Věda a Pojetí Evoluce: Od Velkého Třesku k Původu a Vývoji Života

největší příběh všech zahrnuje původu, make-up a vývoj našeho vesmíru, která zahrnuje život. Toto je příběh, který učíme v našem základním kurzu všeobecného vzdělávání ” věda a koncept evoluce.”Ve skutečnosti je to velkolepý příběh, sjednocený majestátností tématu; nicméně existuje spousta přesvědčivých subplotů. Jeden subplot je dokonalým doplňkem zastřešujícího příběhu-způsobu, jakým vědci poznali vesmír v celé jeho kráse a složitosti. Na našich vysokoškolských pedagogů vášnivě debatovat, jak nejlépe poskytovat všeobecné vzdělání; věříme, že tento kurz zasáhne mnoho správných poznámek. Zahrnuje témata, která hovoří o základní realitě naší existence. Dále zdůrazňuje lidské úsilí vědy. To jsou přesně ty druhy lekcí, které jsou důležité pro každého studenta, aby přijali; to znamená, že vesmír je velký, komplex, úžasné, a často poznatelný. Kurz zdůrazňuje, co víme, jak jsme se to naučili a co zůstalo neznámé. Aby studenti pochopili koncept, který vědci zásadně vysvětlili procesy, které se kdysi zdály nepoznatelné, patří mezi nejdůležitější poselství tohoto kurzu. Věda je živá a dynamická a univerzální neznámou je hranice, na kterou vědci vypluli jako průzkumníci.

Lámání Vesmíru do Základních Částí: Hmota, Síla a Čas

tvrdíme, že vědět vesmíru, by studenti měli znát jeho základní složení. V této jednotce rozbijeme vesmír na jeho základní stavební kameny. Nejprve představíme koncept nejmenšího kusu hmoty. Ale abychom tak učinili, neděláme pouze seznam základních částic. Spíše zkoumáme subplot objevu. Jak se lidé dozvěděli o základních částech hmoty? Počínaje Démokritos átom a ukazuje vývoj atomové teorie prostřednictvím sekvence vědci (Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr, Pauli, Fermi: Struktura Hmoty v Tabulce 1) jsme se nakonec s naší aktuální stav poznání: šest kvarků a šest leptony.

hmota není nehybná, nezamrzlá v prostoru a čase; pohybuje se, někdy dramaticky. Dále probereme tři zákony, kterými se řídí pohyb hmoty, s laskavým svolením Isaaca Newtona. Hmota se samozřejmě nepohybuje magicky; je zodpovědná síla (fyzika tabulky 1). Jako takový, trávíme několik přednášek o čtyřech základních silách, věnovat zvláštní pozornost gravitaci a elektromagnetismu. Tyto dvě síly, spolu se silnou jadernou silou, jsou nezbytné pro pochopení další jednotky, která částečně pokrývá život a smrt hvězd. Jakmile budou zavedeny pojmy hmoty a síly, přejdeme k základům termodynamiky(Tabulka 1 chemie). Žádná diskuse o vesmíru nemůže být úplná bez pochopení obou zákonů. První zákon termodynamiky je naprosto nezbytný pro následující bod: nic ve vesmíru není magické; to je, kdykoli objekt emituje nebo využívá energii, tato energie musí pocházet odněkud. V další jednotce se tento základní koncept používá k vytvoření důležitého bodu o hvězdách-zemřou. Druhý zákon termodynamiky není neméně důležitý. Vytváří sled událostí: řád jde do nepořádku, teplo proudí z horkých do studených těl a energie přechází z koncentrované formy do méně koncentrované formy s uvolňováním tepla. Jinými slovy, druhý zákon diktuje šipku času. Voilá, dokázali jsme to! Vesmír se rozpadl na hmotu, sílu a čas s hrstkou zákonů, které je řídí.

opětovné sestavení vesmíru

znát věc znamená vědět víc než základní stavební kameny. Koneckonců, kdyby vám byla představena každá z 11 bilionů buněk člověka po jednom, stěží byste pochopili, co to znamená být člověkem-také pro vesmír. Jako takový, v této jednotce se snažíme znovu sestavit vesmír do koherentní entity složené ze základních stavebních kamenů. Kniha, kterou používáme pro kurz, the Sciences by Trefil and Hazen (2007), má fascinující přístup, který je přijat pro první prezentaci v této jednotce. Představte si, že první člověk schopen utvořit otázku (možná jeden z naši hominidní předkové), vznikající ze spánku a díval se na noční oblohu. Jistě položili zřejmou otázku: “Jaké jsou tyto světelné body?”Tak se zrodila astronomie. V této třídě je stejná otázka položena studentům, pouze jim dovolujeme používat základní informace získané v předchozí jednotce. Tak následuje pozoruhodný logický sled: hvězdy vyzařují světlo; světlo je elektromagnetická energie; hvězdy nejsou magické, a proto se musí převést na jiné formy energie na světlo; hvězdy nejsou nekonečné v objemu, tak oni dojdou energie jednoho dne; všechny hvězdy budou umírat; a konečně, pokud všechny hvězdy umírají, pak všechny hvězdy narodily. Z této diskuse přirozeně plynou dvě otázky:

• jak se rodí hvězdy?

• jak hvězdy umírají?

odpovědi na tyto otázky jsou samy o sobě úžasné,ale jsou nezbytné pro pochopení původu samotného života, protože prvky života byly vytvořeny v kovárně termonukleární fúze. Podrobným popisem procesů zrození a smrti hvězdy, stavíme celou řadu hvězd: hvězdy hlavní sekvence (od žlutých hvězd velikosti Slunce po modré obry), červené obry, super červené obry, bílé trpaslíky, černé trpaslíky, neutronové hvězdy a černé díry. Znalost původu a vlastností tohoto obsazení hvězdy pohání domů klíčový bod, že naše představy o vesmíru generativních procesů a složení, které se vyvinuly jako nástrojů k dispozici ke studiu vesmíru se zlepšila (Tabulka 1 Kosmologie a Sluneční Soustavy, Astronomie).

jako příklad uvažujeme o způsobech, kterými astronomové měří vzdálenosti ke hvězdám. Triangulace pomocí trigonometrických funkcí pro měření vzdálenosti funguje dobře pro hvězdy v okolí. Ale před silnými dalekohledy existovala řada “fuzzy hvězd”, které byly příliš vzdálené na to, aby mohly být měřeny pomocí této techniky (Trefil and Hazen 2007). Edwin Hubble Cefeidy proměnné (speciální typ umírající hvězda, která odhaluje jeho absolutní jas po dobu trvání jeho rozjasnění/stmívání cyklu), aby určil, že tzv. fuzzy hvězdy byly opravdu shluky hvězd, které byly překvapivě daleko (Trefil a Hazen 2007), můžeme nyní rozpoznat tyto galaxie. Nejbližší galaxie k nám je Andromeda, vzdálená 2,5 milionu světelných let! Hubble nám pomohl uvědomit si nesmírnost vesmíru. Uspořádání galaxií ve vesmíru má skutečně rozsáhlou strukturu, ve které galaxie přicházejí ve shlucích a seskupeních. Hubbleův objev nesmírnosti vesmíru výrazně změnil náš smysl pro vesmír, ale nepřekvapil nás. Pomocí světelné spektroskopie (stejnou techniku provádějí studenti v laboratoři) Hubble zjistil, že všechny galaxie se od nás vzdalují; čím dál, tím rychleji se pohybují (Livio 2000). Hubble rozhodl, že takový výsledek může vysvětlit pouze univerzální expanze! Podruhé Hubble dramaticky změnil způsob, jakým se díváme na vesmír. Hubbleův objev dramatickým způsobem zdůrazňuje, že vesmír je plný překvapení a že vědci musí být připraveni je interpretovat ve stávajícím rámci, nebo v případě potřeby vymyslet nová vysvětlení.

vesmír je velký (vlastně nekonečný) a překvapení se zdají být spíše normou než výjimkou. V roce 1998 časopis Science pojmenoval objev, že vesmír se nejen rozšiřuje, ale že tak činí rozšiřujícím se tempem jako jeho “průlom roku” (Glanz 1998). Na tomto místě ve třídě, jsme založili, jak se formují hvězdy a umírají, jak jsou shromažďovány do galaxií, jak jsou galaxie rozmístěny v prostoru a jak jsou neustále zoomování od sebe na zrychlujícím tempem! Není to špatné pro jednotku ve třídě obecné vědy, ale příběh zde nekončí. Č; je pozoruhodné, že pomocí urychlovačů částic vědci s velkou přesností určili, jaké byly podmínky vesmíru v prvních okamžicích po Velkém třesku. Například v 10-35 s po Velkém třesku silná síla ztuhla a v 10-10 s existovaly všechny čtyři základní síly jako samostatné entity. Ohromující energie a expanze raného vesmíru vedly k důležitému jevu pro pochopení původu života; to znamená, že rychlá expanze zabránila tvorbě těžších prvků fúzí. Drtivá většina hmoty ve vesmíru je vodík, helium a lithium; všechno ostatní je vzácné. Ale vodík, hélium a lithium prostě nestačí na život. K účtu pro život, musíme vysvětlit původ těžších prvků: dusík, kyslík, fosfor a mnoho dalších, ale zejména uhlíku. Navíc musíme vysvětlit, jak se k nám dostali tady v naší sluneční soustavě.

život

v tomto okamžiku recenzní relace zkoumá snímky z Hubbleova dalekohledu. Studenti obdivovat obrazy planetárních mlhovin, které chrlí jejich obsah v diametrálně odlišné proudy plynu a elegantní spirální galaxie (mezi nejkrásnější objekty ve vesmíru). Končíme obrazy hlubokého polního průzkumu galaxií. Několik snímků, které jsou více míchání—galaxy na galaxy na galaxy hromadí jeden po druhém, aby se okraje vesmíru, každá galaxie mají miliony, miliardy nebo dokonce biliony hvězd. Pokud je cílem všeobecného vzdělávání vštípit našim studentům smysl pro místo a měřítko, co by mohlo být účinnější než hluboké porozumění vesmíru? Na druhou stranu není naším záměrem, aby se cítili malí a bezvýznamní. Jako protijed na tento přirozený pocit bytí nepatrné, následující citát je číst z Alan Dressler 1994 kniha, Cesta k velkému Atraktoru (Dressler 1994).

pokračujeme v nesprávném poučení z toho, co se nyní učíme. Astronaut, který vzal tethered spacewalk, zatímco na Gemini let byl nedávno dotázán, zda zkušenost ho změnila. Byl zasažen, vzpomněl si, jak malá a bezvýznamná byla země a lidské dobrodružství, ” jako mravenec plazící se přes Saharskou poušť.” Přesně. Mravenec, astronomicky přesile zrnka písku, ohromen podle velikosti nehostinné poušti, je však větší zázrak, zdaleka.

je čas zhodnotit objev, že život je nejsložitější věcí, o které ve vesmíru víme, a jako takový je nejvíce hoden našeho obdivu. Ano, vesmír zakrývá náš svět velikostí a nesmírnou silou. Ale vesmír hvězd, galaxií a obrovských zálivů vesmíru je tak velmi, velmi jednoduchý ve srovnání s námi a našimi bratřími. Kdybychom se mohli naučit dívat se na vesmír očima, které jsou slepé k síle a velikosti, ale mají zájem o jemnost a složitost, pak by náš svět zastínil galaxii hvězd. Vskutku, měli bychom žasnout nad vesmírem pro jeho majestátnost, ale musíme být skutečně v úctě k jeho největšímu úspěchu-životu.

udělení prohlášení je více metaforou než vědou, původ a vývoj života je určitě úspěchem, který stojí za prozkoumání ve třídě všeobecného vzdělávání. Navíc, tento kurz nám umožňuje zarámovat tento velký příběh do širšího fyzikálního a chemického evolučního kontextu způsobem, který kurzy čisté biologie nemohou. Živé organismy jsou tvořeny částicemi, uspořádanými v atomech tvoří různé prvky, které jsou uspořádány v oslnivé molekul interakce v závislosti na jejich chemických vlastnostech. Jak tedy tyto chemikálie vznikly a jak se staly na Zemi? První položkou, kterou v této poslední jednotce řešíme, je definovat život. Stejně jako v biologii je to složitější, než se zdá na první pohled. Trefil a Hazen (2007) řeší otázky uvedením charakteristik, které sdílí většina známých živých organismů:

1. všechny živé věci udržují vysoký stupeň pořádku a složitosti.

2. všechny živé věci jsou součástí většího systému hmoty a energie.

3. celý život závisí na chemických reakcích, které probíhají v buňkách.

4. veškerý známý život vyžaduje tekutou vodu.

5. organismy rostou a vyvíjejí se.

6. živé věci regulují jejich využívání energie a reagují na své prostředí.

7. všechny věci sdílejí stejný genetický kód, který se předává z rodiče na potomky.

8. všechny živé věci pocházejí ze společného předka.

první dvě položky jsou pojmy, které se přímo týkají dřívějších diskusí o zákonech termodynamiky. Jeden by měl být opatrní, aby upozornil, že tyto dvě položky nemusí znamenat, že život porušuje druhý zákon termodynamiky, ale že živé systémy jsou otevřené systémy, může přijímat energii, a jsou proto zdarma ke zkušenosti lokalizované zvyšuje v pořadí. Trochu více času strávíte s položkou 3. Nejprve zkoumáme ohromující rozmanitost života na planetě. Dále diskutujeme složitost tvarů, velikostí a ještě větší rozmanitost chemických reakcí, ke kterým dochází v živých systémech (Tabulka 1 chemie). Navzdory složitosti života a jeho biochemii není každý prvek v periodické tabulce rovnoměrně zastoupen v složení živých organismů. Vskutku, žádný prvek není pro pochopení života důležitější než uhlík. Pokud je v živých systémech tak velká složitost tvaru a chemie, pak by měl být flexibilní stavební blok; konečná sada erektorů, pokud chcete. Uhlík je zvláštní. Jeho schopnost vytvářet stabilní kovalentní vazby se čtyřmi dalšími atomy, včetně jiného atomu uhlíku, umožňuje velmi velké, složité molekuly. Příběh o původu života proto musí řešit ještě zásadnější otázku. Pokud život závisí na chemii uhlíku, odkud uhlík pochází? V odpovědi na tuto základní otázku, objevujeme také původ čtyř dalších prvků z často citované mnemotechnické pomůcky z úvodních tříd biologie, CHiNOPS: uhlík, vodík, dusík, kyslík, fosfor a síra (vodík vytvořený během první sekundy velkého třesku), které jsou nezbytné pro známý život a nacházejí se jako poměrně velké procento suché biomasy. To je důvod, proč biologové označují tyto základní makroelementy. V tomto kurzu, ukážeme, studenti některé působivě složité organické molekuly v každé z následujících typů sloučenin: lipidy, proteiny, sacharidy a nukleové kyseliny, a někteří instruktoři začlenit laboratoře s využitím molekulárních modelů nebo molekulární modelování software.

existuje také řada mikroelementů, které jsou nezbytné, ale v mnohem menším množství. Patří sem některé těžší prvky, jako je železo, jód a zinek. Odkud pocházejí všechny základní prvky? Při sestavování jednotky vesmíru zkoumáme procesy zrození a smrti hvězd. Studenti se dozvědí, že všechny hvězdy hlavní posloupnosti o velikosti našeho Slunce a větší nakonec podstoupí fúzi helia, což má za následek tvorbu uhlíku. Větší hvězdy vykazují fúzní vrstvy vedoucí k prvkům ještě masivnějším než uhlík, včetně fosforu a dusíku. Hvězdy hlavní posloupnosti nejméně osmkrát větší než naše Slunce budou mít nakonec jádro, které vede k železu. Žádné množství tlaku v jádru žádné hvězdy nemůže přimět železo k fúzi, takže je to nejtěžší prvek vytvořený v jádrech hvězd. Studenti mohou identifikovat a do značné míry vysvětlit procesy, které vedou ke vzniku uhlíku a téměř všech dalších nezbytných prvků-fúze ve hvězdných jádrech. Ale stále existují některé nevyřešené otázky, které studenti musí přemýšlet. Za prvé, některé základní prvky jsou masivnější než železo, například jód. Odkud pocházejí prvky těžší než železo? Za druhé, jak se uhlík a všechny ostatní základní prvky dostaly do naší sluneční soustavy?

odpověď na obě otázky je stejná-supernova. V Typu I supernovy, bílý trpaslík (horký uhlík/kyslík pozůstatek slunce-velká hvězda), rychle se čerpá plyn z jeho binární partnera, což vede k rychlému hromadění hmoty a tlak, a, nakonec, detonace bývalého bílý trpaslík (Trefil a Hazen 2007). V supernovách typu II se jádro železného popela velké hvězdy katastrofálně zhroutí do neutronového jádra, které se odrazí a rozbije na miliardy kilometrů padající hmoty. Ať tak či onak, energie je monstrózní. Energie produkovaná v supernově obou typů přesahuje energii emitovanou v tomto okamžiku všemi hvězdami v galaxii. Energie generovaná v supernově je dostatečná k fúzi každého prvku periodické tabulky, včetně jódu a dalších těžších bioesenciálních prvků. Po supernově se plyny naočkované každým prvkem v periodické tabulce vrhají významnou částí rychlosti světla. To znamená, že někdy v minulosti supernova odstřelila materiály tam, kde nyní sídlí naše sluneční soustava. Tyto plyny se buď vytvořily nebo přidaly do mlhoviny, obrovského oblaku plynu a trosek, které nakonec vedly do naší sluneční soustavy. Proto pečlivě rozvíjí sled událostí, které vedou k red giant a nakonec k výbuchu supernovy, studenti teď vím, kde jsou všechny prvky, včetně uhlíku, pochází a jak se dostal tam, kde Solární Systém v současné době žije. I když jsme se ani přiblížit k vysvětlení původu života, máme alespoň vysvětlit původ prvků, které tvoří život, a navíc, jak se dostali na Zemi sousedství.

jedna věc je umístit uhlík a všechny ostatní základní prvky do mlhoviny. Je úplně jiné je najít na planetě. Jak tedy tyto prvky skončily na Zemi? Astronomové obvykle vyvolávají nějakou verzi Mlhovinové hypotézy. V této hypotéze se mlhovinové plyny hluboko v oblaku, kterému dominuje vodík a helium, začnou gravitačně stahovat. Ale spíše než jednoduše kontrahovat do koule, oblak začíná rozvíjet rotační pohyb. Tato rotace chrlí tenké disky hmoty. Ačkoli tenký vzhledem k centrální hmotnosti a konečnému zdroji sluneční hmoty, je stále dostatečně podstatný, aby vytvořil lokalizované sbírky hmoty kvůli gravitaci. Země je jednou z těchto hmot, které se vytvořily na disku našeho vyvíjejícího se slunce. Jako jeho tři společníci vnitřní sluneční soustavy, Země se formovala jako malá skalnatá planeta, která má všechny bioesenciální prvky.

v tomto bodě třídy jsme zjistili, jak se uhlík a všechny prvky likvidují na Zemi. Aby se však vytvořil život, musíme vysvětlit původ organických chemikálií a navíc přítomnost chemikálií v atmosféře. Trefil a Hazen (2007) naznačují, že uvažujeme o tom, jaká byla raná země poté, co se vytvořila kolem našeho mladého slunce (Tabulka 1 věda o Zemi). Ačkoli osm různých planet tvořil (sans Pluto!), bylo mnoho, mnoho planetesimálů v rané sluneční soustavě. Tyto planetesimály se pohybovaly od velikosti balvanů až po několik kilometrů napříč. Země je ve srovnání se sluncem malá, ale byla dostatečně velká, aby gravitačně strhla mnoho planetesimálů. Jak se znovu a znovu rozbíjeli do země, pevná země se stala polotekutou a hustší materiály klesaly k jádru. Přesčas, země vyčistila své planetární okolí většiny trosek; to je ostatně součástí akceptované definice planety (usnesení 6 z XXV. Valného shromáždění v Praze: definice planety ve sluneční soustavě 2006). Jak méně energie zasáhlo zemi, velké bombardování skončilo a ochladilo se. Vznikla kůra, která zachytila plyny pod ní. Plyny nakonec vytvořily tlak a vybuchly v globálních sopkách. Pokud jsou dnešní sopky nějakým vodítkem, chrlily jednoduché plyny včetně oxidu uhličitého, vodíku, metanu, amoniaku a zejména vodní páry. Jak se země ochladila, atmosférická voda kondenzovala a padala, když déšť plnil oceány dešťovou vodou. Blesk jistě přichystal tuto brzkou bouřlivou, nabitou atmosféru. Tímto bodem, vytvořili jsme pouze věrohodný mechanismus pro lokalizaci jednoduchých sloučenin uhlíku v atmosféře, ale nevytváří složité organické látky. Musíme se stále zabývat jednoduchou otázkou-jak se uhlík dostal do organických sloučenin? Nikdy se nemůžeme vrátit v čase, ale můžeme se pokusit rekonstruovat, jaké byly podmínky v té době. To je to, co Stanley Miller a Harold Urey ve své slavné experimenty v 1950, že ukázal, jak v podmínkách rané Země by mohla vést k tvorbě organických molekul (Miller 1953; Miller a Urey 1959). Není třeba vyvolávat žádná kouzla, žádné triky moderní chemie, jen jednoduchý systém plynů, vody a tepla. Mohou existovat i jiné způsoby, že organické sloučeniny mohly být zavedeny na počátku Země; například, meteority mohou obsahovat organické sloučeniny, které mohou přežít dopad na Zemi. Ať už se to stalo, země je a jistě byla bohatá na organické molekuly—skutečná organická polévka.

jak tato polévka přinesla život, je jedním z velkých nevyřešených tajemství vědy a studenti se dozvědí o současných předních teoriích (Tabulka 1 vědy o živé přírodě). Možná to má něco společného s tím, že fosfolipidy tvoří duté kuličky, obsahující směsi organických chemických látek, možná to má něco společného s tím, jak molekuly RNA může působit jako šablonu nebo enzymu nebo snad to zahrnuje nesčetné procesy, které jsme ještě neodhalili. Čestným vědeckým postojem je, že neznáme odpověď. Připomínáme však studentům, aby si vychutnali neznámé, protože je to neznámé, které vede vědce k cestě s hvězdami a objevování. Jakmile se vytvoří život, mohl by se odehrát velký proces evoluční biologie, s přirozeným výběrem. Kurz je zakončen přehledem fosilních záznamů a biochemických důkazů, které podporují teorii biologické evoluce. Jako Charles Darwin proslul výrokem, že na konci jeho knihy, “je vznešenost v tomto názoru na život s jeho několika pravomocí, které byly původně vdechl do několika forem či do jednoho; a že, zatímco tahle planeta obíhá svou dráhu podle pevné zákon gravitace, z tak jednoduché začátku nekonečné formuláře nejkrásnější a nejúžasnější byly, a jsou, se vyvinul” (Darwin 1972). Tvrdíme, že Charles Darwin by byl velmi ohromen a hluboce dojat, když viděl, že jeho verze původu byla přesunuta zpět na začátek času a hmoty.