la Scienza e il Concetto di Evoluzione: Dal Big Bang all’Origine e l’Evoluzione della Vita

La più grande storia di tutti comprende l’origine, il trucco e l’evoluzione del nostro universo, che include la vita. Questa è la storia che insegniamo nel nostro corso principale di educazione generale ” Scienza e concetto di evoluzione.”In effetti, è una grande storia, unificata dalla maestosità dell’argomento; tuttavia, c’è una sovrabbondanza di sottotrame avvincenti. Una sottotrama è un complemento perfetto alla storia generale – il modo in cui gli scienziati hanno imparato a conoscere l’universo in tutto il suo splendore e complessità. Presso i nostri educatori universitari dibattono caldamente il modo migliore per fornire istruzione generale; crediamo che questo corso colpisce molte delle note giuste. Comprende argomenti che parlano della realtà fondamentale della nostra esistenza. Inoltre, sottolinea lo sforzo umano della scienza. Questi sono esattamente i tipi di lezioni che sono importanti per ogni studente di college ad abbracciare; cioè, l’universo è grande, complesso, meraviglioso, e spesso conoscibile. Il corso sottolinea ciò che sappiamo, come lo abbiamo imparato e ciò che è rimasto sconosciuto. Per gli studenti di cogliere il concetto che gli scienziati hanno fondamentalmente spiegato i processi che una volta sembravano inconoscibili è tra i messaggi più importanti di questo corso. La scienza è viva e dinamica e l’ignoto universale è la frontiera a cui gli scienziati salpano come esploratori.

Rompere l’universo in parti fondamentali: Materia, Forza e Tempo

Sosteniamo che per conoscere l’universo, gli studenti dovrebbero conoscere la sua composizione fondamentale. In questa unità, spezziamo l’universo nei suoi elementi fondamentali. Per prima cosa, introduciamo il concetto del più piccolo pezzo di materia. Ma per farlo, non facciamo semplicemente un elenco di particelle fondamentali. Piuttosto, esploriamo la sottotrama della scoperta. In che modo gli esseri umani vennero a conoscenza delle parti fondamentali della materia? Partendo dall’átom di Democrito e mostrando l’evoluzione della teoria atomica attraverso una sequenza di scienziati (Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr, Pauli, Fermi: Struttura della materia nella Tabella 1) concludiamo con il nostro attuale stato di conoscenza: sei quark e sei leptoni.

La materia non è immobile, non è congelata nello spazio e nel tempo; si muove, a volte drammaticamente. Quindi, in seguito, discutiamo le tre leggi che governano il moto della materia, per gentile concessione di Isaac Newton. Naturalmente, la materia non si muove magicamente; una forza è responsabile (Tabella 1 Fisica). Come tale, trascorriamo diverse lezioni sulle quattro forze fondamentali, prestando particolare attenzione alla gravità e all’elettromagnetismo. Queste due forze, insieme alla forza nucleare forte, sono essenziali per comprendere l’unità successiva, che copre in parte la vita e la morte delle stelle. Una volta stabiliti i concetti di materia e forza, passiamo ai fondamenti della termodinamica (Tabella 1 Chimica). Nessuna discussione sull’universo può essere completa senza una certa comprensione di entrambe le leggi. La prima legge della termodinamica è assolutamente essenziale per fare il seguente punto: nulla nell’universo è magico; cioè, ogni volta che un oggetto emette o utilizza energia, quell’energia deve provenire da qualche parte. Nella prossima unità, questo concetto fondamentale è usato per fare un punto importante sulle stelle: muoiono. La seconda legge della termodinamica non è meno importante. Stabilisce una sequenza di eventi: l’ordine va al disordine, il calore scorre dai corpi caldi a quelli freddi e l’energia passa da una forma concentrata a una forma meno concentrata con il rilascio di calore. In altre parole, la seconda legge detta la freccia del tempo. Voilá, ce l’abbiamo fatta! L’universo si scompone in materia, forza e tempo con una manciata di leggi che li governano.

Riassemblare l’Universo

Sapere una cosa è sapere più dei mattoni fondamentali. Dopo tutto, se ognuna delle 11 trilioni di cellule di un essere umano fosse presentata una alla volta, difficilmente capiresti cosa significa essere un essere umano—così anche per l’universo. In quanto tale, in questa unità miriamo a ricomporre l’universo in un’entità coerente composta da elementi costitutivi fondamentali. Il libro che usiamo per il corso, Le scienze di Trefil e Hazen (2007), ha un approccio affascinante che viene adottato per la prima presentazione in questa unità. Immagina la prima persona in grado di formare una domanda (forse uno dei nostri antenati ominidi) che emerge da un sonno e guarda il cielo notturno. Sicuramente fecero una domanda ovvia: “Quali sono quei punti di luce?”Così nacque l’astronomia. In questa classe, la stessa domanda viene posta agli studenti, solo noi permettiamo loro di utilizzare le informazioni di base apprese nell’unità precedente. Segue quindi una sequenza logica notevole: le stelle emettono luce; la luce è energia elettromagnetica; le stelle non sono magiche, e quindi devono convertire qualche altra forma di energia in luce; le stelle non sono infinite in volume, quindi un giorno finiranno l’energia; tutte le stelle moriranno; e infine, se tutte le stelle muoiono, allora tutte le stelle sono nate. Da questa discussione scaturiscono naturalmente due domande:

• Come nascono le stelle?

• Come muoiono le stelle?

Le risposte a queste domande sono meravigliose di per sé, ma sono essenziali per comprendere l’origine della vita stessa, poiché è nella fucina della fusione termonucleare che sono stati generati gli elementi della vita. Dettagliando i processi di nascita e morte delle stelle, costruiamo una panoplia di stelle: stelle di sequenza principale (dalle stelle gialle di dimensioni solari alle giganti blu), giganti rosse, giganti super rosse, nane bianche, nane nere, stelle di neutroni e buchi neri. Conoscere l’origine e le proprietà di questo cast di stelle porta a casa il punto chiave che le nostre idee riguardo ai processi generativi e alla composizione dell’universo si sono evolute man mano che gli strumenti disponibili per studiare l’universo sono migliorati (Tabella 1 Cosmologia e Astronomia del sistema solare).

Ad esempio, consideriamo i modi in cui gli astronomi misurano le distanze dalle stelle. Triangolazione, utilizzando funzioni trigonometriche, per misurare la distanza funziona bene per le stelle vicine. Ma prima di potenti telescopi, c’erano un certo numero di” stelle fuzzy ” che erano troppo distanti per essere misurate usando questa tecnica (Trefil e Hazen 2007). Edwin Hubble ha usato le variabili cefeidi (un tipo speciale di stella morente che rivela la sua luminosità assoluta dalla durata del suo ciclo di luminosità/oscuramento) per determinare che le cosiddette stelle fuzzy erano in realtà ammassi di stelle sorprendentemente lontani (Trefil e Hazen 2007); ora le riconosciamo come galassie. La galassia più vicina a noi è Andromeda, a 2,5 milioni di anni luce di distanza! Hubble ci ha aiutato a realizzare l’immensità dell’universo. In effetti, la disposizione delle galassie nell’universo ha una struttura su larga scala in cui le galassie si presentano in ammassi e raggruppamenti. La scoperta dell’immensità dell’universo da parte di Hubble ha cambiato enormemente il nostro senso dell’universo, ma non ci ha fatto sorprendere. Usando la spettroscopia di luce (la stessa tecnica viene eseguita dagli studenti in laboratorio), Hubble ha scoperto che tutte le galassie si stanno allontanando da noi; più si allontanano più velocemente si muovono (Livio 2000). Hubble ha stabilito che solo l’espansione universale potrebbe spiegare un tale risultato! Per la seconda volta, Hubble ha cambiato radicalmente il nostro modo di vedere l’universo. La scoperta di Hubble sottolinea in modo drammatico che l’universo è pieno di sorprese e che gli scienziati devono essere pronti a interpretarle all’interno del quadro esistente o, se necessario, a escogitare nuove spiegazioni.

L’universo è grande (infinito in realtà) e le sorprese sembrano essere la norma piuttosto che l’eccezione. Nel 1998, la rivista Science ha definito la scoperta che l’universo non solo si sta espandendo, ma che lo sta facendo a un ritmo di espansione come la sua “Svolta dell’anno” (Glanz 1998). A questo punto della classe, abbiamo stabilito come le stelle si formano e muoiono, come vengono raccolte nelle galassie, come le galassie sono disposte nello spazio e come si allontanano costantemente l’una dall’altra ad un ritmo accelerato! Non male per un’unità in una classe di scienze generali, ma la storia non finisce qui. No; sorprendentemente, utilizzando acceleratori di particelle, gli scienziati hanno determinato con grande precisione quali erano le condizioni dell’universo nei primi momenti dopo il Big Bang. Ad esempio, a 10-35 s dopo il Big Bang, la forza forte si bloccò e a 10-10 s tutte e quattro le forze fondamentali esistevano come entità separate. La straordinaria energia e l’espansione dell’universo primordiale hanno portato a un fenomeno importante per comprendere l’origine della vita; cioè, una rapida espansione ha impedito la formazione di elementi più pesanti attraverso la fusione. La stragrande maggioranza della materia nell’universo è idrogeno, elio e litio; tutto il resto è raro. Ma l’idrogeno, l’elio e il litio semplicemente non saranno sufficienti per la vita. Per spiegare la vita, dobbiamo spiegare l’origine degli elementi più pesanti: azoto, ossigeno, fosforo e molti altri, ma soprattutto carbonio. Inoltre, dobbiamo spiegare come ci sono arrivati qui nel nostro sistema solare.

Life

A questo punto, una sessione di revisione esamina le immagini del telescopio Hubble. Gli studenti ammirano immagini di nebulose planetarie che vomitano il loro contenuto in getti di gas diametralmente opposti e in eleganti galassie a spirale (tra gli oggetti più belli dell’universo). Finiamo con le immagini dell’indagine sul campo profondo delle galassie. Poche immagini sono più agitazione-galassia su galassia su galassia ammucchiati uno dopo l’altro ai bordi dell’universo, ogni galassia in possesso di milioni, miliardi o addirittura trilioni di stelle. Se un obiettivo dell’educazione generale è quello di infondere un senso di posto e scala nei nostri studenti, cosa potrebbe essere più efficace di una profonda comprensione dell’universo? D’altra parte, non è nostra intenzione farli sentire piccoli e insignificanti. Come antidoto a questa sensazione naturale di essere minuscoli, la seguente citazione è letta dal libro di Alan Dressler del 1994, Voyage to the Great Attractor (Dressler 1994).

Continuiamo a prendere la lezione sbagliata da ciò che stiamo imparando ora. Un astronauta che aveva preso una passeggiata spaziale tethered mentre su un volo Gemini è stato recentemente chiesto se l ” esperienza lo aveva cambiato. Era stato colpito, ha ricordato, da quanto piccola e insignificante fosse la Terra e l’avventura umana, “come una formica che striscia attraverso il deserto del Sahara.” Esattamente. La formica, astronomicamente in inferiorità numerica dai granelli di sabbia, sopraffatto dalle dimensioni del deserto inospitale, è tuttavia la più grande meraviglia, di gran lunga.

È tempo di fare il punto sulla scoperta che la vita è la cosa più complessa che conosciamo nell’Universo e, come tale, più degna della nostra ammirazione. Sì, l’Universo nani il nostro mondo in termini di dimensioni e potenza immensa. Ma l’Universo di stelle, galassie e vasti golfi di spazio è molto, molto semplice rispetto a noi e alle nostre forme di vita fratelli. Se potessimo solo imparare a guardare l’Universo con occhi ciechi al potere e alle dimensioni, ma desiderosi di sottigliezza e complessità, allora il nostro mondo eclisserebbe una galassia di stelle. In effetti, dovremmo meravigliarci dell’Universo per la sua maestà, ma dobbiamo veramente essere in soggezione del suo più grande successo: la vita.

Concedere l’affermazione è più metafora della scienza, l’origine e l’evoluzione della vita è certamente un risultato che vale la pena esplorare in una classe di scienze dell’educazione generale. Inoltre, questo corso ci consente di inquadrare quella grande storia nel più ampio contesto evolutivo fisico e chimico in un modo che i corsi di biologia pura non possono. Gli organismi viventi sono fatti di particelle, disposte in atomi per formare elementi diversi, che sono disposti in una vertiginosa serie di molecole che interagiscono secondo le loro proprietà chimiche. Come hanno avuto origine allora queste sostanze chimiche e come sono venute ad essere sulla Terra? Il primo elemento che affrontiamo in quest’ultima unità è definire la vita. Come così tanto in biologia, è più complesso di quanto sembri in un primo momento. Trefil e Hazen (2007) gestiscono le domande elencando le caratteristiche che condividono la maggior parte degli organismi viventi conosciuti:

1. Tutti gli esseri viventi mantengono un alto grado di ordine e complessità.

2. Tutti gli esseri viventi fanno parte di un più ampio sistema di materia ed energia.

3. Tutta la vita dipende dalle reazioni chimiche che avvengono nelle cellule.

4. Tutta la vita conosciuta richiede acqua liquida.

5. Gli organismi crescono e si sviluppano.

6. Gli esseri viventi regolano il loro uso di energia e rispondono al loro ambiente.

7. Tutte le cose condividono lo stesso codice genetico, che viene passato da genitore a prole.

8. Tutti gli esseri viventi discendono da un antenato comune.

I primi due elementi sono concetti che si riferiscono direttamente alle precedenti discussioni sulle leggi della termodinamica. Si dovrebbe fare attenzione a sottolineare che questi due elementi non implicano che la vita viola la seconda legge della termodinamica, ma che i sistemi viventi sono sistemi aperti, possono ricevere energia e sono quindi liberi di sperimentare aumenti localizzati in ordine. Un po ‘ più di tempo viene speso con l’articolo 3. In primo luogo, esaminiamo la straordinaria diversità della vita sul pianeta. Successivamente, discutiamo la complessità delle forme, delle dimensioni e della diversità ancora maggiore delle reazioni chimiche che avvengono nei sistemi viventi (Tabella 1 Chimica). Nonostante la complessità della vita e la sua biochimica, ogni elemento sulla tavola periodica non è ugualmente rappresentato nella composizione degli organismi viventi. In effetti, nessun elemento è più centrale nella comprensione della vita del carbonio. Se c’è una tale grande complessità di forma e chimica nei sistemi viventi, allora è meglio che ci sia un blocco flessibile; l’ultimo set di erettori, se vuoi. Il carbonio è speciale. La sua capacità di formare legami covalenti stabili con altri quattro atomi, incluso un altro atomo di carbonio, rende possibili molecole molto grandi e complesse. La storia delle origini della vita deve quindi affrontare una questione ancora più fondamentale. Se la vita dipende dalla chimica del carbonio, da dove viene il carbonio? Nel rispondere a questa domanda fondamentale, scopriamo anche l’origine di altri quattro elementi da quella mnemonica spesso citata dalle lezioni introduttive di biologia, CHiNOPS: carbonio, idrogeno, azoto, ossigeno, fosforo e zolfo (idrogeno formatosi durante il primo secondo del Big Bang), che sono tutti essenziali per la vita conosciuta e si trovano come una percentuale abbastanza grande di biomassa secca. Ecco perché i biologi si riferiscono a questi come macroelementi essenziali. In questo corso, mostriamo agli studenti alcune molecole organiche straordinariamente complesse in ciascuno dei seguenti tipi di composti: lipidi, proteine, carboidrati e acidi nucleici, e alcuni istruttori incorporano un laboratorio utilizzando modelli molecolari o software di modellazione molecolare.

Ci sono anche un certo numero di microelementi che sono essenziali, ma in quantità molto minori. Questi includono alcuni elementi più pesanti come ferro, iodio e zinco. Da dove provengono tutti gli elementi essenziali? Nel Riassemblare l’unità dell’Universo, esaminiamo i processi di nascita e morte delle stelle. Gli studenti imparano che tutte le stelle di sequenza principale delle dimensioni del nostro sole e più grandi alla fine subiscono la fusione dell’elio con conseguente formazione di carbonio. Stelle più grandi presentano strati di fusione che portano a elementi ancora più massicci del carbonio, tra cui fosforo e azoto. In effetti, le stelle di sequenza principale almeno otto volte più grandi del nostro sole alla fine avranno un nucleo che porta al ferro. Nessuna quantità di pressione nel nucleo di una stella può far fondere il ferro, quindi è l’elemento più pesante formato nei nuclei delle stelle. Gli studenti possono identificare e in larga misura spiegare i processi che portano all’origine del carbonio e quasi ogni altro elemento essenziale: la fusione nei nuclei stellari. Ma ci sono ancora alcune domande in sospeso che gli studenti devono riflettere. Innanzitutto, alcuni elementi essenziali sono più massicci del ferro, ad esempio lo iodio. Da dove provengono gli elementi più pesanti del ferro? In secondo luogo, come è arrivato il carbonio e tutti gli altri elementi essenziali al nostro sistema solare?

La risposta ad entrambe le domande è la stessa: supernova. Nelle supernove di tipo I, una nana bianca (un residuo caldo di carbonio/ossigeno della stella delle dimensioni del sole) attira rapidamente il gas dal suo partner binario, portando ad un rapido accumulo di massa e pressione e, in definitiva, alla detonazione della precedente nana bianca (Trefil e Hazen 2007). Nelle supernove di tipo II, il nucleo di cenere di ferro di una grande stella collassa catastroficamente in un nucleo di neutroni, che rimbalza e si rompe in miliardi di chilometri di massa in caduta. In entrambi i casi, l’energia è mostruosa. L’energia prodotta in una supernova di entrambi i tipi supera l’energia emessa in quel momento da tutte le stelle di una galassia. L’energia generata in una supernova è sufficiente per fondere ogni elemento della tavola periodica, incluso lo iodio e altri elementi bioessenziali più pesanti. Dopo la supernova, i gas seminati con ogni elemento sulla tavola periodica vengono scagliati a una porzione significativa della velocità della luce. Ciò significa che in qualche momento in passato, una supernova ha fatto saltare materiali dove ora risiede il nostro sistema solare. Quei gas si sono formati o aggiunti a una nebulosa, un’enorme nube di gas e detriti, che alla fine ha portato al nostro Sistema Solare. Pertanto, sviluppando attentamente la sequenza di eventi che portano alla gigante rossa e infine a una supernova, gli studenti ora sanno da dove provengono tutti gli elementi, incluso il carbonio, e come sono arrivati dove risiede attualmente il Sistema solare. Anche se non ci siamo nemmeno avvicinati a spiegare le origini della vita, abbiamo almeno spiegato le origini degli elementi che compongono la vita e, inoltre, come sono arrivati al vicinato della Terra.

Una cosa è collocare il carbonio e tutti gli altri elementi essenziali in una nebulosa. È un’altra cosa localizzarli su un pianeta. Come finirono dunque questi elementi sulla Terra? Gli astronomi normalmente invocano qualche versione dell’ipotesi Nebulosa. In questa ipotesi, i gas nebulosi in profondità nella nube, dominati da idrogeno ed elio iniziano a contrarsi gravitazionalmente. Ma piuttosto che semplicemente contrarsi in una palla, la nuvola inizia a sviluppare il movimento rotatorio. Questa rotazione sputa sottili dischi di materia. Sebbene sottile rispetto alla massa centrale e alla fonte ultima della massa del sole, è ancora abbastanza consistente da formare raccolte localizzate di massa a causa della gravità. La Terra è una di queste masse che si sono formate nel disco del nostro sole in via di sviluppo. Come i suoi tre compagni del sistema solare interno, la Terra si è formata come un piccolo pianeta roccioso che possiede tutti gli elementi bioessenziali.

A questo punto della classe abbiamo stabilito come il carbonio e tutti gli elementi finiscono sulla Terra. Tuttavia, affinché la vita si formi, dobbiamo spiegare le origini delle sostanze chimiche organiche e, inoltre, la presenza di sostanze chimiche nell’atmosfera. Trefil e Hazen (2007) suggeriscono che consideriamo come era la Terra primitiva dopo che si è formata attorno al nostro giovane sole (Tabella 1 Earth Science). Anche se si sono formati otto pianeti distinti (sans Plutone!), c’erano molti, molti planetesimi nel primo Sistema solare. Questi planetesimi variavano dalle dimensioni dei massi a diversi chilometri di diametro. La Terra è piccola rispetto al sole, ma era abbastanza grande da trascinare gravitazionalmente molti planetesimi. Mentre si schiantavano sulla Terra più e più volte, la Terra solida divenne semiliquida e materiali più densi affondarono fino al nucleo. Nel corso del tempo, la Terra ha ripulito il suo quartiere planetario dalla maggior parte dei detriti; infatti, questo fa parte della definizione accettata di un pianeta (Risoluzione 6 della XXVI Assemblea Generale di Praga: Definizione di un pianeta nel sistema solare 2006). Con meno energia sulla Terra, il grande bombardamento finì e si raffreddò. Si formò una crosta che intrappolò i gas sottostanti. I gas alla fine hanno accumulato pressione ed eruttato nei vulcani globali. Se i vulcani di oggi sono una guida, hanno vomitato gas semplici tra cui anidride carbonica, idrogeno, metano, ammoniaca e soprattutto vapore acqueo. Mentre la Terra si raffreddava, l’acqua atmosferica si condensava e cadeva come pioggia riempiendo gli oceani con acqua piovana. Un fulmine sicuramente allacciato questa presto roiling, atmosfera carica. A questo punto, abbiamo solo stabilito un meccanismo plausibile per localizzare semplici composti di carbonio nell’atmosfera, ma non produrre composti organici complessi. Dobbiamo ancora affrontare una semplice domanda: come ha fatto il carbonio a entrare nei composti organici? Non possiamo mai tornare indietro nel tempo, ma possiamo provare a ricostruire come erano le condizioni in quel momento. Questo è ciò che Stanley Miller e Harold Urey hanno fatto nei loro famosi esperimenti negli 1950 che hanno mostrato come le condizioni della Terra primitiva potrebbero portare alla formazione di molecole organiche (Miller 1953; Miller e Urey 1959). Nessuna magia deve essere invocata, nessun trucco della chimica moderna introdotto, solo un semplice sistema di gas, acqua e calore. Ci possono essere altri modi in cui i composti organici potrebbero essere introdotti nella Terra primitiva; ad esempio, i meteoriti possono contenere composti organici che possono sopravvivere all’impatto sulla Terra. Comunque sia, la Terra è e sicuramente è stata ricca di molecole organiche – una vera e propria zuppa biologica.

Come questa zuppa ha dato vita è uno dei grandi misteri irrisolti della scienza, e gli studenti apprendono le attuali teorie principali (Tabella 1 Scienze della vita). Forse ha qualcosa a che fare con il modo in cui i fosfolipidi formano sfere cave contenenti miscele di sostanze chimiche organiche, forse ha qualcosa a che fare con il modo in cui le molecole di RNA possono agire sia come modello o enzima o forse coinvolge una miriade di processi che dobbiamo ancora scoprire. La posizione scientifica onesta è che non conosciamo la risposta. Ma ricordiamo agli studenti di assaporare l’ignoto, perché è l’ignoto che spinge gli scienziati a viaggiare con le stelle e a scoprire. Una volta formata la vita, il grande processo della biologia evolutiva potrebbe giocare fuori, con la selezione naturale che apre la strada. Il corso si conclude con una panoramica della documentazione fossile e delle evidenze biochimiche che supportano la teoria dell’evoluzione biologica. Come Charles Darwin, notoriamente, ha detto alla fine del suo libro, “C’è qualcosa di grandioso in questa concezione della vita, con le sue diverse forze, originariamente impresse dal creatore in poche forme o in una; e che, mentre il nostro pianeta ha continuato a ruotare secondo l’immutabile legge della gravità, da un così semplice inizio innumerevoli forme, bellissime e meravigliose, si sono evolute e continuano a evolversi” (Darwin 1972). Sosteniamo che Charles Darwin sarebbe stato molto colpito e profondamente commosso nel vedere che la sua versione delle origini era stata spostata all’inizio del tempo e della materia.