) dựa trên các quan sát bằng kính hiển vi ghép của chính ông vào năm 1665. Nhưng phải đến khi Antonie van Leeuwenhoek bắt đầu cải tiến mạnh mẽ kính hiển vi vào những thập niên 1670-với độ phóng đại đặt được lên tới 200 lần chỉ với một thấu kính duy nhất-thì các học giả mới phát hiện ra tinh trùng, vi khuẩn, các loài trùng cỏ và khám phá sự kì diệu và đa dạng của thế giới vi mô. Những nghiên cứu tương tự của Jan Swammerdam cũng thu hút những mối quan tâm về côn trùng học; ông cũng xây dựng các kỹ thuật cơ bản của phương pháp giải phẫu và nhuộm vi mô.
Trong khi thế giới vi mô đang mở rộng, thế giới vĩ mô lại dần thu hẹp lại. Các nhà thực vật học như John Ray đã làm việc để tích hợp vô số các sinh vật mới được phát hiện từ khắp nơi trên thế giới vào một hệ thống phân loại thống nhất và một quan điểm thần học mạch lạc (thần học tự nhiên). Tranh luận về trận Đại hồng thủy trong sách Sáng thế đã thúc đẩy cho sự phát triển của cổ sinh vật học. Năm 1669, Nicholas Steno đã xuất bản một bài tiểu luận về việc các phần thừa của các sinh vật sống có thể bị kẹt trong các lớp trầm tích và bị khoáng hóa để tạo nên hóa thạch. Mặc dù các quan điểm về hóa thạch của Steno khá phổ biến và được tranh luận nhiều giữa các nhà triết học tự nhiên, ý tưởng cho rằng tất cả hóa thạch có nguồn gốc hữu cơ không đạt được sự đồng thuận trong giới học thuật cho đến tận cuối thế kỷ 18 do những tranh luận về triết học và thần học với các vấn đề như tuổi của Trái Đất và sự tuyệt chủng.

Thế kỉ 19: Sự bùng nổ của các ngành sinh học

Trước thế kỷ 19, phạm vi sinh học chủ yếu nằm trong ranh giới của y học, liên quan đến các câu hỏi về cấu trúc và chức năng (nghĩa là sinh lý học) và lịch sử tự nhiên, liên quan đến đa dạng thế giới sống, sự tương tác giữa các dạng sống khác nhau và cả tương tác giữa những thứ sống và không-sống. Đến năm 1900, phần lớn các lĩnh vực này chồng chéo lẫn nhau, còn lịch sử tự nhiên (và bộ môn gần gũi, triết học tự nhiên) phần lớn đã nhường chỗ cho các ngành khoa học chuyên ngành hơn như tế bào học, vi khuẩn học, hình thái học, phôi học, địa lý học và địa chất học.

Lịch sử tự nhiên và triết học tự nhiên

Cuộc phiêu lưu của các nhà tự nhiên từ đầu thế kỷ 19 đến giữa thế kỷ 19 đã cho biết vô số thông tin mới về sự đa dạng và phân bố của các sinh vật sống. Đặc biệt quan trọng trong số này là các công trình của Alexander von Humboldt. Ông đã phân tích mối quan hệ giữa các sinh vật và môi trường của chúng (một lĩnh vực của lịch sử tự nhiên) bằng cách sử dụng các phương pháp định lượng của triết học tự nhiên (tức là, sử dụng vật lý và hóa học). Công trình của Humboldt đã đặt nền móng cho địa lý sinh học và truyền cảm hứng cho nhiều thế hệ các nhà khoa học sau đó.

Địa lý học và cổ sinh vật học

Các ngành học địa chất mới nổi cũng đưa lịch sử tự nhiên và triết học tự nhiên lại gần nhau hơn. Việc phát hiện và  lập ra những cột địa tầng đã liên kết sự phân bố không gian của các sinh vật với sự phân bố theo thời gian của chúng, tiền thân của các khái niệm tiến hóa. Georges Cuvier và những người khác đã có những bước tiến lớn trong giải phẫu so sánh và cổ sinh vật học vào cuối những năm 1790 cho đến đầu thế kỷ 19. Trong một loạt các bài giảng và bài báo so sánh chi tiết giữa động vật có vú và hóa thạch còn sống, Cuvier đã có thể xác định rằng: hóa thạch là di sản của loài đã tuyệt chủng chứ không phải là loài vẫn còn sống ở nơi khác trên thế giới, như thời đó người ta vẫn nghĩ. Hóa thạch cũng được phát hiện và mô tả bởi Gideon Mantell, William Buckland, Mary Anning và Richard Owen cũng những người khác đã giúp chỉ ra rằng: từng có một "thời đại của bò sát" trước cả khi có động vật có vú thời tiền sử. Những khám phá này khơi gợi được tưởng tượng của công chúng và đã thu hút sự chú ý vào lịch sử sự sống trên trái đất. Hầu hết các nhà địa chất học ủng hộ thuyết thảm họa (cho rằng sự biến đổi của Trái Đất là do trải qua những "thảm họa", chẳng hạn như đại hồng thủy, và chịu sự chi phối của những nguyên tắc khác với bây giờ), nhưng cuốn Nguyên tắc Địa chất (1830) có ảnh hưởng của Charles Lyell lại phổ biến và tăng thêm sức nặng cho thuyết bất biến (hay thuyết đồng nhất) của Hutton, cho rằng Trái Đất trải qua những biến đổi từ từ và chịu ảnh hưởng bởi những quy tắc giống với hiện tại.

Tiến hóa và địa lý sinh học

Lý thuyết tiến hóa quan trọng nhất trước Darwin là của Jean-Baptiste Lamarck; dựa trên sự kế thừa các đặc điểm có được (một cơ chế di truyền được chấp nhận rộng rãi cho đến thế kỷ 20), lý thuyết đã mô tả một chuỗi phát triển trải dài từ vi khuẩn bậc thấp nhất cho đến con người. Nhà tự nhiên học kiệt xuất người Anh là Charles Darwin đã kết hợp cách tiếp cận địa lỹ sinh học của Humboldt, các nguyên tắc bất biến của Lyell, các tác phẩm của Thomas Malthus về tăng trưởng dân số, và chuyên môn của ông là hình thái học để tạo ra một lý thuyết tiến hóa thuyết phục hơn dựa trên chọn lọc tự nhiên. Khá trùng hợp, những bằng chứng tương tự cũng khiến Alfred Russel Wallace độc ​​lập đưa ra kết luận tương tự.
Việc xuất bản lý thuyết của Darwin trong cuốn Nguồn gốc các loài theo phương pháp chọn lọc tự nhiên, hay việc bảo tồn các chủng ưu thế trong cuộc đấu tranh vì sinh tồn vào năm 1845 thường được coi là sự kiện trung tâm trong lịch sử sinh học hiện đại. Uy tín Darwin trong lĩnh vực tự nhiên học, giọng văn tỉnh táo của tác phẩm, cộng với lượng bằng chứng vô cùng nhiều và có sức nặng, cuốn Nguồn gốc các loài đã thành công vang đội, trong khi các công trình tiến hóa trước đây như cuốn Tàn tích của Sáng thế đã thất bại. Hầu hết các nhà khoa học đã bị thuyết phục về sự tiến hóa và tổ tiên chung vào cuối thế kỷ 19. Tuy nhiên, chọn lọc tự nhiên sẽ không được chấp nhận là cơ chế tiến hóa chính cho đến tận thế kỷ 20, vì hầu hết các lý thuyết di truyền đương thời dường như không phù hợp với sự di truyền các biến dị ngẫu nhiên.
Wallace, người kế tục các công trình của de Candolle, Humboldt và Darwin, đã có những đóng góp lớn cho ngành Động vật học. Vì quan tâm đến giả thuyết biến đổi, ông đặc biệt chú ý đến sự phân bố địa lý của các loài gần gũi trong quá trình nghiên cứu thực địa, đầu tiên là ở Nam Mỹ và sau đó là ở quần đảo Malay. Khi ở trong quần đảo, ông đã xác định được đường chia Wallace: là một đường chạy cắt ngang qua quần đảo Spice, phân tách hệ động vật của quần đảo thành hai vùng rõ rệt là vùng châu Á và vùng New Guinea/Úc. Câu hỏi mấu chốt mà ông đặt ra ở đây, tại sao hai hòn đảo với khí hậu rất giống nhau lại có hệ động vật khác nhau đến vậy, chỉ có thể được trả lời bằng cách xem xét nguồn gốc của chúng. Năm 1876, ông đã viết cuốn Phân bố địa lý của động vật, là tác phẩm tham khảo tiêu chuẩn trong hơn nửa thế kỷ, và phần tiếp theo, Sự sống ở đảo, vào năm 1880 tập trung vào địa lý sinh học ở đảo. Ông đã mở rộng hệ thống sáu vùng được phát triển bởi Philip Sclater, vốn dùng để mô tả sự phân bố địa lý của các loài chim, cho các loại động vật. Phương pháp lập bảng dữ liệu của ông về các nhóm động vật tại các khu vực địa lý đã nêu bật những điểm gián đoạn. Mối quan tâm của Wallace đến tiến hóa giúp ông đưa ra những giải thích hợp lý, điều chưa từng được thực hiện trước đây.
Các nghiên cứu khoa học về di truyền đã phát triển nhanh chóng sau dấu mốc Nguồn gốc muôn loài của Darwin, với các tác phẩm của Francis Galton và nhà sinh học thống kê khác. Công trình năm 1866 của mục sư Gregor Mendel về các quy luật di truyền thường được coi là cột mốc đầu tiên của di truyền học. Tuy nhiên, tác phẩm của ông chìm vào quên lãng và không được công nhận là có ý nghĩa đến tận 35 năm sau đó. Trong khi đó, một loạt các lý thuyết khác về di truyền (dựa trên thuyết mầm, thuyết tiến hóa thần học hoặc các thuyết khác) đã được tranh luận và nghiên cứu mạnh mẽ. Phôi học và sinh thái học cũng trở thành lĩnh vực sinh học trung tâm, đặc biệt là nhờ mối liên kết của chúng với tiến hóa và được đông đảo mọi người biết đến qua công trình của Ernst Haeckel.

Sinh lý học

Trong suốt thế kỷ 19, phạm vi sinh lý học đã mở rộng rất nhiều, từ chỉ nghiên cứu chủ yếu về mặt y học đến nghiên cứu các khía cạnh vật lý và hóa học của thế giới sống, bao gồm cả thực vật, động vật và thậm chí cả vi sinh vật. Sinh vật là một cỗ máy trở thành một phép ẩn dụ chi phối trong tư duy sinh học và xã hội.

Lý thuyết tế bào, phôi học và lý thuyết mầm bệnh

Những cải tiến ở kính hiển vi cũng có tác động sâu sắc đến tư duy sinh học. Vào đầu thế kỷ 19, một số nhà sinh học đã chỉ ra tầm quan trọng đặc biệt của tế bào. Vào năm 1838 và 1839, Schleiden và Schwann bắt đầu thúc đẩy các quan điểm rằng (1) đơn vị cơ bản của sinh vật là tế bào và (2) mỗi tế bào đều mang tất cả các đặc điểm của sự sống, nhưng họ lại bất đồng ở điểm (3) tất cả các tế bào đều đến từ sự phân chia của các tế bào khác. Tuy nhiên, nhờ công trình của Robert Remak và Rudolf Virchow, đến thập niên 1860, hầu hết các nhà sinh học đã chấp nhận cả ba nguyên lý trên, nay được biết đến với tên gọi: học thuyết tế bào.
Học thuyết tế bào khiến các nhà sinh vật học nhìn nhận mỗi sinh vật, dù hoàn thiện và thống nhất, là một tập hợp của các tế bào phụ thuộc lẫn nhau. Các nhà khoa học trong lĩnh vực tế bào học, sử dụng những thiết bị hiển vi ngày càng mạnh mẹ và các phương pháp nhuộm mới, đã sớm phát hiện ra rằng: tế bào phức tạp hơn nhiều so với hình ảnh các buồng chứa chất lỏng đồng nhất từ những quan sát trước đó. Robert Brown đã mô tả nhân tế bào vào năm 1831, và vào cuối thế kỷ 19, các nhà tế bào học đã xác định được nhiều thành phần tế bào quan trọng: nhiễm sắc thể, trung thể, ty thể, lục lạp và các cấu trúc khác có thể nhìn thấy qua phương pháp nhuộm. Giữa năm 1874 và 1884 Walther Flemming đã mô tả các giai đoạn khác nhau của quá trình nguyên phân, chỉ ra rằng chúng không phải là lỗi nhân tạo trong quá trình nhuộm mà là một hiện tượng xảy ra trong các tế bào sống. Một điểm quan trọng khác cũng đã được quan sát, nhiễm sắc thể tăng gấp đôi số lượng ngay trước khi tế bào phân chia và quá trình này tạo ra một tế bào con. Phần lớn các nghiên cứu về quá trình nhân lên tế bào đã ăn nhập với nhau trong lý thuyết di truyền của August Weismann: ông xác định nhân (đặc biệt là nhiễm sắc thể) là vật liệu di truyền, đề xuất sự phân biệt giữa tế bào soma (tế bào sinh dưỡng) và tế bào mầm (Weismann cho rằng số lượng nhiễm sắc thể phải giảm một nửa cho tế bào mầm, tiền đề cho khái niệm giảm phân sau này) và đã áp dụng lý thuyết "mầm cơ quan" của Hugo de Vries. Công trình của Weismann có sức ảnh hưởng rất lớn, đặc biệt là trong lĩnh vực phôi học thực nghiệm mới nổi.