videnskab og begrebet Evolution: fra Big Bang til livets oprindelse og udvikling

den største historie af alle omfatter oprindelsen, makeup og udvikling af vores univers, som omfatter livet. Dette er den historie, vi underviser i vores generelle Uddannelseskernekursus “videnskab og begrebet Evolution.”Det er faktisk en stor historie, forenet af emnets Majestæt; ikke desto mindre er der en overflod af overbevisende underplots. En delplot er et perfekt supplement til den overordnede historie—den måde, hvorpå forskere har lært universet at kende i al sin pragt og kompleksitet. På vores college pædagoger debatterer varmt, hvordan man bedst kan levere almen uddannelse; vi mener, at dette kursus rammer mange af de rigtige noter. Det omfatter emner, der taler til den grundlæggende virkelighed i vores eksistens. Desuden understreger det videnskabens menneskelige bestræbelser. Dette er nøjagtigt de slags lektioner, der er vigtige for enhver universitetsstuderende at omfavne; det vil sige, universet er stort, komplekst, vidunderligt, og ofte kendt. Kurset understreger, hvad vi ved, hvordan vi lærte det, og hvad der er ukendt. For studerende at forstå konceptet om, at forskere grundlæggende har forklaret processer, der engang syntes ukendte, er blandt de vigtigste budskaber i dette kursus. Videnskaben er levende og dynamisk, og det universelle ukendte er den grænse, som forskere sejler til som opdagelsesrejsende.

at bryde universet i grundlæggende dele: materie, kraft og tid

vi argumenterer for, at for at kende universet, skal eleverne kende dets grundlæggende sammensætning. I denne enhed bryder vi universet ind i dets grundlæggende byggesten. Først introducerer vi begrebet det mindste stykke stof. Men for at gøre det laver vi ikke blot en liste over grundlæggende partikler. Hellere, vi udforsker delplottet af opdagelsen. Hvordan kom mennesker til at kende de grundlæggende dele af materien? Begyndende med Democritus ‘ s kristtom og viser udviklingen af atomteori gennem en række forskere (Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr, Pauli, Fermi: materiens struktur i tabel 1) slutter vi med vores nuværende videnstilstand: seks kvarker og seks leptoner.

materie er ikke ubevægelig, ikke frosset i rum og tid; det bevæger sig, nogle gange dramatisk. Så næste, vi diskuterer de tre love, der styrer materiens bevægelse, med tilladelse fra Isaac. Selvfølgelig bevæger materien sig ikke magisk; en kraft er ansvarlig (tabel 1 fysik). Som sådan bruger vi flere foredrag om de fire grundlæggende kræfter, idet vi lægger særlig vægt på tyngdekraft og elektromagnetisme. Disse to kræfter, sammen med den stærke atomkraft, er afgørende for at forstå den næste enhed, der delvis dækker stjernernes liv og død. Når begreberne materie og kraft er etableret, går vi videre til de grundlæggende elementer i termodynamik (tabel 1 Kemi). Ingen diskussion af universet kan være komplet uden en vis forståelse af begge love. Den første lov om termodynamik er absolut vigtig for at gøre følgende punkt: intet i universet er magisk; det vil sige, når et objekt udsender eller bruger energi, skal den energi komme et eller andet sted fra. I den næste enhed bruges dette grundlæggende koncept til at gøre et vigtigt punkt om stjerner—de dør. Den anden lov om termodynamik er ikke mindre vigtig. Det etablerer en række begivenheder: orden går til uorden, varme strømmer fra varme til kolde kroppe, og energi går fra en koncentreret form til en mindre koncentreret form med frigivelse af varme. Med andre ord dikterer den anden lov tidens pil. Voil, vi har gjort det! Universet opdelt i Stof, kraft og tid med en håndfuld love, der styrer dem.

genmontering af universet

at vide en ting er at vide mere end de grundlæggende byggesten. Når alt kommer til alt, hvis hver af et menneskes 11 billioner celler blev præsenteret for dig en ad gangen, ville du næppe forstå, hvad det betyder at være et menneske—så også for universet. Som sådan sigter vi i denne enhed mod at samle universet igen til en sammenhængende enhed, der består af grundlæggende byggesten. Bogen, Vi bruger til kurset, the Sciences by Trefil and Hasen (2007), har en fascinerende tilgang, der er vedtaget til den første præsentation i denne enhed. Forestil dig den første person, der er i stand til at danne et spørgsmål (måske en af vores hominide forfædre), der kommer ud af en søvn og kigger op på nattehimlen. De stillede helt sikkert et indlysende spørgsmål, ” Hvad er disse lyspunkter?”Således blev astronomi født. I denne klasse stilles det samme spørgsmål til studerende, kun vi tillader dem at bruge de grundlæggende oplysninger, der er lært i den foregående enhed. Således følger en bemærkelsesværdig logisk sekvens: stjerner udsender lys; lys er elektromagnetisk energi; stjerner er ikke magiske, og derfor skal de konvertere en anden form for energi til lys; stjerner er ikke uendelige i volumen, så de vil løbe tør for energi en dag; alle stjerner vil dø; og endelig, hvis alle stjerner dør, så blev alle stjerner født. To spørgsmål stammer naturligvis fra denne diskussion:

• Hvordan fødes stjerner?

• hvordan dør stjerner?

svarene på disse spørgsmål er vidunderlige i sig selv, men de er afgørende for at forstå selve livets oprindelse, for det er i smeden af termonuklear fusion, at livets elementer blev genereret. Ved at specificere processerne med stjernefødsel og død, vi konstruerer et panoply af stjerner: hovedsekvensstjerner (fra gule stjerner i solstørrelse til blå giganter), røde giganter, superrøde giganter, hvide dværge, sorte dværge, neutronstjerner og sorte huller. At kende oprindelsen Og egenskaberne af denne rollebesætning af stjerner driver hjem det centrale punkt, at vores ideer om universets generative processer og sammensætning har udviklet sig, efterhånden som de tilgængelige værktøjer til at studere universet er forbedret (tabel 1 kosmologi og Solsystemastronomi).

som et eksempel overvejer vi de måder, som astronomer måler afstande til stjerner. Triangulering ved hjælp af trigonometriske funktioner til måling af afstand fungerer godt for stjerner i nærheden. Men før kraftige teleskoper var der en række “uklare stjerner”, der var alt for fjerne til at blive målt ved hjælp af denne teknik (Trefil og Hasen 2007). Hubble brugte Cepheid-variabler (en særlig type døende stjerne, der afslører sin absolutte lysstyrke ved varigheden af dens lysnings-/dæmpningscyklus) for at bestemme, at de såkaldte uklare stjerner virkelig var klynger af stjerner, der var forbavsende langt væk (Trefil og disen 2007); vi genkender nu disse som galakser. Den nærmeste galakse til os er Andromeda, 2,5 millioner lysår væk! Hubble hjalp os med at indse universets uendelighed. Faktisk har arrangementet af galakser i universet en storskala struktur, hvor galakser kommer i klynger og grupperinger. Hubbles opdagelse af universets uendelighed ændrede i høj grad vores følelse af universet, men han blev ikke gjort overraskende os. Ved hjælp af lysspektroskopi (den samme teknik udføres af studerende i laboratoriet) opdagede Hubble, at alle galakser bevæger sig væk fra os; jo længere væk jo hurtigere bevæger de sig (Livio 2000). Hubble fastslog, at kun universel ekspansion kunne forklare et sådant resultat! For anden gang ændrede Hubble dramatisk den måde, vi ser universet på. Hubbles opdagelse understreger på en dramatisk måde, at universet er fuld af overraskelser, og at forskere skal være parat til at fortolke dem inden for de eksisterende rammer eller om nødvendigt udtænke nye forklaringer.

universet er stort (uendeligt faktisk), og overraskelser synes at være normen snarere end undtagelsen. I 1998 udnævnte Videnskabsmagasinet opdagelsen af, at universet ikke kun ekspanderer, men at det gør det med en ekspanderende hastighed som dets “gennembrud af året” (Glan 1998). På dette tidspunkt i klassen har vi fastslået, hvordan stjerner dannes og dør, hvordan de samles i galakser, hvordan galakserne er arrangeret i rummet, og hvordan de konstant bevæger sig væk fra hinanden med en accelererende hastighed! Ikke dårligt for en enhed i en generel videnskabsklasse, men historien slutter ikke her. Ingen; bemærkelsesværdigt har forskere ved hjælp af partikelacceleratorer bestemt med stor præcision, hvordan universets forhold var i de første øjeblikke efter Big Bang. For eksempel ved 10-35 s efter Big Bang frøs den stærke kraft ud, og ved 10-10 s eksisterede alle fire grundlæggende kræfter som separate enheder. Den fantastiske energi og udvidelse af det tidlige univers førte til et vigtigt fænomen for at forstå livets oprindelse; det vil sige, hurtig ekspansion forhindrede dannelsen af tungere elementer gennem fusion. Langt størstedelen af stof i universet er brint, helium og lithium; alt andet er sjældent. Men hydrogen, helium og lithium vil simpelthen ikke være tilstrækkeligt for livet. For at redegøre for livet skal vi forklare oprindelsen af tungere elementer: nitrogen, ilt, fosfor og mange andre, men især kulstof. Desuden er vi nødt til at forklare, hvordan de kom til os her i vores solsystem.

Life

på dette tidspunkt undersøger en gennemgangssession billeder fra Hubble-teleskopet. Studerende undrer sig over billeder af planetariske tåger, der spyder deres indhold i diametralt modsatte gasstråler og på elegante spiralgalakser (blandt de smukkeste objekter i universet). Vi afslutter med billeder af dybfeltundersøgelsen af galakser. Få billeder er mere omrørende-galakse på galakse på galakse stablet op efter hinanden til universets kanter, hver galakse besidder millioner, milliarder eller endda billioner af stjerner. Hvis et mål med almen uddannelse er at give en følelse af sted og skala hos vores studerende, hvad kunne være mere effektivt end en dyb forståelse af universet? På den anden side er det ikke vores hensigt at få dem til at føle sig små og ubetydelige. Som en modgift mod denne naturlige følelse af at være minimal læses følgende citat fra Alan Dresslers bog fra 1994, rejse til den store tiltrækker (Dressler 1994).

vi fortsætter med at tage den forkerte lektion fra det, vi nu lærer. En astronaut, der havde taget en bundet rumvandring, mens han var på en Gemini-flyvning, blev for nylig spurgt, om oplevelsen havde ændret ham. Han var blevet ramt, mindede han om, hvor lille og ubetydelig jorden og det menneskelige eventyr var, “som en myre, der kravlede over Sahara-ørkenen.” Præcis. Myren, astronomisk undertal af sandkornene, overvældet af størrelsen af den ugæstfri ørken, er ikke desto mindre langt det større vidunder.

det er på tide at gøre status over opdagelsen af, at livet er den mest komplekse ting, vi kender til i universet, og som sådan mest værdig til vores beundring. Ja, universet dværger vores verden i størrelse og enorm magt. Men universet af stjerner, galakser og store gulfs af rummet er så meget, meget simpelt i forhold til os og vores brødre livsformer. Hvis vi kun kunne lære at se på universet med øjne, der er blinde for magt og størrelse, men ivrige efter subtilitet og kompleksitet, så ville vores verden overskygge en galakse af stjerner. Ja, Vi bør undre os over universet for dets Majestæt, men vi må virkelig være i ærefrygt for dets største præstation—livet.

at give udsagnet er mere metafor end videnskab, livets oprindelse og udvikling er bestemt en præstation, der er værd at udforske i en generel uddannelsesvidenskabsklasse. Desuden giver dette kursus os mulighed for at indramme den store historie i den større fysiske og kemiske evolutionære kontekst på en måde, som rene biologikurser ikke kan. Levende organismer er lavet af partikler, arrangeret i atomer for at danne forskellige elementer, som er arrangeret i et svimlende udvalg af molekyler, der interagerer i henhold til deres kemiske egenskaber. Hvordan opstod disse kemikalier, og hvordan kom de til at være på jorden? Det første punkt, vi tackler i denne sidste enhed, er at definere livet. Som så meget i biologi er det mere komplekst, end det ser ud til i starten. Trefil og Hasen (2007) håndterer spørgsmålene ved at angive egenskaber, som de fleste kendte levende organismer deler:

1. alle levende ting opretholder en høj grad af orden og kompleksitet.

2. alle levende ting er en del af et større system af stof og energi.

3. alt liv afhænger af kemiske reaktioner, der finder sted i celler.

4. alt kendt liv kræver flydende vand.

5. organismer vokser og udvikler sig.

6. levende ting regulerer deres brug af energi og reagerer på deres miljø.

7. alle ting deler den samme genetiske kode, som overføres fra forælder til afkom.

8. alle levende ting stammer fra en fælles forfader.

de to første punkter er begreber, der direkte vedrører tidligere diskussioner af termodynamikens love. Man skal være forsigtig med at påpege, at disse to ting ikke indebærer, at livet overtræder termodynamikens anden lov, men at levende systemer er åbne systemer, kan modtage energi og således frit kan opleve lokaliserede stigninger i orden. Der bruges lidt mere tid på punkt 3. For det første undersøger vi den fantastiske mangfoldighed af liv på planeten. Dernæst diskuterer vi kompleksiteten af former, størrelser og den endnu større mangfoldighed af kemiske reaktioner, der finder sted i levende systemer (tabel 1 Kemi). På trods af livets kompleksitet og dets biokemi er hvert element i det periodiske bord ikke lige repræsenteret i sammensætningen af levende organismer. Faktisk er intet element mere centralt for forståelsen af livet end kulstof. Hvis der er så stor kompleksitet af form og kemi i levende systemer, så havde der bedre være en fleksibel byggesten; det ultimative erektor sæt, hvis du vil. Carbon er noget særligt. Dens evne til at danne stabile kovalente bindinger med fire andre atomer, inklusive et andet carbonatom, muliggør meget store, komplekse molekyler. Historien om livets oprindelse skal derfor tackle et endnu mere grundlæggende spørgsmål. Hvis livet afhænger af kulstofkemi, hvor kom kulstof fra? Ved besvarelsen af det grundlæggende spørgsmål, vi opdager også oprindelsen af fire andre elementer fra den ofte citerede mnemonic fra indledende biologiklasser, CHiNOPS: kulstof, brint, nitrogen, ilt, fosfor og svovl (brint dannet i løbet af det første sekund af Big Bang), som alle er essentielle for kendt liv og findes som en ret stor procentdel af tør biomasse. Derfor henviser biologer til disse som væsentlige makroelementer. I dette kursus viser vi eleverne nogle imponerende komplekse organiske molekyler i hver af følgende typer forbindelser: lipider, proteiner, kulhydrater og nukleinsyrer, og nogle instruktører inkorporerer et laboratorium ved hjælp af molekylære modeller eller molekylære modelleringsprogrammer.

der er også en række mikroelementer, der er essentielle, men i meget mindre mængder. Disse omfatter nogle tungere elementer som jern, jod og sink. Hvor kommer alle de væsentlige elementer fra? I genmontering af universets enhed undersøger vi processerne med stjernefødsel og død. Studerende lærer, at alle hovedsekvensstjerner på størrelse med vores sol og større til sidst gennemgår heliumfusion, hvilket resulterer i dannelse af kulstof. Større stjerner udviser fusionslag, der fører til elementer, der er endnu mere massive end kulstof, inklusive fosfor og nitrogen. Faktisk vil hovedsekvensstjerner, der er mindst otte gange større end vores sol, til sidst have en kerne, der fører til jern. Ingen mængde tryk i kernen af nogen stjerne kan få jern til at smelte sammen, så det er det tungeste element dannet i stjernernes kerner. Studerende kan identificere og i høj grad forklare de processer, der fører til oprindelsen af kulstof og næsten alle andre væsentlige elementer—fusion i stjernekerner. Men der er stadig nogle udestående spørgsmål, som eleverne skal overveje. For det første er nogle væsentlige elementer mere massive end jern, for eksempel jod. Hvor kommer elementer, der er tungere end jern, fra? For det andet, hvordan kom kulstof og alle de andre væsentlige elementer til vores solsystem?

svaret på begge spørgsmål er det samme—supernova. I type i supernovaer trækker en hvid dværg (en varm kulstof / ilt rest af solstørrelse stjerne) hurtigt gassen fra sin binære partner, hvilket fører til en hurtig ophobning af masse og tryk og i sidste ende detonationen af den tidligere hvide dværg (Trefil og Hasen 2007). I type II supernovaer kollapser en stor stjernes jernaskekerne katastrofalt i en neutronkerne, som rebounds ud og smadrer i milliarder af kilometer i faldende masse. Uanset hvad er energien monstrøs. Energien produceret i en supernova af begge typer overstiger den energi, der udsendes i det øjeblik af alle stjernerne i en galakse. Den energi, der genereres i en supernova, er tilstrækkelig til at smelte hvert element i det periodiske system, herunder jod og andre tungere bioessentielle elementer. Efter supernovaen kastes gasser, der er podet med hvert element i det periodiske system, med en betydelig del af lysets hastighed. Det betyder, at en supernova på et tidspunkt tidligere sprængte materialer til, hvor vores solsystem nu befinder sig. Disse gasser blev enten dannet eller føjet til en tåge, en enorm sky af gas og snavs, der til sidst førte til vores solsystem. Derfor ved omhyggeligt at udvikle rækkefølgen af begivenheder, der fører til red giant og i sidste ende til en supernova, ved eleverne nu, hvor alle elementer, herunder kulstof, kom fra, og hvordan de kom til, hvor solsystemet i øjeblikket befinder sig. Selvom vi ikke engang er kommet tæt på at forklare livets oprindelse, har vi i det mindste forklaret oprindelsen af de elementer, der udgør livet, og desuden, hvordan de kom til Jordens kvarter.

det er en ting at placere kulstof og alle andre væsentlige elementer i en tåge. Det er en helt anden at lokalisere dem på en planet. Hvordan endte disse elementer på jorden? Astronomer påberåber sig normalt en version af den Nebulære hypotese. I denne hypotese begynder nebulære gasser dybt i skyen, domineret af brint og helium, at trække sig sammen. Men i stedet for blot at trække sig sammen i en bold, begynder skyen at udvikle rotationsbevægelse. Denne rotation Spyder tynde skiver af stof ud. Selvom den er tynd i forhold til den centrale masse og den ultimative kilde til Solens masse, er den stadig betydelig nok til at danne lokaliserede massesamlinger på grund af tyngdekraften. Jorden er en af disse masser, der dannede sig i skiven i vores udviklende sol. Ligesom sine tre indre solsystem ledsagere, Jorden dannet som en lille stenet planet besidder alle de bioessentielle elementer.

på dette tidspunkt i klassen har vi fastslået, hvordan kulstof og alle elementer afvikles på jorden. For at livet skal dannes, er vi imidlertid nødt til at forklare oprindelsen af organiske kemikalier og desuden tilstedeværelsen af kemikalier i atmosfæren. Trefil og Hasen (2007) foreslår, at vi overvejer, hvordan den tidlige jord var, efter at den dannede sig omkring vores unge sol (tabel 1 Earth Science). Selvom otte forskellige planeter dannet (sans Pluto!), der var mange, mange planetesimaler i det tidlige solsystem. Disse planetesimaler varierede fra størrelsen af stenblokke til flere kilometer på tværs. Jorden er lille sammenlignet med solen, men den var stor nok til gravitationelt at inddrage mange planetesimaler. Da de smadrede ind i jorden igen og igen, blev den faste jord halvflydende og tættere materialer sank til kernen. Over tid, jorden ryddet sit planetariske kvarter for de fleste affald; det er faktisk en del af den accepterede definition af en planet (Resolution 6 fra Sekvith generalforsamling i Prag: Definition af en Planet i solsystemet 2006). Da mindre energi påvirkede jorden, sluttede det store bombardement, og det blev afkølet. En skorpe dannet, som fangede gasser nedenunder. Gasser opbyggede til sidst tryk og brød ud i globale vulkaner. Hvis dagens vulkaner er nogen vejledning, de er enkle gasser, herunder kulsyre, brint, metan, ammoniak og især vanddamp. Som jorden afkølet, atmosfærisk vand kondenseret og faldt som regn påfyldning oceaner med regnvand. Lyn sikkert snøret denne tidlige roiling, ladet atmosfære. På dette tidspunkt har vi kun etableret en plausibel mekanisme til lokalisering af enkle carbonforbindelser i atmosfæren, men ikke produktion af komplekse organiske stoffer. Vi skal stadig tage fat på et simpelt spørgsmål-Hvordan kom kulstof ind i organiske forbindelser? Vi kan aldrig gå tilbage i tiden, men vi kan forsøge at rekonstruere, hvordan forholdene var på det tidspunkt. Det er, hvad Stanley Miller og Harold Urey gjorde i deres berømte eksperimenter i 1950 ‘ erne, der viste, hvordan betingelserne for tidlig jord kunne føre til dannelse af organiske molekyler (Miller 1953; Miller og Urey 1959). Ingen magi behøver påberåbes, ingen tricks af moderne kemi introduceret, bare et simpelt system af gasser, vand og varme. Der kan være andre måder, hvorpå organiske forbindelser kan introduceres til den tidlige jord; for eksempel kan meteoritter indeholde organiske forbindelser, der kan overleve påvirkning på jorden. Men det skete, jorden er og sikkert var rig på organiske molekyler—en veritabel økologisk suppe.

hvordan denne suppe gav liv er et af videnskabens store uløste mysterier, og eleverne lærer om de nuværende førende teorier (tabel 1 biovidenskab). Måske har det noget at gøre med den måde, hvorpå fosfolipider danner hule kugler, der indeholder blandinger af organiske kemikalier, måske har det noget at gøre med den måde, RNA-molekyler kan fungere som både skabelon eller ferment eller måske involverer det utallige processer, som vi endnu ikke har afsløret. Den ærlige videnskabelige holdning er, at vi ikke kender svaret. Men vi minder eleverne om at nyde det ukendte, for det er det ukendte, der får forskere til at rejse med stjerner og opdage. Når livet blev dannet, kunne den store proces med evolutionær biologi spille ud, med naturlig udvælgelse, der fører vejen. Kurset afsluttes med en oversigt over de fossile optegnelser og biokemiske beviser, der understøtter teorien om biologisk udvikling. Som Charles Darvin berømt sagde i slutningen af sin bog: “der er storhed i dette livssyn med dets forskellige kræfter, der oprindeligt er blevet pustet ind i nogle få former eller til en; og at mens denne planet er gået på cykel i henhold til den faste tyngdelov, fra så simpelt en begyndelse har uendelige former, smukkeste og mest vidunderlige, været og er ved at blive udviklet” (Darvin 1972). Vi hævder, at Charles ville være meget imponeret og dybt rørt over at se, at hans version af origins var blevet flyttet tilbage til begyndelsen af tid og materie.