Ciencia y el Concepto de Evolución: Del Big Bang al Origen y Evolución de la Vida

La historia más grandiosa de todas abarca el origen, la composición y la evolución de nuestro universo, que incluye la vida. Esta es la historia que enseñamos en nuestro curso básico de educación general ” Ciencia y el Concepto de Evolución.”De hecho, es una gran historia, unificada por la majestuosidad del tema; sin embargo, hay un exceso de subtramas convincentes. Una trama secundaria es un complemento perfecto para la historia general, la forma en que los científicos han llegado a conocer el universo en todo su esplendor y complejidad. En nuestros educadores universitarios debatimos acaloradamente sobre la mejor manera de impartir educación general; creemos que este curso tiene muchas de las notas correctas. Abarca temas que hablan de la realidad fundamental de nuestra existencia. Además, enfatiza el esfuerzo humano de la ciencia. Estos son exactamente los tipos de lecciones que son importantes para que cada estudiante universitario las acepte; es decir, el universo es grande, complejo, maravilloso y, a menudo, conocible. El curso enfatiza lo que sabemos, cómo lo aprendimos y lo que queda desconocido. Uno de los mensajes más importantes de este curso es que los estudiantes capten el concepto de que los científicos han explicado fundamentalmente procesos que antes parecían incognoscibles. La ciencia es viva y dinámica y lo desconocido universal es la frontera a la que los científicos zarpan como exploradores.

Dividir el Universo en Partes Fundamentales: Materia, Fuerza y Tiempo

Argumentamos que para conocer el universo, los estudiantes deben conocer su composición fundamental. En esta unidad, dividimos el universo en sus bloques de construcción fundamentales. Primero, introducimos el concepto de la pieza más pequeña de materia. Pero para hacerlo, no hacemos simplemente una lista de partículas fundamentales. Más bien, exploramos la subtrama del descubrimiento. ¿Cómo llegaron los humanos a conocer las partes fundamentales de la materia? Comenzando con átom de Demócrito y mostrando la evolución de la teoría atómica a través de una secuencia de científicos (Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr, Pauli, Fermi: Estructura de la Materia en la Tabla 1), terminamos con nuestro estado actual de conocimiento: seis quarks y seis leptones.

La materia no está inmóvil, no congelada en el espacio y el tiempo; se mueve, a veces dramáticamente. A continuación, discutimos las tres leyes que rigen el movimiento de la materia, cortesía de Isaac Newton. Por supuesto, la materia no se mueve mágicamente; una fuerza es responsable (Tabla 1 Física). Como tal, pasamos varias conferencias sobre las cuatro fuerzas fundamentales, prestando especial atención a la gravedad y el electromagnetismo. Estas dos fuerzas, junto con la fuerza nuclear fuerte, son esenciales para comprender la siguiente unidad, que cubre en parte, la vida y la muerte de las estrellas. Una vez establecidos los conceptos de materia y fuerza, pasamos a los fundamentos de la termodinámica (Tabla 1 Química). Ninguna discusión del universo puede estar completa sin alguna comprensión de ambas leyes. La primera ley de la termodinámica es absolutamente esencial para hacer el siguiente punto: nada en el universo es mágico; es decir, siempre que un objeto emite o utiliza energía, esa energía debe venir de algún lugar. En la siguiente unidad, este concepto fundamental se utiliza para hacer un punto importante sobre las estrellas: mueren. La segunda ley de la termodinámica no es menos importante. Establece una secuencia de eventos: el orden va al desorden, el calor fluye de cuerpos calientes a cuerpos fríos, y la energía pasa de una forma concentrada a una forma menos concentrada con la liberación de calor. En otras palabras, la segunda ley dicta la flecha del tiempo. Voilá, lo hemos hecho! El universo dividido en materia, fuerza y tiempo con un puñado de leyes que los gobiernan.

Reensamblar el Universo

Saber una cosa es saber más que los bloques de construcción fundamentales. Después de todo, si cada una de las 11 billones de células de un humano se te presentara una a la vez, difícilmente entenderías lo que significa ser humano, lo mismo para el universo. Como tal, en esta unidad nuestro objetivo es volver a ensamblar el universo en una entidad coherente compuesta de bloques de construcción fundamentales. El libro que utilizamos para el curso, Las ciencias de Trefil y Hazen (2007), tiene un enfoque fascinante que se adopta para la primera presentación en esta unidad. Imagine a la primera persona capaz de formar una pregunta (tal vez uno de nuestros antepasados homínidos) emergiendo de un sueño y mirando hacia el cielo nocturno. Seguramente hicieron una pregunta obvia, ” ¿Cuáles son esos puntos de luz?”Así nació la astronomía. En esta clase, se hace la misma pregunta a los estudiantes, solo que les permitimos usar la información básica aprendida en la unidad anterior. Así sigue una secuencia lógica notable: las estrellas emiten luz; la luz es energía electromagnética; las estrellas no son mágicas, y por lo tanto, deben convertir alguna otra forma de energía en luz; las estrellas no son infinitas en volumen, por lo que algún día se quedarán sin energía; todas las estrellas morirán; y finalmente, si todas las estrellas mueren, entonces todas las estrellas nacieron. Dos preguntas surgen naturalmente de esta discusión:

• ¿Cómo nacen las estrellas?

• ¿Cómo mueren las estrellas?

Las respuestas a estas preguntas son maravillosas por derecho propio, pero son esenciales para comprender el origen de la vida misma, porque es en la fragua de la fusión termonuclear donde se generaron los elementos de la vida. Al detallar los procesos de nacimiento y muerte de las estrellas, construimos una panoplia de estrellas: estrellas de secuencia principal (desde estrellas amarillas del tamaño del sol hasta gigantes azules), gigantes rojas, gigantes súper rojas, enanas blancas, enanas negras, estrellas de neutrones y agujeros negros. Conocer el origen y las propiedades de este elenco de estrellas nos lleva al punto clave de que nuestras ideas sobre los procesos generativos y la composición del universo han evolucionado a medida que han mejorado las herramientas disponibles para estudiar el universo (Tabla 1, Cosmología y Astronomía del Sistema Solar).

Como ejemplo, consideramos las formas en que los astrónomos miden las distancias a las estrellas. La triangulación, usando funciones trigonométricas, para medir la distancia funciona bien para las estrellas cercanas. Pero antes de los telescopios potentes, había una serie de “estrellas borrosas” que estaban demasiado distantes para ser medidas con esta técnica (Trefil y Hazen 2007). Edwin Hubble utilizó variables Cefeidas (un tipo especial de estrella moribunda que revela su brillo absoluto por la duración de su ciclo de brillo/atenuación) para determinar que las llamadas estrellas difusas eran realmente cúmulos de estrellas que estaban sorprendentemente lejos (Trefil y Hazen 2007); ahora las reconocemos como galaxias. La galaxia más cercana a nosotros es Andrómeda, a 2,5 millones de años luz de distancia. El Hubble nos ayudó a darnos cuenta de la inmensidad del universo. De hecho, la disposición de las galaxias en el universo tiene una estructura a gran escala en la que las galaxias vienen en cúmulos y agrupaciones. El descubrimiento de Hubble de la inmensidad del universo cambió enormemente nuestro sentido del universo, pero no terminó de sorprendernos. Usando espectroscopia de luz (la misma técnica es realizada por estudiantes en el laboratorio), el Hubble descubrió que todas las galaxias se están alejando de nosotros; cuanto más lejos, más rápido se mueven (Livio 2000). El Hubble determinó que solo la expansión universal podría explicar tal resultado!!! Por segunda vez, el Hubble cambió drásticamente la forma en que vemos el universo. El descubrimiento del Hubble enfatiza de una manera dramática que el universo está lleno de sorpresas y que los científicos deben estar preparados para interpretarlas dentro del marco existente, o si es necesario, idear nuevas explicaciones.

El universo es grande (infinito en realidad), y las sorpresas parecen ser la norma en lugar de la excepción. En 1998, la revista Science nombró el descubrimiento de que el universo no solo se está expandiendo, sino que lo está haciendo a un ritmo de expansión como su “Avance del Año” (Glanz 1998). En este punto de la clase, hemos establecido cómo se forman y mueren las estrellas, cómo se recogen en galaxias, cómo las galaxias están dispuestas en el espacio y cómo se alejan constantemente unas de otras a un ritmo acelerado. No está mal para una unidad en una clase de ciencias generales, pero la historia no termina aquí. No; sorprendentemente, utilizando aceleradores de partículas, los científicos han determinado con gran precisión cómo eran las condiciones del universo en los primeros momentos después del Big Bang. Por ejemplo, a los 10-35 segundos después del Big Bang, la fuerza fuerte se congeló y a los 10-10 segundos, las cuatro fuerzas fundamentales existían como entidades separadas. La energía asombrosa y la expansión del universo primitivo llevaron a un fenómeno importante para comprender el origen de la vida; es decir, la expansión rápida impidió la formación de elementos más pesados a través de la fusión. La gran mayoría de la materia en el universo es hidrógeno, helio y litio; todo lo demás es raro. Pero el hidrógeno, el helio y el litio simplemente no serán suficientes para la vida. Para dar cuenta de la vida, necesitamos explicar el origen de los elementos más pesados: nitrógeno, oxígeno, fósforo y muchos otros, pero especialmente el carbono. Además, tenemos que explicar cómo llegaron a nosotros aquí en nuestro sistema solar.

Life

En este punto, una sesión de revisión examina imágenes del telescopio Hubble. Los estudiantes se maravillan con imágenes de nebulosas planetarias que arrojan su contenido en chorros de gas diametralmente opuestos y en elegantes galaxias espirales (entre los objetos más bellos del universo). Terminamos con imágenes del estudio de campo profundo de galaxias. Pocas imágenes son más conmovedoras-galaxia tras galaxia tras galaxia apiladas una tras otra hasta los bordes del universo, cada galaxia posee millones, billones o incluso billones de estrellas. Si un objetivo de la educación general es imbuir un sentido de lugar y escala en nuestros estudiantes, ¿qué podría ser más efectivo que una comprensión profunda del universo? Por otro lado, no es nuestra intención hacerlos sentir pequeños e insignificantes. Como antídoto a esta sensación natural de ser minúscula, la siguiente cita se lee del libro de Alan Dressler de 1994, Viaje al Gran Atractor (Dressler 1994).

Seguimos tomando la lección equivocada de lo que estamos aprendiendo ahora. Recientemente se le preguntó a un astronauta que había realizado una caminata espacial atada mientras estaba en un vuelo de Gemini si la experiencia lo había cambiado. Le había impresionado, recordó, lo pequeña e insignificante que era la Tierra y la aventura humana, “como una hormiga que se arrastra por el desierto del Sahara.” Exactamente. La hormiga, superada astronómicamente en número por los granos de arena, abrumada por el tamaño del desierto inhóspito, es, sin embargo, la mayor maravilla, de lejos.

Es hora de hacer un balance del descubrimiento de que la vida es la cosa más compleja que conocemos en el Universo y, como tal, la más digna de nuestra admiración. Sí, el Universo empequeñece a nuestro mundo en tamaño e inmenso poder. Pero el Universo de estrellas, galaxias y vastos golfos del espacio es muy, muy simple comparado con nosotros y con las formas de vida de nuestros hermanos. Si pudiéramos aprender a mirar el Universo con ojos ciegos al poder y al tamaño, pero ávidos de sutileza y complejidad, entonces nuestro mundo brillaría más que una galaxia de estrellas. De hecho, deberíamos maravillarnos con el Universo por su majestuosidad, pero debemos estar verdaderamente asombrados de su mayor logro: la vida.

Conceder la declaración es más metáfora que ciencia, el origen y la evolución de la vida es sin duda un logro que vale la pena explorar en una clase de ciencias de educación general. Además, este curso nos permite enmarcar esa gran historia en el contexto evolutivo físico y químico más amplio de una manera que los cursos de biología pura no pueden. Los organismos vivos están hechos de partículas, dispuestas en átomos para formar diferentes elementos, que están dispuestos en un conjunto vertiginoso de moléculas que interactúan de acuerdo con sus propiedades químicas. Entonces, ¿cómo se originaron estos químicos y cómo llegaron a existir en la Tierra? El primer elemento que abordamos en esta última unidad es definir la vida. Como mucho en biología, es más complejo de lo que parece al principio. Trefil y Hazen (2007) manejan las preguntas enumerando las características que comparten la mayoría de los organismos vivos conocidos:

1. Todos los seres vivos mantienen un alto grado de orden y complejidad.

2. Todos los seres vivos son parte de un sistema más grande de materia y energía.

3. Toda la vida depende de las reacciones químicas que tienen lugar en las células.

4. Toda vida conocida requiere agua líquida.

5. Los organismos crecen y se desarrollan.

6. Los seres vivos regulan su uso de energía y responden a su entorno.

7. Todas las cosas comparten el mismo código genético, que se transmite de padres a hijos.

8. Todos los seres vivos descienden de un ancestro común.

Los dos primeros elementos son conceptos que se relacionan directamente con discusiones anteriores de las leyes de la termodinámica. Uno debe tener cuidado de señalar que estos dos elementos no implican que la vida viole la segunda ley de la termodinámica, sino que los sistemas vivos son sistemas abiertos, pueden recibir energía y, por lo tanto, son libres de experimentar aumentos localizados en orden. Se dedica un poco más de tiempo al tema 3. Primero, examinamos la impresionante diversidad de vida en el planeta. A continuación, discutimos la complejidad de las formas, tamaños y la aún mayor diversidad de reacciones químicas que tienen lugar en los sistemas vivos (Tabla 1 Química). A pesar de la complejidad de la vida y de su bioquímica, cada elemento de la tabla periódica no está representado por igual en la composición de los organismos vivos. De hecho, ningún elemento es más central para la comprensión de la vida que el carbono. Si hay una gran complejidad de forma y química en los sistemas vivos, entonces es mejor que haya un bloque de construcción flexible; el conjunto de erectores definitivo, por así decirlo. El carbono es especial. Su capacidad de formar enlaces covalentes estables con otros cuatro átomos, incluido otro átomo de carbono, hace posible moléculas muy grandes y complejas. Por lo tanto, la historia de los orígenes de la vida debe abordar una cuestión aún más fundamental. Si la vida depende de la química del carbono, ¿de dónde viene el carbono? Al responder a esa pregunta fundamental, también descubrimos el origen de otros cuatro elementos de esa mnemotécnica frecuentemente citada de clases introductorias de biología, CHiNOPS: carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, fósforo y azufre (hidrógeno formado durante el primer segundo del Big Bang), todos los cuales son esenciales para la vida conocida y se encuentran como un porcentaje bastante grande de biomasa seca. Es por eso que los biólogos se refieren a estos como macroelementos esenciales. En este curso, mostramos a los estudiantes algunas moléculas orgánicas impresionantemente complejas en cada uno de los siguientes tipos de compuestos: lípidos, proteínas, carbohidratos y ácidos nucleicos, y algunos instructores incorporan un laboratorio utilizando modelos moleculares o software de modelado molecular.

También hay una serie de microelementos que son esenciales, pero en cantidades mucho más pequeñas. Estos incluyen algunos elementos más pesados como hierro, yodo y zinc. ¿De dónde vienen todos los elementos esenciales? En el Reensamblaje de la unidad del Universo, examinamos los procesos de nacimiento y muerte de estrellas. Los estudiantes aprenden que todas las estrellas de la secuencia principal del tamaño de nuestro sol y más grandes finalmente se fusionan con helio, lo que resulta en la formación de carbono. Las estrellas más grandes exhiben capas de fusión que conducen a elementos aún más masivos que el carbono, incluidos el fósforo y el nitrógeno. De hecho, las estrellas de la secuencia principal al menos ocho veces más grandes que nuestro sol eventualmente tendrán un núcleo que conduce al hierro. Ninguna cantidad de presión en el núcleo de una estrella puede hacer que el hierro se fusione, por lo que es el elemento más pesado formado en los núcleos de las estrellas. Los estudiantes pueden identificar y, en gran medida, explicar los procesos que conducen al origen del carbono y casi todos los demás elementos esenciales: fusión en núcleos de estrellas. Pero todavía hay algunas preguntas pendientes que los estudiantes deben reflexionar. En primer lugar, algunos elementos esenciales son más masivos que el hierro, por ejemplo, el yodo. ¿De dónde vienen los elementos más pesados que el hierro? Segundo, ¿cómo llegó el carbono y todos los demás elementos esenciales a nuestro Sistema Solar?

La respuesta a ambas preguntas es la misma: supernova. En las supernovas de tipo I, una enana blanca (un remanente de carbono/oxígeno caliente de una estrella del tamaño del sol) extrae rápidamente el gas de su pareja binaria, lo que conduce a una rápida acumulación de masa y presión y, en última instancia, a la detonación de la antigua enana blanca (Trefil y Hazen 2007). En supernovas de tipo II, el núcleo de ceniza de hierro de una gran estrella colapsa catastróficamente en un núcleo de neutrones, que rebota y se rompe en miles de millones de kilómetros de masa en caída. De cualquier manera, la energía es monstruosa. La energía producida en una supernova de cualquier tipo excede la energía emitida en ese momento por todas las estrellas de una galaxia. La energía generada en una supernova es suficiente para fusionar todos los elementos de la tabla periódica, incluido el yodo y otros elementos bioesenciales más pesados. Después de la supernova, los gases sembrados con cada elemento de la tabla periódica se lanzan a una parte significativa de la velocidad de la luz. Esto significa que en algún momento en el pasado, una supernova lanzó materiales a donde reside ahora nuestro sistema solar. Esos gases se formaron o se agregaron a una nebulosa, una enorme nube de gas y desechos, que finalmente condujo a nuestro Sistema Solar. Por lo tanto, al desarrollar cuidadosamente la secuencia de eventos que conducen a la gigante roja y, en última instancia, a una supernova, los estudiantes ahora saben de dónde provienen todos los elementos, incluido el carbono, y cómo llegaron a donde reside actualmente el Sistema Solar. Aunque ni siquiera nos hemos acercado a explicar los orígenes de la vida, al menos hemos explicado los orígenes de los elementos que componen la vida, y además, cómo llegaron al vecindario de la Tierra.

Una cosa es colocar carbono y todos los demás elementos esenciales en una nebulosa. Otra cosa es localizarlos en un planeta. Entonces, ¿cómo terminaron estos elementos en la Tierra? Los astrónomos normalmente invocan alguna versión de la Hipótesis Nebular. En esta hipótesis, los gases nebulares en las profundidades de la nube, dominados por hidrógeno y helio, comienzan a contraerse gravitacionalmente. Pero en lugar de simplemente contraerse en una bola, la nube comienza a desarrollar un movimiento de rotación. Esta rotación arroja discos finos de materia. Aunque es delgada en relación con la masa central y la fuente última de la masa del sol, sigue siendo lo suficientemente sustancial como para formar colecciones localizadas de masa debido a la gravedad. La Tierra es una de estas masas que se formaron en el disco de nuestro sol en desarrollo. Al igual que sus tres compañeros del sistema solar interior, la Tierra se formó como un pequeño planeta rocoso que posee todos los elementos bioesenciales.

En este punto de la clase hemos establecido cómo el carbono y todos los elementos terminaron en la Tierra. Sin embargo, para que se forme la vida, necesitamos explicar los orígenes de los productos químicos orgánicos y, además, la presencia de productos químicos en la atmósfera. Trefil y Hazen (2007) sugieren que consideremos cómo era la Tierra primitiva después de formarse alrededor de nuestro joven sol (Tabla 1 Ciencias de la Tierra). Aunque se formaron ocho planetas distintos (¡sin Plutón!), había muchos, muchos planetesimales en el Sistema Solar temprano. Estos planetesimales variaban desde el tamaño de rocas hasta varios kilómetros de diámetro. La Tierra es pequeña en comparación con el sol, pero era lo suficientemente grande como para arrastrar gravitacionalmente a muchos planetesimales. A medida que se estrellaban contra la Tierra una y otra vez, la Tierra sólida se convirtió en materiales semilíquidos y más densos que se hundieron hasta el núcleo. Con el tiempo, la Tierra limpió su vecindario planetario de la mayoría de los desechos; de hecho, eso forma parte de la definición aceptada de planeta (Resolución 6 de la XXVI Asamblea General, celebrada en Praga: Definición de planeta en el Sistema Solar, 2006). A medida que menos energía impactó en la Tierra, el gran bombardeo terminó y se enfrió. Se formó una corteza que atrapó gases debajo. Los gases eventualmente acumularon presión y estallaron en volcanes globales. Si los volcanes de hoy en día son una guía, arrojan gases simples, incluidos dióxido de carbono, hidrógeno, metano, amoníaco y, especialmente, vapor de agua. A medida que la Tierra se enfriaba, el agua atmosférica se condensaba y caía como lluvia llenando los océanos con agua de lluvia. Un rayo seguramente ató esta atmósfera cargada y agitada temprana. En este punto, solo hemos establecido un mecanismo plausible para localizar compuestos de carbono simples en la atmósfera, pero no para producir compuestos orgánicos complejos. Todavía debemos abordar una pregunta simple: ¿cómo entró el carbono en los compuestos orgánicos? Nunca podemos retroceder en el tiempo, pero podemos intentar reconstruir cómo eran las condiciones en ese momento. Eso es lo que Stanley Miller y Harold Urey hicieron en sus famosos experimentos en la década de 1950 que mostraron cómo las condiciones de la Tierra primitiva podían conducir a la formación de moléculas orgánicas (Miller 1953; Miller y Urey 1959). No es necesario invocar magia, no introducir trucos de química moderna, solo un sistema simple de gases, agua y calor. Puede haber otras formas de introducir compuestos orgánicos en la Tierra primitiva; por ejemplo, los meteoritos pueden contener compuestos orgánicos que pueden sobrevivir al impacto en la Tierra. Sin embargo, la Tierra es y seguramente era rica en moléculas orgánicas, una verdadera sopa orgánica.

Cómo esta sopa produjo vida es uno de los grandes misterios sin resolver de la ciencia, y los estudiantes aprenden sobre las teorías líderes actuales (Tabla 1 Ciencias de la Vida). Tal vez tuvo algo que ver con la forma en que los fosfolípidos forman bolas huecas que contienen mezclas de productos químicos orgánicos, tal vez tiene algo que ver con la forma en que las moléculas de ARN pueden actuar como plantilla o enzima, o tal vez involucra una miríada de procesos que aún tenemos que descubrir. La postura científica honesta es que no sabemos la respuesta. Pero recordamos a los estudiantes que disfruten de lo desconocido, ya que es lo desconocido lo que impulsa a los científicos a viajar con las estrellas y a descubrir. Una vez que se formó la vida, el gran proceso de la biología evolutiva podría desarrollarse, con la selección natural liderando el camino. El curso concluye con una visión general del registro fósil y las evidencias bioquímicas que apoyan la teoría de la evolución biológica. Como dijo Charles Darwin al final de su libro, “Hay grandeza en esta visión de la vida, con sus varios poderes, habiendo sido originalmente respirada en unas pocas formas o en una; y que, mientras este planeta ha ido en bicicleta de acuerdo con la ley fija de la gravedad, desde un comienzo tan simple, se han desarrollado, y se están desarrollando, infinitas formas más hermosas y maravillosas” (Darwin 1972). Afirmamos que Charles Darwin estaría muy impresionado y profundamente conmovido al ver que su versión de los orígenes se había trasladado de vuelta al principio del tiempo y la materia.