科学と進化の概念:ビッグバンから生命の起源と進化へ

すべての壮大な物語は、生命を含む私たちの宇宙の起源、構成、進化を網羅しています。 これは、私たちが私たちの一般教育コアコース”科学と進化の概念”で教える物語です。”確かに、それはトピックの威厳によって統一された壮大な物語です。 一つのサブプロットは、科学者がすべての素晴らしさと複雑さの中で宇宙を知るようになったという包括的な物語を完全に補完するものです。 私たちの大学の教育者では、一般教育をどのように提供するのが最善かを熱く議論しています。 それは私達の存在の基本的な現実に話すトピックを取囲む。 さらに、それは科学の人間の努力を強調しています。 これらは、すべての大学生が受け入れるために重要なレッスンの正確な種類です。 このコースでは、私たちが知っていること、それをどのように学んだのか、そして未知のものを強調しています。 科学者がかつて知られていなかったプロセスを根本的に説明したという概念を学生が把握するためには、このコースの最も重要なメッセージの一つです。 科学は生きており、ダイナミックであり、普遍的な未知は、科学者が探検家として帆を設定するフロンティアです。

宇宙を基本的な部分に分解する：物質、力、時間

宇宙を知るためには、学生はその基本的な構成を知るべきだと主張しています。 このユニットでは、宇宙をその基本的な構成要素に分割します。 まず、最小の物質の概念を紹介します。 しかし、そうするために、私たちは単に基本的な粒子のリストを作るだけではありません。 むしろ、私たちは発見のサブプロットを探求します。 人間はどのようにして物質の基本的な部分を知るようになったのですか？ デモクリトスのátomから始まり、一連の科学者（Dalton、Thomson、Rutherford、Bohr、Pauli、Fermi：表1の物質の構造）を通じて原子理論の進化を示すことは、現在の知識の状態で終わります：六つのクォークと六つのレプトン。

物質は動かず、空間と時間において凍結されず、時には劇的に動く。 次に、物質の動きを支配する3つの法則について議論します。 もちろん、物質は魔法のように動くのではなく、力が原因です（表1物理学）。 このように、私たちは重力と電磁気学に特に注意を払って、四つの基本的な力についていくつかの講義を行います。 これら二つの力は、強い核力とともに、星の生と死を部分的にカバーする次のユニットを理解するために不可欠です。 物質と力の概念が確立されたら、熱力学の基礎に移ります（表1化学）。 宇宙についての議論は、両方の法則をある程度理解しなければ完全ではありません。 つまり、物体がエネルギーを放出したり利用したりするときはいつでも、そのエネルギーはどこかから来なければなりません。 次のユニットでは、この基本的な概念は、星について重要なポイントを作るために使用されます—彼らは死ぬ。 熱力学の第二法則はそれほど重要ではありません。 それは一連の出来事を確立します：秩序は無秩序に行き、熱は熱い体から冷たい体に流れ、エネルギーは集中した形から熱の放出とともに集中していな 言い換えれば、第二の法則は、時間の矢を指示します。 Voilá、私たちはそれをやった！ 宇宙は、それらを支配する一握りの法律で、物質、力、時間に分解されました。

宇宙を再構成する

物事を知ることは、基本的な構成要素以上のものを知ることです。 結局のところ、人間の11兆個の細胞のそれぞれが一度にあなたに提示された場合、あなたはそれが人間であることが何を意味するのかをほとんど理 このように、このユニットでは、宇宙を基本的な構成要素で構成された一貫した実体に再構築することを目指しています。 私たちがコースに使用する本、Trefil and Hazenによる科学（2007）は、このユニットの最初のプレゼンテーションに採用されている魅力的なアプローチを持っています。 質問を形成することができる最初の人を想像してみてください（おそらく私たちの人類の祖先の一人）眠りから出て、夜空を見上げています。 彼らは確かに明白な質問をしました、”それらの光のポイントは何ですか？”こうして、天文学は生まれました。 このクラスでは、同じ質問が学生に尋ねられますが、前のユニットで学んだ基本的な情報を使用することを許可しています。 星は光を放出し、光は電磁エネルギーであり、星は魔法ではないので、他の形のエネルギーを光に変換しなければならない。星は無限ではないので、いつかエネルギーを使い果たし、すべての星は死ぬだろう。そして最後に、すべての星が死ぬならば、すべての星が生まれた。 この議論から自然に二つの質問が流れます:

• 星はどのように生まれていますか？

• 星はどのように死ぬのですか？

これらの質問に対する答えは、それ自体が素晴らしいですが、生命の要素が生成されたのは熱核融合の鍛造であるため、生命そのものの起源を理解す 星の誕生と死のプロセスを詳述することによって、私たちは星のpanoplyを構築します: 主系列星（太陽の大きさの黄色の星から青い巨人まで）、赤い巨人、スーパー赤い巨人、白い矮星、黒い矮星、中性子星、ブラックホール。 この星の起源と性質を知ることは、宇宙を研究するためのツールが改善されるにつれて、宇宙の生成過程と組成に関する私たちのアイデアが進化した重要なポイントを故郷に駆動します（表1宇宙論と太陽系天文学）。

例として、天文学者が星までの距離を測定する方法を考えます。 三角関数を使用して距離を測定する三角測量は、近くの星に適しています。 しかし、強力な望遠鏡の前には、この技術を使用して測定するには遠すぎる「あいまいな星」がいくつかありました（Trefil and Hazen2007）。 エドウィン-ハッブルは、いわゆるファジー星が本当に驚くほど遠くにあった星の集まりであることを決定するために、セフェイド変数（その明るく/調光サイクルの持続時間によってその絶対的な明るさを明らかにする死に至る星の特別なタイプ）を使用した（Trefil and Hazen2007）。 私たちに最も近い銀河はアンドロメダ、2.5万光年離れています！ ハッブルは、私たちが宇宙の広大さを実現するのを助けました。 確かに、宇宙の銀河の配置は、銀河がクラスタとグループに入って来る大規模な構造を持っています。 宇宙の広大さのハッブルの発見は非常に宇宙の私達の感覚を変えたが、彼は私達を驚かせて行われなかった。 光分光法（同じ技術は研究室の学生によって行われます）を使用して、ハッブルはすべての銀河が私たちから離れて移動していることを発見しました。 ハッブルは、普遍的な拡大だけがそのような結果を説明できると判断しました！ 二度目に、ハッブルは私たちが宇宙を見る方法を劇的に変えました。 ハッブルの発見は、宇宙は驚きに満ちており、科学者は既存の枠組みの中でそれらを解釈するために準備されなければならない、または必要に応じて、

宇宙は大きく（実際には無限）、驚きは例外ではなく標準のようです。 1998年、サイエンス誌は、宇宙が拡大しているだけでなく、拡大している速度でそうしているという発見を”今年のブレークスルー”（Glanz1998）と命名しました。 クラスのこの時点で、私たちは星がどのように形成され、死ぬか、それらが銀河にどのように収集されるか、銀河が宇宙にどのように配置され、どのようにして絶えず加速する速度で互いにズームしているかを確立しました！ 一般的な科学のクラスのユニットには悪くありませんが、物語はここで終わらないのです。 いいえ。; 驚くべきことに、粒子加速器を使用して、科学者はビッグバン後の最初の瞬間に宇宙の状態がどのようなものであったかを非常に正確に決定しました。 例えば、ビッグバンの後の10-35秒で、強い力は凍結し、10-10秒ですべての四つの基本的な力は別々のエンティティとして存在していました。 初期宇宙の驚異的なエネルギーと膨張は、生命の起源を理解するための重要な現象、すなわち急速な膨張は核融合による重い元素の形成を妨げた。 宇宙の物質の大部分は水素、ヘリウム、リチウムであり、他のすべてはまれです。 しかし、水素、ヘリウム、リチウムは単に人生には十分ではありません。 生命を説明するためには、窒素、酸素、リンなど多くの重い元素の起源を説明する必要がありますが、特に炭素。 さらに、我々は彼らがここで私たちの太陽系で私たちに着いた方法を説明する必要があります。

生命

この時点で、レビューセッションはハッブル望遠鏡からの画像を調べます。 学生たちは、正反対のガスジェットやエレガントな渦巻銀河（宇宙で最も美しい物体の中）で内容物を噴出する惑星状星雲の画像に驚嘆します。 私たちは、銀河の深いフィールドサーベイの画像で終わります。 いくつかの画像は、より多くの攪拌されています—銀河に銀河に銀河は、宇宙の端に次々に積み上げ、各銀河は星の数百万、数十億、あるいは兆を所有してい 一般教育の目標が学生に場所と規模の感覚を浸透させることであるならば、宇宙の深い理解よりも効果的なものは何でしょうか？ その一方で、それは彼らが小さく、些細な感じにするために私たちの意図ではありません。 極小であることのこの自然な感じへの解毒剤として、次の引用はアランDresslerの1994年の本、大きいAttractorへの航海（Dressler1994年）から読まれる。

私達は私達が今学んでいるものをからの間違ったレッスンを取り続ける。 ジェミニの飛行中につながれた宇宙遊泳をしていた宇宙飛行士は、最近、経験が彼を変えたかどうか尋ねられました。 彼は打たれていた、彼は、地球と人間の冒険がいかに小さく、取るに足らないことによって、思い出した”サハラ砂漠を横切ってクロールアリのように。「その通りだ。 無愛想な砂漠の大きさに圧倒された砂の粒によって天文学的に数を上回ったアリは、それにもかかわらず、はるかに大きな驚異です。

生命は我々が宇宙で知っている中で最も複雑なものであり、我々の賞賛に値するものであるという発見に注目する時が来た。 はい、宇宙は私たちの世界の大きさと巨大な力を矮小化します。 しかし、星、銀河、そして宇宙の広大な湾の宇宙は、私たちと私たちの兄弟の生命体に比べて非常に、非常に簡単です。 私たちが力と大きさに盲目であるが、繊細さと複雑さに熱心な目で宇宙を見ることを学ぶことができれば、私たちの世界は星の銀河を凌駕するでし 確かに、私たちはその威厳のために宇宙に驚嘆すべきですが、私たちは本当にその最大の成果—人生に畏敬の念を抱いていなければなりません。

文を付与することは、科学よりもメタファーであり、生命の起源と進化は確かに一般的な教育科学のクラスで探索する価値のある成果です。 さらに、このコースでは、純粋な生物学コースでは不可能な方法で、より大きな物理的および化学的進化の文脈でその壮大な物語をフレーム化することがで 生物は、それらの化学的性質に応じて相互作用する分子の目まい配列に配置されている異なる要素を形成するために原子に配置された粒子で作ら これらの化学物質はどのようにして生まれ、どのようにして地球上に生まれましたか？ 私達がこの最後の単位で取り組む最初の項目は生命を定義することである。 生物学の多くのように、それは最初に思われるよりも複雑です。 Trefil and Hazen(2007)は、最も知られている生物が共有する特性をリストすることによって質問を処理します:

1. すべての生き物は、高度な秩序と複雑さを維持しています。

2. すべての生き物は、物質とエネルギーのより大きなシステムの一部です。

3. すべての生命は、細胞内で起こる化学反応に依存します。

4. すべての既知の生命は液体の水を必要とします。

5. 生物は成長し、発達する。

6. 生き物はエネルギーの使用を規制し、環境に対応します。

7. すべてのものは、親から子孫に渡される同じ遺伝コードを共有しています。

8. すべての生き物は共通の祖先の子孫です。

最初の2つの項目は、熱力学の法則の以前の議論に直接関連する概念です。 これら二つの項目は、生命が熱力学の第二法則に違反していることを意味するのではなく、生命システムはオープンシステムであり、エネルギーを受け取ることができ、したがって局所的な増加を順番に自由に経験することができることを指摘するように注意すべきである。 アイテム3にはもう少し時間が費やされています。 まず、私たちは地球上の生命の驚くべき多様性を調査します。 次に、生命システムで起こる化学反応の形状、大きさ、さらに多様性の複雑さについて議論します（表1化学）。 生命とその生化学の複雑さにもかかわらず、周期表上のすべての要素は、生きている生物の構成において等しく表されていません。 実際、炭素よりも生命の理解の中心となる要素はありません。 生きているシステムの形そして化学のそのような大きい複雑さがあれば、適用範囲が広いブロックがあったよりよい;最終的な建設者セット。 炭素は特別です。 他の炭素原子を含む4つの他の原子と安定な共有結合を形成するその能力は、非常に大きく複雑な分子を可能にする。 したがって、生命の起源の物語は、さらに根本的な問題に取り組まなければなりません。 生命が炭素の化学に依存するならば、炭素はどこから来たのですか？ その基本的な質問に答えるには、我々はまた、入門生物学のクラス、CHiNOPSからoft引用ニーモニックから他の四つの要素の起源を発見します: 炭素、水素、窒素、酸素、リン、および硫黄（ビッグバンの最初の第二の間に形成された水素）は、既知の生命に不可欠であり、乾燥バイオマスのかなりの割合 そのため、生物学者はこれらを必須のマクロ要素と呼んでいます。 このコースでは、脂質、タンパク質、炭水化物、核酸の各化合物に印象的に複雑な有機分子を示し、分子モデルや分子モデリングソフトウェアを使用してラボを組み込む講師もいます。

必要不可欠な微量元素も多数存在しますが、その量ははるかに少ないです。 これらは鉄、ヨウ素および亜鉛のようなあるより重い要素を含んでいます。 すべての本質的な要素はどこから来ていますか？ 宇宙再構成ユニットでは、星の誕生と死の過程を調べます。 学生は、私たちの太陽の大きさと大きなすべての主系列星は、最終的に炭素の形成をもたらすヘリウム融合を受けることを学びます。 より大きな星は、リンや窒素を含む炭素よりもさらに大きな元素をもたらす融合層を示す。 確かに、私たちの太陽の少なくとも8倍の大きさの主系列星は、最終的には鉄につながるコアを持つでしょう。 どの星の核の圧力でも鉄が融合することはできないので、それは星の核の中で形成される最も重い要素です。 学生は、炭素とほぼすべての他の必須元素の起源につながるプロセスを特定し、大規模な程度に説明することができます—星のコア内の融合。 しかし、学生が熟考しなければならないいくつかの優れた質問がまだあります。 第一に、いくつかの必須元素は、例えばヨウ素のような鉄よりも質量が大きい。 鉄より重い元素はどこから来るのですか？ 第二に、炭素と他のすべての必須要素はどのようにして私たちの太陽系に到達しましたか？

両方の質問に対する答えは同じです—超新星。 I型超新星では、白色矮星（太陽の大きさの星の熱い炭素/酸素の残骸）は、その連星のパートナーからガスを急速に引き出し、質量と圧力の急速な蓄積、最終的には元の白色矮星の爆発につながる（Trefil and Hazen2007）。 II型超新星では、大きな星の鉄灰コアが壊滅的に崩壊して中性子コアになり、それが跳ね返り、数十億キロメートルの落下質量に粉砕されます。 いずれにしても、エネルギーは巨大です。 いずれかのタイプの超新星で生成されるエネルギーは、銀河内のすべての星によってその瞬間に放出されるエネルギーを超えています。 超新星で生成されたエネルギーは、ヨウ素および他のより重い生物元素を含む周期表のすべての元素を融合させるのに十分である。 超新星の後、周期表上のすべての元素を播種したガスは、光速のかなりの部分で投げつけられます。 これは、過去のある時点で、超新星が私たちの太陽系が現在存在する場所に物質を爆発させたことを意味します。 これらのガスは、最終的に私たちの太陽系につながったガスと破片の巨大な雲である星雲に形成されるか、または追加されました。 したがって、赤色巨星、最終的には超新星につながる一連の出来事を慎重に開発することによって、学生は炭素を含むすべての元素がどこから来たのか、どのようにして太陽系が現在存在する場所に到達したのかを知ることができます。 私たちは生命の起源を説明することに近づいていませんが、少なくとも生命を構成する要素の起源、さらには地球の近所にどのようになったかを説

星雲の中に炭素やその他のすべての必須元素を配置することは一つのことです。 それは惑星上でそれらを見つけるために全く別のものです。 では、これらの要素はどのようにして地球上に巻き上げられましたか？ 天文学者は通常、星雲仮説のいくつかのバージョンを呼び出します。 この仮説では、水素とヘリウムによって支配される雲の深い星雲ガスは重力的に収縮し始める。 しかし、単にボールに収縮するのではなく、雲は回転運動を発達させ始めます。 この回転は物質の薄いディスクを吐き出す。 中心の質量と太陽の質量の究極の源と比較して薄いが、重力のために局所的な質量の集合を形成するのに十分な量である。 地球は、私たちの発達している太陽の円盤に形成されたこれらの塊の一つです。 その3つの内側の太陽系の仲間のように、地球は生物的要素のすべてを持っている小さめの岩の惑星として形成されました。

このクラスの時点で、炭素とすべての元素が地球上でどのように巻き上げられるかを確立しました。 しかし、生命が形成されるためには、有機化学物質の起源、さらには大気中の化学物質の存在を説明する必要があります。 Trefil and Hazen(2007)は、若い太陽の周りに形成された初期の地球がどのようなものであったかを考えることを示唆しています（表1地球科学）。 八つの異なる惑星が形成されたが、（冥王星をsans！）、初期の太陽系には多くの、多くの微惑星がありました。 これらの微惑星は、岩の大きさから数キロメートルの範囲に及んでいた。 地球は太陽に比べて小さいですが、重力的に多くの微惑星を同伴させるのに十分な大きさでした。 彼らが何度も地球に衝突すると、固体の地球は半液体になり、より密度の高い材料がコアに沈んだ。 時間の経過とともに、地球はほとんどの破片の惑星近傍をクリアしました; 確かに、それは惑星の受け入れられた定義の一部です（プラハのXXVIth総会からの決議6：太陽系内の惑星の定義2006）。 より少ないエネルギーが地球に影響を与えたように、偉大な砲撃は終了し、それが冷却しました。 地殻が形成され、その下にガスが閉じ込められました。 ガスは最終的に圧力を高め、世界の火山で噴火しました。 今日の火山が任意のガイドである場合、彼らは二酸化炭素、水素、メタン、アンモニア、特に水蒸気を含む単純なガスを噴出した。 地球が冷却されると、大気の水が凝縮し、雨が雨水で海を満たすように落ちました。 雷は確かにこの初期の荒れ狂う、充電された大気を混入しました。 この時点までに、我々は大気中の単純な炭素化合物を見つけるためのもっともらしいメカニズムを確立しただけであり、複雑な有機物を産生することは 炭素はどのようにして有機化合物に入ったのでしょうか？ 私たちは決して時間に戻ることはできませんが、当時の状況を再構築しようとすることができます。 それは、初期の地球の条件が有機分子の形成につながる可能性があることを示した1950年代の有名な実験でStanley MillerとHarold Ureyが行ったことです（Miller1953;Miller and Urey1959）。 魔法を呼び出す必要はなく、現代の化学のトリックは導入されず、ガス、水、熱の単純なシステムだけです。 有機化合物が初期の地球に導入される可能性がある他の方法があるかもしれません;例えば、隕石は、地球への影響を生き残ることができる有機化合物を含むかもしれません。 しかし、それは起こった、地球は確かに有機分子が豊富であった—真の有機スープ。

このスープがどのように生命を生み出したかは、科学の未解決の大きな謎の一つであり、学生は現在の主要な理論について学びます（表1生命科学）。 おそらくそれはリン脂質が有機化学物質の混合物を含む中空ボールを形成する方法と関係があり、おそらくRNA分子がテンプレートまたは酵素の両方とし 正直な科学的スタンスは、私たちは答えを知らないということです。 しかし、我々はそれが星と旅に科学者を駆動し、発見するために未知のものであるため、未知のを楽しむために学生を思い出させます。 生命が形成されると、進化生物学の壮大なプロセスは、自然選択が道をリードして、再生することができます。 このコースでは、生物進化の理論を支持する化石記録と生化学的証拠の概要を説明します。 チャールズ-ダーウィンが著書の最後で有名に言ったように、”この生命観には壮大さがあり、そのいくつかの力を持ち、もともとはいくつかの形または一つに呼吸されていた。 私たちは、Charles Darwinが彼のバージョンのoriginsが時間と問題の始まりに戻ってきたことを見て、大いに感銘を受け、深く感動することを提出します。