Các nhà thiên nhiên học cần tìm ra một cách chính xác để gọi tên cây cỏ và động vật mà không bị trở ngại ngôn ngữ. Nhưng ngay cả trước việc này, họ cần phải nhất trí với nhau về cách hiểu thế nào là một “loại” thực vật hay động vật.

Bao lâu các nhà thiên nhiên học còn xếp các cây cỏ và động vật theo thứ tự ABC, việc nghiên cứu thiên nhiên còn ở trong tình trạng sách vở và địa phương. Hiển nhiên thứ tự các cây cỏ và động vật sẽ tùy thuộc ngôn ngữ bạn đọc. Bản dịch La tinh sách bách khoa uy tín của Gesner bắt đầu bằng chữ Alces (Nai sừng tấm), nhưng bản dịch tiếng Đức lại bắt đầu bằng chữ Affe (Khỉ cụt đuôi), trong khi cuốn Lịch sử các động vật Bốn chân của Topsell Chương Một lại bắt đầu mô tả về loài linh dương, với chữ Antelope.

Các nhà thiên nhiên học cần tìm ra một cách chính xác để gọi các tên cây cỏ và động vật mà không bị trở ngại ngôn ngữ. Nhưng ngay cả trước việc này, họ cần phải nhất trí với nhau về cách hiểu thế nào là một “loại” thực vật hay động vật. Đâu là những đơn vị của thiên nhiên? Khi các nhà thiên nhiên học tiên phong hình thái khái niệm về “loài” (species), họ đã cung cấp một từ vững hữu dụng để phân loại toàn thể thiên nhiên. Dần dần, cách thức mô tả mới này sẽ mở ra nhiều câu hỏi không thể trả lời. Nhưng đồng thời nó cũng mở rộng nhãn giới về sự đa dạng của thiên nhiên. Và việc tìm kiếm một cách thức “tự nhiên” để phân loại vạn vật sẽ tạo ra những cuộc mạo hiểm tri thức vĩ đại của thời đại mới.

Trong những bộ bách khoa phổ biến cũ, như bộ Lịch sử các động vật bốn chân của Topsell, vẫn còn một màn sương dày đặc bao trùm các ranh giới giữa các loài động vật. Aristote đã chỉ mô tả được khoảng năm trăm loại.

Một khó khăn mà chúng ta đã quên mất, đó là niềm tin tưởng phổ biến vào việc sinh sản tự phát (ngẫu sinh). Aristote đã viết rằng ruồi, sâu bọ và những con vật bé nhỏ sinh ra một cách ngẫu nhiên từ chất hư thối. Vào thế kỷ 17, bác sĩ và nhà sinh lý học nổi tiếng người Flamand là Jan Baptista van Helmont (1577-1644) nói ông đã thấy những con chuột sinh ra từ cám và giẻ rách. Nếu các động vật có thể phát sinh một cách ngẫu nhiên, thì ta không thể nào định nghĩa được về loài như một vật sinh ra hay được sinh ra bởi một vật khác cùng loài của mình.

Phải dần dần và một cách miễn cưỡng, các nhà thiên nhiên học châu Âu mới từ bỏ được ý tưởng này. Như chúng ta đã thấy, thái độ khinh thị của Aristote đối với các loài sâu bọ “hạ đẳng” là dựa trên khái niệm của ông rằng những con vật này không có những cơ quan đặc trưng để phân biệt như nơi các động vật “thượng đẳng”. Francesco Redi (1626-1697) là người đã khám phá ra cách thức loài rắn tạo ra nọc độc và là người quan tâm đến những loài vật “hạ đẳng”, bao gồm những côn trùng. Sau khi kính hiển vi của Leeuwenhoek cho thấy những động vật nhỏ xíu có những cấu trúc phức tạp ra sao, các nhà thiên nhiên học như Swammerdam đã cảm thấy dễ dàng hơn để kết luận rằng những con vật nhỏ xíu này không sinh sản tự phát, nhưng chúng có những cơ quan sinh sản. Và Redi đã mô tả những bộ phận của côn trùng tạo ra trứng của chúng. Năm 1688, ông gợi ý rằng “Thịt và thảo mộc và những đồ vật khác… bị thối rữa không có vai trò hay chức năng nào trong việc sinh sản ra côn trùng, có chăng là chỉ chuẩn bị một chỗ thích hợp hay một tổ chức để tới lúc sinh sản, ấu trùng hay trứng hay hạt giống của côn trùng được con vật tạo ra và nở ra; và trong cái tổ này, con trùng mới sinh tìm ngay được thức ăn để nuôi dưỡng một cách đầy đủ”. Redi đã lấy một tấm vải phủ lên một miếng thịt thối hay đặt miếng thịt này vào trong một bình kín, nhờ đó ông chứng minh được rằng nếu ruồi không chạm tới miếng thịt để đẻ trứng thì sẽ không có giòi bọ sinh ra. Nhưng trong vài trường hợp khác, ông vẫn còn nghi ngờ có hiện tượng ngẫu sinh và vấn đề này còn là đề tài tranh cãi trong suốt hai thế kỷ nữa.

Ý tưởng về “loài” sẽ được định nghĩa, khai triển và ứng dụng một cách lợi ích bởi các nhà sinh vật học khá lâu trước khi khái niệm về ngẫu sinh có được kết luận và vấn đề này đã không thể giải quyết vì những khía cạnh thần học của nó. Các nhà khoa học cực đoan thấy rằng ý tưởng ngẫu sinh hữu ích cho giải thích của họ về nguồn gốc sự sống, làm cho vai trò của Thiên chúa trong việc tạo dựng trở thành dư thừa. Nhưng Louis Pasteur (1822-1895), một tín hữu Công giáo trung thành và một nhà thực nghiệm lỗi lạc, đã thấy vấn đề một cách khác. Theo ông, cần phải có một khái niệm trật tự về loài để hiểu được hoạt động sáng tạo của Thiên Chúa lúc khởi đầu. Sau những cuộc tranh luận gay gắt, các thí nghiệm của ông về sự lên men đã chứng tỏ sự tồn tại của những sinh vật trong không khí và chứng tỏ rằng sức nóng và sự khử bỏ các hạt bụi trong không khí sẽ ngăn ngừa được sự xuất hiện của thảm thực vật. Việc áp dụng thành công ý tưởng của ông trong công việc tiệt trùng sữa và trong việc cải thiện qui trình chế tạo rượu bia đã giúp thắt chặt những lập luận chống lại sự ngẫu nhiên.

Khi nghĩ đến sự khó khăn trong việc tạo ra một hệ thống phân loại toàn thể tạo vật, chúng ta không còn ngạc nhiên tại sao các tác giả của các sách về thực vật và động vật đã xếp loại chúng theo thứ tự ABC hay theo cách sử dụng của con người. Vì những khác biệt giữa các động vật thường dễ thấy hơn là giữa các thực vật nên những cố gắng đầu tiên để phân loại đã nhắm vào các động vật. Các tác giả thời Trung cổ bắt đầu dựa vào lược đồ của Aristote, trong lược đồ này Aristote đã phân chia các động vật có máu đỏ với tất cả các động vật khác, mà ông gọi là không có máu. Rồi các loại có máu lại được phân chia theo cách thức sinh sản (đẻ con hay đẻ trứng) và theo môi trường sống, còn những động vật khác được phân chia theo cấu trúc tổng quát của chúng (vỏ mềm, vỏ cứng, côn trùng, v.v…). Bản thân Aristote đã sử dụng một khái niệm về “chủng” từ tiếng Hi Lạp genos, hay giống; và loài (species) từ tiếng Hi Lạp eidos, hay dạng, có lẽ có xuất sứ từ Plato. “Chủng” hay giống của ông chỉ về những nhóm lớn hơn loài (species). Lược đồ khái quát của Aristote đã phục vụ tạm đủ cho các nhà thiên nhiên học châu Âu trong thời Trung cổ, khi ấy tương đối có ít thực vật hay động vật mới được người ta phát hiện. Họ chỉ việc xác định các thực vật và động vật của địa phương họ phù hợp với những mô tả trong các văn bản cổ.

Đến Thời đại Khám phá, người ta bắt đầu phát hiện ra vô số thực vật và động vật mới. Phải sắp xếp chúng thế nào? Làm sao có thể biết được cây nào hay con vật nào thực sự là mới?

Các mẫu thực vật và động vật, các câu chuyện của những du khách và những hình vẽ mới mẻ sống động về thiên nhiên tràn ngập khắp nơi và hết sức hỗn độn. Các sách bách khoa như của Gesner tập hợp lẫn lộn các sự kiện có thực với các điều tưởng tượng. Các điều kỳ lạ ở khắp nơi được qui tụ lại. Làm cách nào để sắp xếp từng mẫu một? Làm cách nào để dán nhãn, tổ chức, hay truy tìm?

Để tìm ra một “hệ thống” trong thiên nhiên, nhà thiên nhiên học trước tiến phải tìm hay tạo ra những đơn vị cho hệ thống của mình. Khái niệm về “loài” (species) đã giúp đạt mục đích này. Trong khoảng một trăm năm từ giữa thế kỷ 17 tới giữa thế kỷ 18, người ta đã đạt được nhiều tiến bộ trong việc phân loại thiên nhiên nhiều hơn là những gì đã đạt được trong cả một ngàn năm trước đó.

Hai nhà hệ thống hoá lớn (Ray và Linnaeus) đã làm cho mọi thực vật và động vật điều mà Mercator đã làm cho toàn thể bề mặt của trái đất. Giống như những nhà vẽ bản đồ trái đất đã bắt đầu từ những đường ranh giới tự nhiên của đất, biển, núi và sa mạc, thì các nhà thiên nhiên học cũng đã tìm những đơn vị tự nhiên nơi thực vật và động vật. Nhưng, như chúng ta đã thấy, ngay cả đối với bề mặt của trái đất, cũng cần phải chế ra những đường tưởng tượng về vĩ tuyến và kinh tuyến để những người khác có thể tìm ra vị trí của mình và mọi người có thể cũng chia sẻ sự gia tăng kiến thức. Cũng thế, các nhà thiên nhiên học phải chế ra những đơn vị để giúp những người khác ở khắp nơi có thể tìm ra vị trí của chúng trong cả một rừng thiên nhiên bao la. Giống như những “nguyên tử” trong hệ thống vật lý, những “loài” (species) này cuối cùng sẽ được mở ra và bị phá bỏ, nhưng đồng thời chúng cung cấp một bộ từ vựng cơ bản và thuận tiện. Vào cuối thế kỷ 20, “loài” đã trở thành quen thuộc và hữu ích đến nỗi nó trở thành cốt yếu mỗi khi ta nghĩ đến thực vật hay động vật, gần như là một cơ cấu tự nhiên của thiên nhiên.

Ngay từ đầu khái niệm “species” đã là một sản phẩm gặp nhiều sóng gió và tranh cãi. Cũng may cho tương lai của sinh vật học là John Ray (1627-1705) đã định nghĩa về “Species” ngay khi ông phát minh ra nó. Không giống những lược đồ trước kia, lược đồ của ông áp dụng cả cho thực vật lẫn động vật và làm cho người kế tục vĩ đại của ông có thể phát minh ra một hệ thống để phân loại toàn thể tạo vật. Tại Đại học Trinity, Cambridge, Ray học các tác giả cổ điển, thần học và khoa học tự nhiên (đậu cử nhân khoa học năm 1648), rồi trở thành một giảng viên của đại học, ông dạy các sinh viên chưa tốt nghiệp tiếng Hi Lạp và toán học. Một đạo luật của Quốc hội năm 1662 buộc mọi giáo sĩ, giảng viên đại học và các giáo viên trung học phải tuyên thệ chấp nhận mọi điều trong sách Kinh Chung, nhưng Ray không muốn chấp nhận một điều nào và vì thế ông đã từ bỏ chức vụ giảng viên đại học.

Một sự tình cờ may mắn đã cho Ray gặp một giảng viên của đại học trẻ tuổi hơn ông và rất giàu có. Francis Willughby (1635-1672), người đã tạo điều kiện cho Ray trở thành một học giả tự túc và độc lập suốt đời. Sau một thời niên thiếu bệnh tật, Ray đã tập thói quen đi dạo miền quê và rồi cùng Willughby trở thành đôi bạn trung thành thường xuyên dạo chơi khắp vùng đồng quê Cambridge. Ray theo đuổi những mối quan tâm khoa học của mình bằng cách mô tả mọi cây cỏ ông trông thấy và rồi tiếp tục khảo sát các cây cỏ tại những miền khác trên nước Anh. Ông đã xuất bản năm 1670 một sách phân loại các cây cỏ của nước Anh, trong đó thỉnh thoảng ông ghi chú những câu tục ngữ và các tên quen thuộc gọi của các miền khác nhau trên đất nước, kết hợp việc phân loại các tên gọi với các sinh vật. Ray và Willughby cùng nhau đi tham quan các nước Hà Lan, Đức, Italia, Sicily, Tây Ban Nha và Thuỵ Sĩ, đi đến đâu hai ông đều chăm chú để ý đến các loài thực vật. Trên đường, hai ông đã hình thành một kế hoạch to lớn, một thứ hợp đồng của tuổi trẻ thường ký kết nhưng ít khi thực hiện. Theo kế hoạch này, họ sẽ hợp tác thực hiện một công trình hệ thống hoá thiên nhiên toàn diện (mô tả toàn thể lược đồ về thiên nhiên dựa trên những quan sát của chính mình. Ray sẽ làm trong lãnh vực thực vật, Willughby trong lãnh vực động vật. Kế hoạch đầy tham vọng này đang tiến triển thì Willughby qua đời năm 1672 lúc đó mới 37 tuổi.

Trong khi đó các lá thư của Ray gởi cho Oldenburg đã gây ấn tượng rất mạnh cho Hội Hoàng gia đến nỗi không những ông được chọn làm hội viên của Hội, mà khi Oldenburg mất, ông đã được đề nghị giữ chức Thư ký của Hội. Nhưng Ray đã từ chối, vì trong di chúc Willughby đã để lại cho ông một khoản thu nhập hàng năm và thay vì trở thành một trung gian làm việc cho những nhà khoa học khác, ông muốn là một nhà nghiên cứu thiên nhiên độc lập. Ông dời đến ở trang viên Middleton của Willughby, tại đây ông duyệt lại các bản thảo của Willughby và xuất bản hai khảo luận, một về các loài chim, một về các loài cá, cả hai đều lấy tên tác giả là Willughby.

Sau đó ông đứng tên của mình xuất bản các tác phẩm của thế kỷ về thực vật. Cuốn sách vắn tắt Methodus Plantanrum (Phương pháp Thực vật, 1682) cống hiến định nghĩa khả thi đầu tiên về “Species” (loài) và cuốn Historia Plantarum (Lịch sử thực vật, 3 cuốn, 1686-1704) cung cấp một sự mô tả hệ thống mọi loài thực vật được biết đến ở châu Âu vào thời đó. Tuy Ray bắt đầu với Aristote, nhưng ông đi xa hơn bằng cách khai triển một lối sắp xếp thoả đáng hơn, phân loại các thảo mộc không chỉ theo một đặc điểm duy nhất như hạt của chúng, mà theo toàn thể cấu trúc. Dựa theo câu châm ngôn cổ Natura non facit saltum (Thiên nhiên không đi những bước nhảy vọt), Ray tìm kiếm những “bước trung gian”, những dạng ở giữa để lấp đầy toàn thể tạo vật. Ông cũng cải thiện lối phân loại chung của Aristote đối với các động vật và cũng nhấn mạnh đến những sự tương tự về hình dạng. Lối sắp xếp này tỏ ra hữu ích từ thời đó. Ray tiếp tục khảo sát các loài bốn chân và các loài rắn và là người tiên phong có những bài mô tả đầy đủ về côn trùng.

Trước khi Ray qua đời, ông đã gần hoàn thành kế hoạch to lớn thời trẻ của ông và Willughby về khảo sát hệ thống thiên nhiên dựa trên sự quan sát trực tiếp. Không giống những tổng lược sắp xếp theo thứ tự ABC của Gesner và những người đi trước, tác phẩm của Ray đã loại bỏ những loài vật thần thoại mà người ta vẫn ưa thích. Bằng việc loại bỏ những thứ thừa thải này và bằng việc phủ nhận sự ngẫu sinh, ông đã ở trong vị trí thích hợp để định nghĩa những đơn vị của đời sống tự nhiên cho những thế hệ các nhà thiên nhiên học kế tiếp.

Thành tựu to lớn của Ray chính là việc ông đã hình thành, hay nói chính xác hơn, ông đã là phát minh ra khái niệm mới về “species” (loài). Những gì Newton đã làm cho các sinh viên vật lý với các khái niệm của ông về trọmg lực và cung lượng, thì Ray đã làm cho các sinh viên khoa học tự nhiên. Ông đã giúp họ học hỏi dựa trên một hệ thống. Cũng giống như nhiều tư tưởng hình thành thế giới khác, khái niệm của ông cũng đơn giản một cách kỳ lạ. Chúng ta không biết ông đã đạt đến khái niệm ấy bằng cách nào. Nhưng chắc chắn trực giác mạnh bạo và sự nhấn mạnh của ông đã phải được khơi dậy bởi những quan sát sâu rộng mà bản thân ông đã thực hiện một cách trực tiếp. Sau cùng, với Ray, việc nhìn thấy vô số các mẫu động thực vật khác nhau (specimens) gợi ý cho ông rằng việc sử dụng khái niệm về loài (species) là rất thuận tiện (cả hai từ này đều do từ La tinh specere, “nhìn, xem thấy”). Khác với những người đi trước, ông đã tìm ra một hệ thống phân loại có thể áp dụng cho cả động vật lẫn thực vật.

Theo Ray, một “species” (loài) thực vật là một tên để chỉ một nhóm các cá nhân làm phát sinh những cá nhân mới giống như chúng qua việc sinh sản. Định nghĩa này cũng được áp dụng cho động vật. Bò đực và bò cái thuộc cùng một loài, vì khi chúng giao phối, chúng sinh ra một con vật giống như chúng.

Ray tin rằng, theo luật chung, mỗi loài đều cố định và không biến đổi qua các thế hệ. “Các dạng khác nhau trong các loài luôn luôn duy trì những bản tính biệt loại của chúng và một loaì không phát sinh từ giống của một loài khác”. Dần dần, khi ông càng nghiên cứu thêm nhiều mẫu động thực vật, ông nhận thấy có thể xảy ra những đột biến nh nhỏ. Ông kết luận, “Tuy dấu hiệu thống nhất này của một loài khá cố định, nhưng không phải là bất biến và tất yếu”.

Các nhà sinh vật học sau Darwin đã gay gắt chỉ trích Ray vì ông tin vào sự cố định của loài, là điều mà người kế vị ông là Linnaeus còn tin tưởng với nhiều xác tín hơn cả ông. Nhưng vào thời mình, việc Ray nhấn mạnh tính cố định và liên tục của loài đã là một bước tiến vĩ đại rồi. Nó giúp tạo được một bảng phân loại quốc tế sử dụng được cho toàn thể thế giới tự nhiên.

Lyell và các nhà địa chất học tiên phong khác sẽ đưa tính thống nhất vào trong lịch sử của trái đất. Ray có công đưa tính thống nhất vào trong lịch sử động vật và thực vật. Cả Lyell lẫn Ray đều không nói hết câu chuyện, nhưng cả hai đã giúp mở rộng những nhãn giới của thời gian, một thế giới mới đang tiến hoá và những vấn đề không giải quyết được của thế giới này. Ray thuộc số những người đầu tiên gợi ý rằng các mẫu hoá thạch tìm thấy trên núi và trong trái đất không phải là những vật ngẫu nhiên tồn tại mà là những di tích của những sinh vật xa xưa. Và ông đã đi đến kết luận là nó có khả năng nhiều loài từng tồn tại trong thời tiền sử có thể đã bị tuyệt chủng.