La Science et le Concept d’Évolution: Du Big Bang à l’Origine et à l’Évolution de la Vie

La plus grande histoire de toutes englobe l’origine, la composition et l’évolution de notre univers, qui comprend la vie. C’est l’histoire que nous enseignons dans notre cours de base de formation générale “Science et concept d’évolution.”En effet, c’est une grande histoire, unifiée par la majesté du sujet; néanmoins, il y a une abondance de sous-intrigues convaincantes. Une intrigue secondaire est un complément parfait à l’histoire globale — la façon dont les scientifiques ont appris à connaître l’univers dans toute sa splendeur et sa complexité. Dans nos collèges, les éducateurs débattent vivement de la meilleure façon de dispenser un enseignement général; nous pensons que ce cours a de bonnes notes. Il englobe des sujets qui parlent de la réalité fondamentale de notre existence. En outre, il souligne l’effort humain de la science. Ce sont exactement les types de leçons qu’il est important pour chaque étudiant d’embrasser; c’est-à-dire que l’univers est grand, complexe, merveilleux et souvent connaissable. Le cours met l’accent sur ce que nous savons, comment nous l’avons appris et ce qui reste inconnu. Pour que les étudiants comprennent le concept selon lequel les scientifiques ont fondamentalement expliqué des processus qui semblaient autrefois inconnaissables est l’un des messages les plus importants de ce cours. La science est vivante et dynamique et l’inconnu universel est la frontière vers laquelle les scientifiques ont mis les voiles en tant qu’explorateurs.

Diviser l’Univers en Parties fondamentales: Matière, Force et Temps

Nous soutenons que pour connaître l’univers, les étudiants doivent connaître sa composition fondamentale. Dans cette unité, nous divisons l’univers en ses blocs de construction fondamentaux. Tout d’abord, nous introduisons le concept du plus petit morceau de matière. Mais pour ce faire, nous ne faisons pas simplement une liste de particules fondamentales. Nous explorons plutôt la sous-intrigue de discovery. Comment les humains ont-ils pris connaissance des parties fondamentales de la matière ? En commençant par l’átom de Démocrite et en montrant l’évolution de la théorie atomique à travers une séquence de scientifiques (Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr, Pauli, Fermi: Structure de la matière dans le tableau 1), nous terminons avec notre état actuel des connaissances: six quarks et six leptons.

La matière n’est pas immobile, pas figée dans l’espace et le temps ; elle bouge, parfois de façon spectaculaire. Ensuite, nous discutons des trois lois qui régissent le mouvement de la matière, gracieuseté d’Isaac Newton. Bien sûr, la matière ne bouge pas comme par magie; une force est responsable (Tableau 1 Physique). À ce titre, nous passons plusieurs conférences sur les quatre forces fondamentales, en accordant une attention particulière à la gravité et à l’électromagnétisme. Ces deux forces, ainsi que la force nucléaire puissante, sont essentielles pour comprendre la prochaine unité, qui couvre en partie la vie et la mort des étoiles. Une fois les concepts de matière et de force établis, nous passons aux fondamentaux de la thermodynamique (Tableau 1 Chimie). Aucune discussion sur l’univers ne peut être complète sans une certaine compréhension des deux lois. La première loi de la thermodynamique est absolument essentielle pour faire le point suivant: rien dans l’univers n’est magique; c’est-à-dire que chaque fois qu’un objet émet ou utilise de l’énergie, cette énergie doit provenir de quelque part. Dans l’unité suivante, ce concept fondamental est utilisé pour faire un point important sur les étoiles — elles meurent. La deuxième loi de la thermodynamique n’est pas moins importante. Il établit une séquence d’événements: l’ordre va au désordre, la chaleur s’écoule des corps chauds vers les corps froids et l’énergie passe d’une forme concentrée à une forme moins concentrée avec la libération de chaleur. En d’autres termes, la deuxième loi dicte la flèche du temps. Voilá, nous l’avons fait! L’univers s’est décomposé en matière, en force et en temps avec une poignée de lois qui les régissent.

Réassembler l’Univers

Connaître une chose, c’est en savoir plus que les blocs de construction fondamentaux. Après tout, si chacune des 11 billions de cellules d’un humain vous était présentée une à la fois, vous comprendriez à peine ce que signifie être un humain — de même pour l’univers. En tant que tel, dans cette unité, nous visons à réassembler l’univers en une entité cohérente composée de blocs de construction fondamentaux. Le livre que nous utilisons pour le cours, Les sciences de Trefil et Hazen (2007), a une approche fascinante qui est adoptée pour la première présentation dans cette unité. Imaginez la première personne capable de former une question (peut-être l’un de nos ancêtres hominidés) sortant d’un sommeil et regardant le ciel nocturne. Ils ont sûrement posé une question évidente: “Quels sont ces points de lumière?” Ainsi est née l’astronomie. Dans cette classe, la même question est posée aux élèves, seulement nous leur permettons d’utiliser les informations de base apprises dans l’unité précédente. Ainsi suit une séquence logique remarquable: les étoiles émettent de la lumière; la lumière est de l’énergie électromagnétique; les étoiles ne sont pas magiques, et donc, elles doivent convertir une autre forme d’énergie en lumière; les étoiles ne sont pas infinies en volume, elles manqueront donc d’énergie un jour; toutes les étoiles mourront; et enfin, si toutes les étoiles meurent, alors toutes les étoiles sont nées. Deux questions découlent naturellement de cette discussion:

• Comment naissent les étoiles ?

• Comment les étoiles meurent-elles ?

Les réponses à ces questions sont merveilleuses en elles-mêmes, mais elles sont essentielles pour comprendre l’origine de la vie elle-même, car c’est dans la forge de la fusion thermonucléaire que les éléments de la vie ont été générés. En détaillant les processus de naissance et de mort des étoiles, nous construisons une panoplie d’étoiles: étoiles de la séquence principale (des étoiles jaunes de la taille du soleil aux géantes bleues), géantes rouges, géantes super rouges, naines blanches, naines noires, étoiles à neutrons et trous noirs. La connaissance de l’origine et des propriétés de cette distribution d’étoiles nous amène au point clé que nos idées concernant les processus génératifs et la composition de l’univers ont évolué à mesure que les outils disponibles pour étudier l’univers se sont améliorés (Tableau 1 Cosmologie et Astronomie du Système solaire).

À titre d’exemple, nous considérons la façon dont les astronomes mesurent les distances par rapport aux étoiles. La triangulation, en utilisant des fonctions trigonométriques, pour mesurer la distance fonctionne bien pour les étoiles proches. Mais avant les télescopes puissants, il existait un certain nombre d'”étoiles floues” beaucoup trop éloignées pour être mesurées en utilisant cette technique (Trefil et Hazen 2007). Edwin Hubble a utilisé des variables céphéides (un type spécial d’étoile mourante qui révèle sa luminosité absolue par la durée de son cycle d’éclaircissement / gradation) pour déterminer que les étoiles dites floues étaient en réalité des amas d’étoiles étonnamment lointaines (Trefil et Hazen 2007); nous les reconnaissons maintenant comme des galaxies. La galaxie la plus proche de nous est Andromède, à 2,5 millions d’années-lumière! Hubble nous a aidés à réaliser l’immensité de l’univers. En effet, l’arrangement des galaxies dans l’univers a une structure à grande échelle dans laquelle les galaxies viennent en amas et en groupements. La découverte de l’immensité de l’univers par Hubble a considérablement changé notre sens de l’univers, mais il n’a pas fini de nous surprendre. En utilisant la spectroscopie de la lumière (la même technique est réalisée par des étudiants en laboratoire), Hubble a découvert que toutes les galaxies s’éloignent de nous; plus elles s’éloignent, plus elles se déplacent rapidement (Livio 2000). Hubble a déterminé que seule l’expansion universelle pouvait expliquer un tel résultat! Pour une deuxième fois, Hubble a radicalement changé notre façon de voir l’univers. La découverte de Hubble souligne de manière dramatique que l’univers est plein de surprises et que les scientifiques doivent être prêts à les interpréter dans le cadre existant, ou si nécessaire, à concevoir de nouvelles explications.

L’univers est grand (infini en fait), et les surprises semblent être la norme plutôt que l’exception. En 1998, le magazine Science a nommé la découverte que l’univers est non seulement en expansion, mais qu’il le fait à un rythme d’expansion comme sa “percée de l’année” (Glanz 1998). À ce stade de la classe, nous avons établi comment les étoiles se forment et meurent, comment elles sont collectées dans les galaxies, comment les galaxies sont disposées dans l’espace et comment elles s’éloignent constamment les unes des autres à un rythme accéléré! Pas mal pour une unité dans une classe de sciences générales, mais l’histoire ne s’arrête pas là. Aucun; fait remarquable, à l’aide d’accélérateurs de particules, les scientifiques ont déterminé avec une grande précision à quoi ressemblaient les conditions de l’univers dans les premiers instants après le Big Bang. Par exemple, à 10-35 s après le Big Bang, la force forte s’est figée et à 10-10 s, les quatre forces fondamentales existaient en tant qu’entités distinctes. L’énergie et l’expansion étonnantes de l’univers primitif ont conduit à un phénomène important pour comprendre l’origine de la vie; c’est-à-dire que l’expansion rapide empêchait la formation d’éléments plus lourds par fusion. La grande majorité de la matière dans l’univers est l’hydrogène, l’hélium et le lithium; tout le reste est rare. Mais l’hydrogène, l’hélium et le lithium ne suffiront tout simplement pas à la vie. Pour rendre compte de la vie, nous devons expliquer l’origine d’éléments plus lourds: azote, oxygène, phosphore et bien d’autres, mais surtout carbone. De plus, nous devons expliquer comment ils nous sont arrivés ici dans notre système solaire.

Vie

À ce stade, une session d’examen examine les images du télescope Hubble. Les élèves s’émerveillent devant des images de nébuleuses planétaires qui crachent leur contenu dans des jets de gaz diamétralement opposés et devant d’élégantes galaxies spirales (parmi les plus beaux objets de l’univers). Nous terminons avec des images de l’étude en profondeur des galaxies. Peu d’images sont plus émouvantes — galaxie sur galaxie sur galaxie s’entassent les unes après les autres aux confins de l’univers, chaque galaxie possédant des millions, des milliards ou même des billions d’étoiles. Si un objectif de l’enseignement général est d’imprégner un sens de la place et de l’échelle chez nos élèves, quoi de plus efficace qu’une compréhension profonde de l’univers? D’un autre côté, nous n’avons pas l’intention de les faire se sentir petits et insignifiants. Comme antidote à ce sentiment naturel d’être minuscule, la citation suivante est lue dans le livre d’Alan Dressler de 1994, Voyage au Grand Attracteur (Dressler 1994).

Nous continuons de tirer la mauvaise leçon de ce que nous apprenons maintenant. On a récemment demandé à un astronaute qui avait fait une sortie dans l’espace lors d’un vol Gemini si l’expérience l’avait changé. Il avait été frappé, se souvient-il, par la petitesse et l’insignifiance de la Terre et de l’aventure humaine, ” comme une fourmi rampant à travers le désert du Sahara.” Exactement. La fourmi, astronomiquement dépassée par les grains de sable, submergée par la taille du désert inhospitalier, n’en est pas moins la plus grande merveille, de loin.

Il est temps de faire le point sur la découverte que la vie est la chose la plus complexe que nous connaissions dans l’Univers et, en tant que telle, la plus digne de notre admiration. Oui, l’Univers éclipse notre monde en taille et en puissance immense. Mais l’Univers des étoiles, des galaxies et de vastes golfes de l’espace est tellement très, très simple par rapport à nous et à nos frères formes de vie. Si nous ne pouvions qu’apprendre à regarder l’Univers avec des yeux aveugles à la puissance et à la taille, mais férus de subtilité et de complexité, alors notre monde éclipserait une galaxie d’étoiles. En effet, nous devrions nous émerveiller de l’Univers pour sa majesté, mais nous devons vraiment être en admiration devant sa plus grande réalisation — la vie.

Accorder la déclaration est plus une métaphore que la science, l’origine et l’évolution de la vie sont certainement une réalisation qui mérite d’être explorée dans un cours de sciences de l’enseignement général. De plus, ce cours nous permet de cadrer cette grande histoire dans le contexte évolutif physique et chimique plus large d’une manière que les cours de biologie pure ne peuvent pas. Les organismes vivants sont constitués de particules, disposées en atomes pour former différents éléments, qui sont disposés dans un tableau vertigineux de molécules interagissant en fonction de leurs propriétés chimiques. Comment ces produits chimiques sont-ils nés et comment sont-ils arrivés sur Terre? Le premier élément que nous abordons dans cette dernière unité est de définir la vie. Comme tant de choses en biologie, c’est plus complexe qu’il n’y paraît au premier abord. Trefil et Hazen (2007) traitent les questions en énumérant les caractéristiques que partagent la plupart des organismes vivants connus:

1. Tous les êtres vivants maintiennent un degré élevé d’ordre et de complexité.

2. Tous les êtres vivants font partie d’un système plus vaste de matière et d’énergie.

3. Toute vie dépend des réactions chimiques qui se produisent dans les cellules.

4. Toute vie connue nécessite de l’eau liquide.

5. Les organismes grandissent et se développent.

6. Les êtres vivants régulent leur consommation d’énergie et réagissent à leur environnement.

7. Toutes les choses partagent le même code génétique, qui est transmis du parent à la progéniture.

8. Tous les êtres vivants descendent d’un ancêtre commun.

Les deux premiers éléments sont des concepts qui se rapportent directement aux discussions antérieures sur les lois de la thermodynamique. Il faut prendre soin de souligner que ces deux éléments n’impliquent pas que la vie viole la deuxième loi de la thermodynamique, mais que les systèmes vivants sont des systèmes ouverts, peuvent recevoir de l’énergie et sont donc libres de connaître des augmentations localisées dans l’ordre. Un peu plus de temps est consacré au point 3. Tout d’abord, nous étudions la diversité étonnante de la vie sur la planète. Ensuite, nous discutons de la complexité des formes, des tailles et de la diversité encore plus grande des réactions chimiques qui se produisent dans les systèmes vivants (Tableau 1 Chimie). Malgré la complexité de la vie et de sa biochimie, chaque élément du tableau périodique n’est pas également représenté dans la composition des organismes vivants. En effet, aucun élément n’est plus central dans la compréhension de la vie que le carbone. S’il y a une telle complexité de forme et de chimie dans les systèmes vivants, alors il vaudrait mieux avoir un bloc de construction flexible; l’ensemble de montage ultime si vous voulez. Le carbone est spécial. Sa capacité à former des liaisons covalentes stables avec quatre autres atomes, y compris un autre atome de carbone, rend possibles de très grandes molécules complexes. L’histoire des origines de la vie doit donc aborder une question encore plus fondamentale. Si la vie dépend de la chimie du carbone, d’où vient le carbone? En répondant à cette question fondamentale, nous découvrons également l’origine de quatre autres éléments de cette mnémonique souvent citée des cours d’introduction à la biologie, les CHiNOPS: le carbone, l’hydrogène, l’azote, l’oxygène, le phosphore et le soufre (hydrogène formé pendant la première seconde du Big Bang), qui sont tous essentiels à la vie connue et se retrouvent en pourcentage assez important de la biomasse sèche. C’est pourquoi les biologistes les appellent des macroéléments essentiels. Dans ce cours, nous montrons aux étudiants des molécules organiques incroyablement complexes dans chacun des types de composés suivants: lipides, protéines, glucides et acides nucléiques, et certains instructeurs intègrent un laboratoire utilisant des modèles moléculaires ou un logiciel de modélisation moléculaire.

Il existe également un certain nombre de microéléments essentiels, mais en quantités beaucoup plus faibles. Ceux-ci incluent certains éléments plus lourds comme le fer, l’iode et le zinc. D’où viennent tous les éléments essentiels ? Dans le Réassemblage de l’unité de l’Univers, nous examinons les processus de naissance et de mort des étoiles. Les élèves apprennent que toutes les étoiles de la séquence principale de la taille de notre soleil et plus grandes finissent par subir une fusion d’hélium entraînant la formation de carbone. Les étoiles plus grandes présentent des couches de fusion conduisant à des éléments encore plus massifs que le carbone, y compris le phosphore et l’azote. En effet, les étoiles de la séquence principale au moins huit fois plus grandes que notre soleil auront à terme un noyau conduisant au fer. Aucune quantité de pression dans le noyau d’une étoile ne peut amener le fer à fusionner, c’est donc l’élément le plus lourd formé dans les noyaux des étoiles. Les étudiants peuvent identifier et, dans une large mesure, expliquer les processus qui conduisent à l’origine du carbone et de presque tous les autres éléments essentiels — la fusion dans les noyaux d’étoiles. Mais il y a encore des questions en suspens auxquelles les étudiants doivent réfléchir. Premièrement, certains éléments essentiels sont plus massifs que le fer, par exemple l’iode. D’où viennent les éléments plus lourds que le fer? Deuxièmement, comment le carbone et tous les autres éléments essentiels ont-ils atteint notre système solaire?

La réponse aux deux questions est la même – supernova. Dans les supernovae de type I, une naine blanche (un reste chaud de carbone / oxygène d’une étoile de la taille du soleil) tire rapidement le gaz de son partenaire binaire, ce qui entraîne une accumulation rapide de masse et de pression et, finalement, la détonation de l’ancienne naine blanche (Trefil et Hazen 2007). Dans les supernovae de type II, le noyau de cendres de fer d’une grande étoile s’effondre de manière catastrophique en un noyau de neutrons, qui rebondit et se fracasse en milliards de kilomètres de masse en chute libre. De toute façon, l’énergie est monstrueuse. L’énergie produite dans une supernova de l’un ou l’autre type dépasse l’énergie émise à ce moment par toutes les étoiles d’une galaxie. L’énergie générée dans une supernova est suffisante pour fusionner tous les éléments du tableau périodique, y compris l’iode et d’autres éléments bioessentiels plus lourds. Après la supernova, les gaz ensemencés avec chaque élément du tableau périodique sont projetés à une partie significative de la vitesse de la lumière. Cela signifie qu’à un moment donné dans le passé, une supernova a soufflé des matériaux à l’endroit où notre système solaire réside maintenant. Ces gaz se sont formés ou se sont ajoutés à une nébuleuse, un énorme nuage de gaz et de débris, qui a finalement conduit à notre système solaire. Par conséquent, en développant soigneusement la séquence des événements qui mènent à la géante rouge et finalement à une supernova, les élèves savent maintenant d’où viennent tous les éléments, y compris le carbone, et comment ils sont arrivés à l’endroit où réside actuellement le système solaire. Bien que nous ne soyons même pas près d’expliquer les origines de la vie, nous avons au moins expliqué les origines des éléments qui composent la vie, et en outre, comment ils sont arrivés au voisinage de la Terre.

C’est une chose de placer du carbone et tous les autres éléments essentiels dans une nébuleuse. C’en est une autre de les localiser sur une planète. Comment ces éléments se sont-ils retrouvés sur Terre ? Les astronomes invoquent normalement une version de l’hypothèse nébuleuse. Dans cette hypothèse, les gaz nébulaires profondément dans le nuage, dominés par l’hydrogène et l’hélium commencent à se contracter gravitationnellement. Mais plutôt que de se contracter simplement en boule, le nuage commence à développer un mouvement de rotation. Cette rotation crache de minces disques de matière. Bien que mince par rapport à la masse centrale et source ultime de la masse du soleil, il est encore suffisamment important pour former des collections localisées de masse dues à la gravité. La Terre est l’une de ces masses qui se sont formées dans le disque de notre soleil en développement. Comme ses trois compagnons du système solaire interne, la Terre s’est formée comme une petite planète rocheuse possédant tous les éléments bioessentiels.

À ce stade de la classe, nous avons établi comment le carbone et tous les éléments se sont retrouvés sur Terre. Cependant, pour que la vie se forme, nous devons expliquer les origines des produits chimiques organiques et, de plus, la présence de produits chimiques dans l’atmosphère. Trefil et Hazen (2007) suggèrent que nous considérons à quoi ressemblait la Terre primitive après sa formation autour de notre jeune soleil (Tableau 1 Science de la Terre). Bien que huit planètes distinctes se soient formées (sans Pluton!), il y avait beaucoup, beaucoup de planétésimaux dans le système solaire primitif. Ces planétésimaux allaient de la taille de rochers à plusieurs kilomètres de diamètre. La Terre est petite par rapport au soleil, mais elle était assez grande pour entraîner gravitationnellement de nombreux planétésimaux. Au fur et à mesure qu’ils s’écrasaient sur la Terre, la Terre solide est devenue semi-liquide et des matériaux plus denses ont coulé jusqu’au noyau. Au fil du temps, la Terre a nettoyé son voisinage planétaire de la plupart des débris; en effet, cela fait partie de la définition acceptée d’une planète (Résolution 6 de la XXVIème Assemblée Générale à Prague: Définition d’une Planète dans le Système Solaire 2006). Comme moins d’énergie a touché la Terre, le grand bombardement a pris fin et il s’est refroidi. Une croûte s’est formée, qui a piégé les gaz en dessous. Les gaz ont fini par augmenter la pression et ont éclaté dans les volcans mondiaux. Si les volcans d’aujourd’hui sont un guide, ils crachaient des gaz simples, notamment du dioxyde de carbone, de l’hydrogène, du méthane, de l’ammoniac et surtout de la vapeur d’eau. Lorsque la Terre s’est refroidie, l’eau atmosphérique s’est condensée et est tombée sous forme de pluie remplissant les océans d’eau de pluie. La foudre a sûrement lacé cette atmosphère mouvementée et chargée au début. À ce stade, nous n’avons établi qu’un mécanisme plausible pour localiser des composés carbonés simples dans l’atmosphère, mais ne produisant pas de composés organiques complexes. Nous devons encore répondre à une question simple: comment le carbone est—il entré dans les composés organiques? Nous ne pouvons jamais remonter dans le temps, mais nous pouvons essayer de reconstruire à quoi ressemblaient les conditions à cette époque. C’est ce que Stanley Miller et Harold Urey ont fait dans leurs fameuses expériences dans les années 1950 qui ont montré comment les conditions de la Terre primitive pouvaient conduire à la formation de molécules organiques (Miller 1953; Miller et Urey 1959). Aucune magie n’a besoin d’être invoquée, aucune astuce de la chimie moderne introduite, juste un simple système de gaz, d’eau et de chaleur. Il peut y avoir d’autres façons d’introduire des composés organiques sur la Terre primitive; par exemple, les météorites peuvent contenir des composés organiques qui peuvent survivre à l’impact sur la Terre. Quoi qu’il en soit, la Terre est et était sûrement riche en molécules organiques — une véritable soupe organique.

Comment cette soupe a donné la vie est l’un des grands mystères non résolus de la science, et les étudiants en apprennent davantage sur les principales théories actuelles (tableau 1 Sciences de la vie). Peut-être cela avait-il quelque chose à voir avec la façon dont les phospholipides forment des boules creuses contenant des mélanges de produits chimiques organiques, peut-être cela a-t-il quelque chose à voir avec la façon dont les molécules d’ARN peuvent agir à la fois comme un modèle ou une enzyme ou peut-être cela implique une myriade de processus que nous n’avons pas encore découverts. La position scientifique honnête est que nous ne connaissons pas la réponse. Mais nous rappelons aux étudiants de savourer l’inconnu, car c’est l’inconnu qui pousse les scientifiques à voyager avec les étoiles et à découvrir. Une fois la vie formée, le grand processus de la biologie évolutive pourrait se dérouler, la sélection naturelle ouvrant la voie. Le cours se termine par un aperçu des archives fossiles et des preuves biochimiques qui soutiennent la théorie de l’évolution biologique. Comme l’a dit Charles Darwin à la fin de son livre, “Il y a de la grandeur dans cette vision de la vie, avec ses plusieurs pouvoirs, qui ont été à l’origine respirés sous quelques formes ou sous une seule ; et que, alors que cette planète a continué à rouler selon la loi fixe de la gravité, à partir d’un si simple commencement, les formes infinies les plus belles et les plus merveilleuses ont été et sont en train d’évoluer” (Darwin 1972). Nous soutenons que Charles Darwin serait très impressionné et profondément ému de voir que sa version des origines avait été ramenée au début du temps et de la matière.