第一次科学革命的成就造成了18世纪占统治地位的形而上学唯物主义自然观。18世纪末19世纪初，进化的思想开始向牛顿和笛卡尔的不变论提出挑战。德国学者康德（1724—1804年）在23岁时就曾说过：“我若想发现真理，那么，就应该置牛顿、莱布尼茨的威仪于丝毫不顾。”
19世纪自然科学领域又取得了长足进展，突出表现在能量守恒和转化定律、细胞学说以及进化论的发现（恩格斯把它们称作19世纪自然科学的三大发现），它们揭示了自然界的普遍联系和历史演变，为唯物辩证法奠定了坚实的科学基础。
细胞学说
细胞学说把人们关于生物界统一性的思想提高到一个新阶段。
早在17世纪，英国物理学家罗伯特·胡克（1635—1703年）用问世不久的显微镜观察软木塞切片，发现了由大大小小的“小匣子”围成的蜂窝状结构，他把它们命名为“细胞”（cell，意为“小室”）。实际上，胡克看到的只是植物细胞壁。
稍后于此，荷兰的安东尼·凡·列文虎克（1632—1723年）成为成功应用显微镜来观察细胞的人。他不但观察了植物细胞，还发现了红血球和细菌，并且描绘了它们的形状。令人遗憾的是，他并没有认识到细胞的重要性。
19世纪20年代，人们研制成消色差显微镜，为观察细胞提供了极大方便。德国生物学家冯·贝尔（1792—1867年）于1827年发现哺乳动物的卵乃是一个细胞。
19世纪30年代，先是英国学者R 。布朗（1773—1858年）发现植物细胞核（1831年）；不久，捷克生理学家J 。E 。普金叶（1787—1869年）观察到了动物细胞核（1835年），并指出动物细胞和植物细胞相类似；继而德国植物学家于果· 冯 · 摩尔（1805—1872 年）最先记载了细胞有丝分裂的过程（1835—1839年）。
这时，细胞的存在已成众所周知的事实。但人们对细胞的内在结构、功能以及它在生物体中的地位仍然知之甚少。德国人施莱登（1804—1881年）和施旺（1810—1882年）共同奠定了细胞学说的基础。
植物学家马赛厄斯·雅各布·施莱登1838年发表论文枟植物发生论枠，提出细胞是构成植物体的单位。细胞不仅自己是一种独立的生命，而且作为植物体生命的一部分维持着整个植物体的生存。植物发育的基本过程就是活细胞的形成过程，新细胞起源于老细胞。施莱登还作出推测，细胞在形成过程中，最先形成的是细胞核。
动物学家西奥多·施旺在跟施莱登会面后，把细胞学说推广到动物界，从而创立了最一般的细胞学说。1839年，他发表枟关于动植物的结构和生长的相似性的显微研究枠，明确指出动物和植物都是由细胞组成的；这些细胞又都按照同样的规律形成和生长，细胞都包含了细胞膜、细胞质和细胞核。因此，生命的共性就是细胞。施旺庄严宣称：“我们已经推倒了分隔动植物界的巨大屏障，发现了基本结构的统一性。”他跟施莱登一样，也把细胞学说跟有机体发育的研究联系起来，相信既然所有的生命组织在结构上均由细胞组成，那么所有的生命从发生学上也应该从细胞开始。
德国解剖学家马克斯·约翰·西格斯蒙德·舒尔采（1825—1874年）进一步发展细胞学说。1861年，他提出原生质是构成一切生命的物质基础，创立了原生质学说。
德国病理学家鲁道尔夫·微耳和（1821—1902年）经过研究发现，细胞并不能像施莱登和施旺所认为的由原生黏液自然形成，相反，一切细胞都是由细胞分裂而来，说出了“细胞来自细胞”的名言。
微耳和还用细胞学说来说明疾病现象。1871 年，他发表枟细胞病理学枠，指出机体的生理活动和病理变化都取决于细胞，病变细胞由正常细胞变化而来，各种病变都与细胞的形成和细胞结构的异常变化有关，从而创立了细胞病理学说，成为西方现代医学的重要理论基础。但是，微耳和过高估计了细胞的作用，把疾病完全看作是局部的病变过程，这与事实不符。
综上所述，19世纪形成的细胞学说，既是关于有机体构造的学说，又是关于有机体生长发育的学说。从前者来看，它指出了千变万化的生物界在基本构造上的统一性，打破了把动植物分开来的形而上学壁垒；从后者来看，其建立首次科学地触及了生命运动的过程。有了细胞学，比较解剖学、生理学和胚胎学等等都获得了巩固的基础。现代生物学的许多重要成果得益于对细胞的深入研究。
能量守恒和转化定律
当力学、热学、光学等学科发展到一定阶段，能量守恒和转化定律终于被认识和论述，成为人类最先寻找到的自然科学内在统一性的一个伟大证据。
17世纪法国哲学家笛卡尔已经具备了运动守恒的初步思想。他在1644年出版的枟哲学原理枠中写道：“物质的运动有一个固定量，虽然在物质的某些部分中有时候有所增减，但是这个量从来不增加也不减少。就是这个缘故，当一部分物质以两倍于另一部分物质的速度运动，而另一部分物质却是这一部分物质的两倍时，我们应该认为这两部分物质具有等量的运动，并且认为每当一个部分的运动减少时，另一部分的运动就相应地增加。”
18世纪末，对摩擦生热现象的研究，导致热和功可以互相转化的认识。被称为伦福德伯爵（本名本杰明·汤普森，1753—1814年）的美国人，在慕尼黑一家兵工厂监制大炮时，根据对炮筒钻眼时炮筒变热的观察，产生用热做功与发热之间有密切联系的思想。他用钝刀钻炮膛的实验，证明摩擦的发热量与所作的功成正比。1798年，他发表枟关于摩擦生热的实验枠。
19世纪初，自然科学的发展使自然界中各种运动形式可以相互转化的现象不断被揭示。英国科学家W 。尼科尔逊（1753—1815年）和医生A 。卡莱尔（1768—1840年）通过电解水的实验证明电可以产生化学变化（1800年）；丹麦物理学家H 。C 。奥斯特（1777—1851年）的实验证明电可以转化为磁（1820年）；德国人T 。J 。塞贝克（1770—1831年）制成温差电偶，证明热可以转化为电（1821年）；英国科学家迈克尔·法拉第（1791—1867年）证明磁可以转化为电（1831年）。
在这样的基础上，不少科学家致力于系统研究，要把能量守恒和转化的个别现象上升为规律性的认识。
法国科学家尼克拉·莱奥纳尔·萨迪·卡诺（1796—1832年）建立了热力学原理。他对热的理解是：“热不是别的东西，而是动力（能量），或者可以说是改变了形态的运动。动力是自然界的一个不变量。准确地说，它既不能产生，也不能消灭。实际上它只改变它的形式，也就是说，它有时引起一种运动，有时则引起另一种运动，但决不消灭。”卡诺的这一思想成为能量守恒和转化定律的最初完整表述。可惜的是，由于患霍乱突然去世，他的笔记直到1878年才由他的弟弟发现并发表。
德国医生罗伯特·迈尔（1814—1878年）从压缩气体所做的功转变成热量这个假定出发，估算了热功当量的值。他指出，热在锅炉里产生，通过蒸汽机在转动的轮子上变成机械功，又在车轴、轮箍和轨道上转变成热。1842年，他把这种思想写进枟论无机自然界的力枠一文，发表在枟物理学年鉴枠上。他说：“能量是原因。原因在数量上是不可灭的，在性质上是一些可转化的实体。所以，能量是不可灭的、可转化的实体。”他的思想在当时没被引起充分注意。1871年，他才被英国王家学会授予科普利奖章。
也是在1842年，英国法官威廉·罗伯特·格罗沃（1811—1896年）在一次关于“自然界的各种力之间的相互关系”的演讲中，用当时的认识阐述了能量相互转化的关系。1846年，他出版枟物理力的相互关系枠一书，进一步说明能量守恒和转化原理。此书和德国学者赫尔姆霍茨（1821—1894年）枟论力的守恒枠被公认为世界上最早出版的论述能量守恒原理的权威著作。
英国物理学家詹姆斯·普雷斯特科·焦耳（1818—1889年）1840年得出以他的名字命名的定律：电流通过导线所产生的热量同电流强度的平方及电阻成正比。这就给出了电能向热能转化的定量关系，为发现普遍的能量守恒和转化原理奠定了科学基础。
1843年，焦耳又通过电和热、电和机械运动、机械运动和热的转化实验，精确测定了热功当量。并于当年首次发表他的实验结果。此后，他还以30多年的努力用不同的方法进行实验。因而，学术界通常把焦耳当做发现能量守恒和转化定律的代表人物。
德国物理学家赫尔曼·路德维希·费迪南德·赫尔姆霍茨，通过研究腐败和发酵现象（1842年）以及筋肉活动中的新陈代谢（1846年），也先后发现了能量守恒和转化原理。1847年他发表枟论力的守恒枠，系统严密地阐述了能量（在德语中，“力”向来可以在“能量”的意义上被使用）守恒原理。
英国物理学家开尔文勋爵（本名威廉·汤姆生，1824—1907年），1853年把能量守恒的思想表述为：当一个系统的工作物质从某一给定的状态无论以何种方式过渡到另一给定状态时，该系统对外做功与传递热量的总和是守恒的。这一总和就用该系统的内能变化来衡量。这就是热力学第一定律，是普遍的能量守恒和转化定律的特殊形式。如果把热量理解作一切形式的能量，那么这一表述就可以被理解为普遍的能量守恒和转化定律。
这一定律现在通常表述为：（1）自然界一切物质都有能量，能量有不同的形式。（2）由于物质运动不能创造或消灭，作为物质运动一般量度的能量也是不能创造或消灭的。（3）在任何与周围隔绝的物质系统（孤立系统）中，不论发生什么变化或过程，能量可以从一种形态转化为另一种形态，但能量的总和守恒保持不变；非孤立系统与外界可以发生能量交换，它的能量会有改变，但它增加（或减少）的能量值一定等于外界减少（或增加）的能量值。所以，从整体看来，能量之和仍然不变。
长期来，对能量守恒和转化原理的发现权出现了极大争论。如果从观点的系统形成看，卡诺最早；从论文发表的时间看，迈尔在前；从提供确凿的实验证据以定量研究来看，焦尔领先；如果从全面而精确地阐述这一原理看，当首推赫尔姆霍茨。其他许多科学家也在这前后独立地提出或发展了这一原理。因此，平心而论，能量守恒和转化定律是不同国家的许多科学家共同智慧和辛勤劳动的产物。
它的确立给哲学上的运动不灭原理提供了可行的科学证据。由于它是通过不同角度发现的，充分表明物质运动的形式多种多样，但自然界本身却是一个统一的客观存在着的整体，自然科学各个分支之间存在着惊人的普遍联系，这就将力学、声学、热力学、光学、电磁学等各部门综合成为完整意义的物理学。
能量守恒和转化定律植根于经典科学，但其有效性远远超出了经典科学的适用范围。它不仅是经验事实的概括，而且也成了科学理解的基本出发点。这就使该定律成为牛顿力学建立以来自然科学最重大的成就。
生物进化论
进化论也称演化论，严复（1854—1921年）译作“天演论”。生物进化的思想一直可以追溯到上古。古希腊就有陆地动物是从鱼类进化而来的思想，但那纯属猜测。
随着科学的进步，学者们通过比较的方法对大量的事实进行分析研究，对上帝创造万物和物种不变的观点疑窦日生。18世纪，科学的进化思想肇始。瑞典生物学家林奈从根本上说是一个物种不变论者。他在枟植物学哲学枠中说：“种的数目和全能者（上帝）在开天辟地的时候所创造出来的各种不同类型的数目是同样的多。这些类型按照繁殖规律又产生其他的、但是永远和自己相似的类型。”然而到了晚年，在其枟自然系统枠的最末一版，他对这种观念终于产生动摇，用假设的方法隐晦地表达了新观点：也许一个属的所有种最初只是一个。他还承认杂交可能产生新种。
与林奈同时代的法国博物学家乔治·布丰（1707—1788年），长期担任王家植物院长，历时50年写成鸿篇巨制枟自然史枠，首次绘出了自然界演化的图景，清楚地表述了进化思想。他从某些动物器官效用的丢失（如猪的侧趾），推测物种是可以变化的。因为如果物种自被创造以来一直不变，那么上帝一开始创造这些无用的器官就显得不可思议。他相信类人猿可能是人类退化的结果，提出“退化”的物种观。他还猜测了生物变异与环境的关系，提出物种可能有共同祖先的思想。
19世纪上半期，进化论日益风行，不仅在自然科学领域，而且在哲学、历史学和社会学方面都有影响。
法国生物学家让·巴蒂斯特·皮埃尔·安托万·德·莫内·拉马克（1744—1829年），是科学进化论的先驱。他发表了枟无脊椎动物的分类系统枠（1801年）、枟对有生命天然体的观察枠（1802年）和枟动物哲学枠（1809年）等，把动物种类系列化，提出“生物链条”的概念，创立了“进化论”一词，与物种不变论者进行激烈的斗争。
拉马克把生物演变看作是由低级到高级的直线形进化过程。认为有两种力量推动着生物的进化：一种是生物体内在的力量（包括动物的意志、欲望等等），它在物种的改进上不断起着推动作用，假如没有阻碍，它就会导致一个从简单的单细胞生物一直到人类的不断上升的直线系列；另一种就是环境的作用，它使生物体的进化偏离直线系列，使物种出现变异。而由环境引起的物种的变化，特别是器官的用废，是能够遗传并导致物种变化的。这就是用进废退原则（经常使用的器官就发达，不用就会退化）和获得性状遗传原则（指后天获得的新性状有可能遗传下去）。
拉马克的生物进化思想被称为“拉马克学说”。其获得性状遗传原则缺乏直接证据，但为生物进化论的发展提供了有用的假设。
生物进化论的集大成者是英国博物学家查尔斯· 罗伯特·达尔文（1809—1882年）。他的祖父伊拉斯谟·达尔文（1731—1802年），是英国著名的医生和博物学家，也是进化论的先驱之一。他提出了跟拉马克相类似的见解，并且认为生物为了维持生存或为了争夺异性而进化。
查尔斯·达尔文年轻时屈从父亲的意志进了剑桥大学基督学院学神学。课堂上灌输的全是世界万物都由上帝在七天内创造，一切不再发生新的变化的教条。
1831年，达尔文大学毕业后乘海军勘探船“贝格尔”号作历时5年的环球旅行，从英国普利茅斯港起航，南下非洲，又西渡南大西洋，抵达巴西，再绕过麦哲伦海峡到达南美西海岸的利马和加拉帕戈斯群岛，然后横渡太平洋去大洋洲，最后穿越印度洋经过好望角，于1836年10月回到祖国。
沿途他发现了大量有关动植物演变、发展的科学材料，逐渐形成生物进化的系统思想。他决心“用自然的力量来解释自然界的一切现象”。归国后，为了获得更加充分的证据，他着手搜集动植物在家养和栽培状况下发生变异的材料。很快他就发现新品种所以能适应人类需要，关键在于选择。
在此期间，达尔文受到英国经济学家托马斯 · 罗伯特 · 马尔萨斯（1776—1834年）的影响。他回忆说：“1838年10月，也就是开始我的系统探索的15个月之后，我为了消遣而偶然读到了马尔萨斯的枟人口论枠，而我由于长期不断观察动植物的习惯，对这种到处都在进行着的生存斗争，思想上早就容易接受，现在读了这本书立刻使我想起，在这些情况下，有利的变异常常容易保存，而不利的变异就常常容易消灭。它的结果就会形成新的物种。这样，我终于得到一个能够说明进化作用的学说了。”
达尔文整整花了20年时间刻苦钻研，1859年11月24日，枟物种起源枠（全名枟根据自然选择，即在生存斗争中适者生存的物种起源枠）出版，标志着生物科学的伟大革命。新书问世当日，初版1250本全部被抢购一空。
枟物种起源枠系统阐述了以自然选择为基础的进化学说。其基本思想是，世界上的万事万物都在发展变化，一切生物也都能发生变异，而且至少有一部分变异能够遗传给后代。这就是生物进化。这个过程是逐渐的、连续的，而不是突变的。
生物界进行着激烈的生存斗争，它包括跟同类、跟异种生物和跟自然环境条件的斗争三个方面。生物随着环境的变迁，为求生存而完成了适应性的“特化”（使特殊的机能发达），这就使生物界普遍存在变异。任何生物产生的生殖细胞或后代的数目要远远多于可能存活的个体数。一般来说，凡是具有能够较好地适应环境的变迁的个体，在斗争中将有较多的机会得到生存并繁殖，反之则被淘汰。比如，有些鹿生来颈就长一些，它们因能吃到更多的树叶而更能存活下来。经过漫长的岁月，那些颈变长的变异因素在生存斗争中总是保持着优势，终于形成今天的长颈鹿。因此，达尔文的结论是：生物体的生存斗争引起普遍存在的变异，自然选择造成生物进化。
达尔文后来又出版枟动物和植物在家养下的变异枠（1668年）和枟人类起源及性的选择枠（1871年）等著作，总结了用人工选择方法获得家畜和农作物新品种的实验成果，对人工选择作了系统阐述；并提出性选择及人类起源的理论，极其谨慎地宣称“人是与某些较低级的古老物种一起从同一个祖先进化而来的，人类的这些近亲现在已经灭绝了”。这一切都充实了进化论的内容。
在枟物种起源枠出版的前一年，英国博物学家艾尔弗雷德·拉塞尔·华莱士（1823—1913年）从马来群岛寄来了枟论变种无限离开原始型的倾向枠，独立地提出了与达尔文同样的思想。两人在伦敦林奈学会上同时宣读了有关自然选择的论文。这表明，进化论的创立已成为历史的必然。
但是，达尔文在确认自然选择导致生物变异的同时，缺乏对生物物种变异内在原因的分析，过高估计了生存竞争、自然选择和人工选择等外因在进化过程中的作用。此外，在其自然淘汰学说中把生物之间的竞争看得重于生物与环境的斗争，这就使得他的生存竞争概念有欠明确，事实上是不加分析和批判地把马尔萨斯的理论引进了进化论。
因此，生物进化论形成后还有新的发展。德国生物学家奥古斯特·魏斯曼（1834—1914年）对蝇类的进化、水蚤的生殖行为等等进行长期研究，于1892年正式提出，遗传的稳定性对进化而言更显重要。他认为生物体由专司生殖的种质（生殖细胞）和实现生命其他机能的体质（躯体细胞）所组成。体质由种质分化而来，随着个体死亡而死亡；种质却并不能从体质中生长出来。由于获得性状只对体质起作用，体质的变化并不会影响种质的变化，遗传就与体质无关，而必须通过种质。
这样，魏斯曼清除了达尔文主义中的拉马克学说成分，强调了种质的稳定性和连续性，创立了种质连续学说（简称种质论）。他又通过连续把22代1592只老鼠割去尾巴，而这些老鼠生下的后代仍长着完整的长尾巴的实验，证明获得性状确实不能遗传。
魏斯曼的种质论与达尔文的自然选择学说相结合，形成新达尔文主义。其要点是：外界条件的改变会引起生物的变异，但只有外界条件影响了种质，才会产生可遗传的变异，因此，自然选择的对象是种质（种质选择说）。
新达尔文主义仍然并非无懈可击。20世纪初又出现突变理论。作为孟德尔遗传学说1900 年再发现的三个学者之一的许戈· 德· 佛里斯（1848—1935年），致力于研究红杆月见草遗传规律，著枟突然变异学说枠（1901—1903年）。他把生物变异分为普通变异和突然变异两种，认为前者并不遗传，后者才遗传，新物种通过不连续的偶然的突变才出现。突变并非由环境决定。
突变论与达尔文自然选择学说相结合形成了现代达尔文主义。其要点是：基因突变和染色体畸变是进化的原始材料，而自然选择和地理隔离只是物种进化的必要条件。
达尔文主义还招致尖锐的批评。当今世界极具影响力的瑞士籍华人地质学家许靖华在其枟大灭绝——寻找一个消失的年代枠中，从20世纪的一系列考古发现、古生物地质学以及达尔文主义诞生的时代背景否定了生物进化论。他认为，地球生物发展的历史，是物种大规模地突然灭绝和紧接着的新物种的爆炸性形成的历史。导致以恐龙为代表的大量生命灭绝的原因，是大自然的突发灾变而非生物之间的互相竞争，“决定生物生死存亡的是机遇而不是优越性”，“生存的关键在机会而不在适者”。地球生命的历史并非残酷的斗争，而应是共同演化、共同生存、互相依赖。
不管人们对达尔文学说的评价如何众说纷纭，生物进化论毫无疑问是人类对生物界认识的伟大成就。它的形成，从根本上改变了当时生物科学各领域已经形成的概念，引起了巨大革命。
尤为重要的是，达尔文学说在自然科学领域以外产生的影响，远远超过了对生物学和博物学的意义。它是当时惟一一个不依赖于超自然的力量，又能给我们许多众所周知的事实以很好地解释的理论。它摧毁了各种唯心主义观念，为唯物主义思想的传播铺平了道路。进化论在人类思想上“引起的巨变超过了从文艺复兴运动中科学再生以来的任何其他科学进步”。
达尔文学说是对基督教会有史以来最致命的一击。它既清除了人和别的生物的界限，又否定了宣扬神创论、物种不变论的枟圣经枠的权威。引起保守派极大恐慌。1860年6月30日，在牛津大学召开的不列颠学会年会上，就出现了牛津大主教威尔伯福斯和“达尔文的斗犬”托马斯·亨利·赫胥黎（1825—1895年）的大论战。后来，赫胥黎发表枟人类在自然界的位置枠，明确阐述人是从古猿进化而来的观点。
医学家们试图通过自然选择机制来阐明人类疾病的起源和演化史，创立达尔文医学理论。它并未改变医学将个体当作医学主体的传统，但主张个体的人处于进化着的种群中，疾病在很大程度上应被当作生态化过程中的一个结果。达尔文医学要追踪人类疾病直接原因背后的历史根源，阐明就整体而言为什么人类对某些疾病易感而对另一些又不易感。关于糖尿病的发生率在现代社会为何如此之高的研究，成为达尔文医学理论的精彩的例子。
自然选择学说与人类社会进步观念的结合，产生了旨在防止人类劣质遗传从而退化的优生学。但是，优生学与民族主义结合又形成反动的种族主义理论。20世纪上半期，纳粹德国就以此而对犹太人进行惨绝人寰的大迫害。
英国社会学家赫伯特·斯宾塞（1820—1903年）混淆生物和社会两种性质不同的现象，把生物学中的变异、自然选择、遗传等概念运用到社会历史领域，将生存竞争作为社会发展的普遍规律，形成社会达尔文主义。这种理论认为，人类社会与自然界一样，同样存在着生存竞争。在竞争中，强者生存了下来，而弱者则被淘汰。只有这样，人类社会才能进步。这种“弱肉强食”的学说顺应了19世纪资本主义殖民扩张的需要。
应该说，社会达尔文主义与达尔文主义没有内在的必然联系。但是，斯宾塞的推广却使进化论成为更加广泛的社会思潮。