Science and The Concept Of Evolution: From The Big Bang to The Origin and Evolution Of Life

den største historien om alt omfatter opprinnelsen, sminke og evolusjon av vårt univers, som inkluderer livet. Dette er historien som vi underviser i vår generelle utdanning Kjernekurs ” Science and The Concept Of Evolution.”Faktisk er det en stor historie, forenet av majestet av emnet; likevel er det en overflod av overbevisende subplots. En delplott er et perfekt supplement til den overordnede historien – måten forskerne har lært å kjenne universet i all sin prakt og kompleksitet. På våre college lærere heftig debatt hvordan best å levere allmennutdanning; vi tror at dette kurset treffer mange av de riktige notatene. Det omfatter emner som snakker til den grunnleggende virkeligheten av vår eksistens. Videre understreker det vitenskapens menneskelige bestrebelser. Dette er akkurat de typer leksjoner som er viktige for hver student å omfavne; det vil si at universet er stort, komplekst, fantastisk og ofte knowable. Kurset legger vekt på hva vi vet, hvordan vi lærte det, og hva som er igjen ukjent. For studenter å forstå konseptet om at forskere har fundamentalt forklart prosesser som en gang virket ukjennelige, er blant de viktigste meldingene i dette kurset. Vitenskapen er levende og dynamisk, og det universelle ukjente er grensen som forskere setter seil som oppdagelsesreisende.

Å bryte Universet inn I Grunnleggende Deler: Materie, Kraft Og Tid

vi argumenterer for at for å kjenne universet, bør elevene kjenne dets grunnleggende sammensetning. I denne enheten bryter vi universet inn i sine grunnleggende byggesteiner. Først presenterer vi konseptet med det minste stykket materie. Men for å gjøre det, lager vi ikke bare en liste over grunnleggende partikler. Snarere undersøker vi subplot av discovery. Hvordan kom mennesker til å vite om de grunnleggende delene av saken? Fra Og Med democritus ‘ s á og viser utviklingen av atomteori gjennom en sekvens av forskere (Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr, Pauli, Fermi: Materiens Struktur I Tabell 1) slutter vi med vår nåværende kunnskapstilstand: seks kvarker og seks leptoner.

Materie er ikke ubevegelig, ikke frosset i rom og tid; det beveger seg, noen ganger dramatisk. Så neste, vi diskutere de tre lovene som styrer bevegelse av saken, høflighet Av Isaac Newton. Selvfølgelig beveger saken ikke seg magisk; en kraft er ansvarlig (Tabell 1 Fysikk). Som sådan bruker vi flere foredrag om de fire grunnleggende kreftene, og legger særlig vekt på tyngdekraften og elektromagnetismen. Disse to kreftene, sammen med den sterke atomkraften, er avgjørende for å forstå den neste enheten, som delvis dekker stjernens liv og død. Når begrepene materie og kraft er etablert, går vi videre til grunnleggende termodynamikk (Tabell 1 Kjemi). Ingen diskusjon om universet kan være komplett uten en viss forståelse av begge lovene. Den første loven om termodynamikk er helt avgjørende for å gjøre følgende punkt: ingenting i universet er magisk; det vil si når et objekt avgir eller utnytter energi, må den energien komme fra et sted. I neste enhet brukes dette grunnleggende konseptet til å gjøre et viktig poeng om stjerner – de dør— Den andre loven om termodynamikk er ikke mindre viktig. Det etablerer en sekvens av hendelser: orden går til uorden, varme strømmer fra varme til kalde legemer, og energi går fra en konsentrert form til en mindre konsentrert form med frigjøring av varme. Med andre ord dikterer den andre loven tidens pil. Voilá, vi har gjort det! Universet brutt ned i materie, kraft og tid med en håndfull lover som styrer dem.

Reassembling Universet

å vite en ting er å vite mer enn de grunnleggende byggesteinene. Tross alt, hvis hver av et menneskes 11 billioner celler ble presentert for deg en om gangen, ville du nesten ikke forstå hva det betyr å være et menneske—så også for universet. Som sådan, i denne enheten tar vi sikte på å reassemble universet til en sammenhengende enhet som består av grunnleggende byggesteiner. Boken vi bruker til kurset, The Sciences av Trefil and Hazen (2007), har en fascinerende tilnærming som er vedtatt for den første presentasjonen i denne enheten. Tenk deg den første personen som er i stand til å danne et spørsmål (kanskje en av våre hominide forfedre) som kommer fra en søvn og ser opp på nattehimmelen. De spurte sikkert et åpenbart spørsmål: “Hva er disse lyspunktene?”Dermed ble astronomi født. I denne klassen blir det samme spørsmålet spurt av studenter, bare vi tillater dem å bruke grunnleggende informasjon lært i forrige enhet. Dermed følger en bemerkelsesverdig logisk sekvens: stjerner avgir lys; lys er elektromagnetisk energi; stjerner er ikke magiske, og dermed må de konvertere en annen form for energi til lys; stjerner er ikke uendelige i volum, så de vil gå tom for energi en dag; alle stjerner vil dø; og til slutt, hvis alle stjerner dør, så ble alle stjerner født. To spørsmål naturlig flyte fra denne diskusjonen:

• hvordan blir stjerner født?

• hvordan dør stjerner?

svarene på disse spørsmålene er fantastiske i seg selv, men de er avgjørende for å forstå livets opprinnelse, for det er i smeden av termonukleær fusjon at livets elementer ble generert. Ved å detaljere prosessene for stjernefødsel og død, konstruerer vi en panoply av stjerner: hovedseriestjerner (fra gule stjerner på størrelse med solen til blå giganter), røde giganter, superrøde giganter, hvite dverger, svarte dverger, nøytronstjerner og sorte hull. Å vite opprinnelsen og egenskapene til denne stjernestøtten driver hjem det sentrale punktet at våre ideer om universets generative prosesser og sammensetning har utviklet seg etter hvert som verktøyene som er tilgjengelige for å studere universet, har blitt bedre (Tabell 1 Kosmologi og Solsystemastronomi).

som et eksempel på dette, vurderer vi hvordan astronomer måler avstander til stjerner. Triangulering, ved hjelp av trigonometriske funksjoner, for å måle avstand fungerer godt for stjerner i nærheten. Men før kraftige teleskoper var det en rekke “fuzzy stjerner” som var altfor fjernt for å bli målt ved hjelp av denne teknikken (Trefil and Hazen 2007). Edwin Hubble brukte Cepheid variabler (en spesiell type døende stjerne som avslører sin absolutte lysstyrke ved varigheten av sin lysende / dimming syklus) for å fastslå at de såkalte fuzzy stjernene virkelig var klynger av stjerner som var forbausende langt unna (Trefil and Hazen 2007); vi gjenkjenner nå disse som galakser. Den nærmeste galaksen til Oss Er Andromeda, 2,5 millioner lysår unna! Hubble hjalp oss med å realisere universets uendelighet. Faktisk har arrangementet av galakser i universet en storskala struktur der galakser kommer i klynger og grupperinger. Hubbles oppdagelse av universets uendelighet forandret vår følelse av universet, men han var ikke ferdig overraskende oss. Ved hjelp av lysspektroskopi (den samme teknikken utføres av studenter i laboratoriet) oppdaget Hubble at alle galakser beveger seg vekk fra oss; jo lenger unna jo raskere beveger De seg (Livio 2000). Hubble fastslått at bare universell utvidelse kunne forklare et slikt resultat! For Andre gang endret Hubble dramatisk måten vi ser på universet. Hubbles oppdagelse understreker på en dramatisk måte at universet er fullt av overraskelser, og at forskere må være forberedt på å tolke dem innenfor det eksisterende rammeverket, eller om nødvendig utarbeide nye forklaringer.

universet er stort (uendelig faktisk), og overraskelser synes å være normen i stedet for unntaket. I 1998 kalte Science magazine oppdagelsen av at universet ikke bare ekspanderer, men at det gjør det med en voksende hastighet som Sitt “Gjennombrudd Av Året” (Glanz 1998). På dette punktet i klassen har vi etablert hvordan stjerner dannes og dør, hvordan de samles inn i galakser, hvordan galakser er ordnet i rommet og hvordan de hele tiden zoomer bort fra hverandre med en akselererende hastighet! Ikke dårlig for en enhet i en generell vitenskapsklasse, men historien slutter ikke her. Ingen; bemerkelsesverdig, ved hjelp av partikkelakseleratorer, har forskere bestemt med stor presisjon hva forholdene i universet var som i De første øyeblikkene etter Big Bang. For eksempel, ved 10-35 s etter Big Bang, frøs den sterke kraften ut og ved 10-10 s eksisterte alle fire grunnleggende krefter som separate enheter. Den fantastiske energien og utvidelsen av det tidlige universet førte til et viktig fenomen for å forstå livets opprinnelse; det vil si at rask ekspansjon forhindret dannelsen av tyngre elementer gjennom fusjon. Det store flertallet av materie i universet er hydrogen, helium og litium; alt annet er sjeldent. Men hydrogen, helium og litium vil ganske enkelt ikke være nok for livet. For å redegjøre for livet må vi forklare opprinnelsen til tyngre elementer: nitrogen, oksygen, fosfor og mange andre, men spesielt karbon. Videre må vi forklare hvordan de kom til oss her i vårt solsystem.

Life

på dette tidspunktet undersøker en gjennomgangssesjon bilder fra Hubble-teleskopet. Studentene undrer seg over bilder av planetariske tåker som spytter innholdet i diametralt motsatte gassstråler og på elegante spiralgalakser (blant de vakreste gjenstandene i universet). Vi avslutter med bilder av deep field survey of galaxies. Få bilder er mer rørende—galakse på galakse på galakse stablet opp etter hverandre til universets kanter, hver galakse har millioner, milliarder eller til og med trillioner stjerner. Hvis et mål om generell utdanning er å gi en følelse av plass og skala i våre studenter, hva kan være mer effektivt enn en dyp forståelse av universet? På den annen side er det ikke vår hensikt å få dem til å føle seg små og ubetydelige. Som en motgift mot denne naturlige følelsen av å være liten, er følgende sitat lest Fra Alan Dresslers 1994-bok, Voyage to The Great Attractor (Dressler 1994).

Vi fortsetter å ta feil leksjon fra det vi nå lærer. En astronaut som hadde tatt en tethered spacewalk mens han var På Et Gemini-fly, ble nylig spurt om opplevelsen hadde forandret ham. Han hadde blitt slått, husket han, av Hvor liten Og ubetydelig Var Jorden og det menneskelige eventyret, “som en maur som kryper over Sahara-Ørkenen.” Nøyaktig. Mauren, astronomisk mindretall av korn av sand, overveldet av størrelsen på ugjestmilde ørkenen, er likevel større vidunder, langt.

det er på tide å gjøre rede for oppdagelsen av at livet er Det mest komplekse vi vet om I Universet, og som sådan mest verdig vår beundring. Ja, Universet dverger vår verden i størrelse og enorm kraft. Men Universet av stjerner, galakser og store bukter av rom er så veldig, veldig enkelt i forhold til oss og våre brødre livsformer. Hvis vi bare kunne lære Å se På Universet med øyne som er blinde for makt og størrelse, men opptatt av subtilitet og kompleksitet, ville vår verden skape en galakse av stjerner. Faktisk bør Vi beundre Universet for dets majestet, men vi må virkelig være i ærefrykt for dets største prestasjon-livet.

Å Gi uttalelsen er mer metafor enn vitenskap, livets opprinnelse og evolusjon er absolutt en prestasjon verdt å utforske i en generell utdanningsvitenskapsklasse. Videre gjør dette kurset oss i stand til å ramme den store historien i den større fysiske og kjemiske evolusjonære konteksten på en måte som rene biologikurs ikke kan. Levende organismer er laget av partikler, arrangert i atomer for å danne forskjellige elementer, som er arrangert i et svimlende utvalg av molekyler som interagerer i henhold til deres kjemiske egenskaper. Hvordan oppsto disse kjemikaliene og hvordan kom De til Å være på Jorden? Det første vi tar tak i i denne siste enheten er å definere livet. Som så mye i biologi, er det mer komplekst enn det ser ut til å begynne med. Trefil og Hazen (2007) håndterer spørsmålene ved å notere egenskaper som mest kjente levende organismer deler:

1. Alle levende ting opprettholder en høy grad av orden og kompleksitet.

2. alle levende ting er en del av et større system av materie og energi.

3. alt liv er avhengig av kjemiske reaksjoner som finner sted i celler.

4. alt kjent liv krever flytende vann.

5. Organismer vokser og utvikler seg.

6. Levende ting regulerer deres bruk av energi og reagerer på deres miljø.

7. alle ting har samme genetiske kode, som overføres fra foreldre til avkom.

8. alle levende ting stammer fra en felles forfedre.

De to første elementene er begreper som direkte relaterer seg til tidligere diskusjoner av termodynamikkloven. Man bør være forsiktig med å påpeke at disse to elementene ikke innebærer at livet bryter med termodynamikkens andre lov, men at levende systemer er åpne systemer, kan motta energi og dermed er fri til å oppleve lokaliserte økninger i rekkefølge. Litt mer tid blir brukt med punkt 3. Først undersøker vi det fantastiske mangfoldet av liv på planeten. Deretter diskuterer vi kompleksiteten til former, størrelser og enda større mangfold av kjemiske reaksjoner som finner sted i levende systemer (Tabell 1 Kjemi). Til tross for livets kompleksitet og dets biokjemi, er hvert element på det periodiske bordet ikke like representert i sammensetningen av levende organismer. Faktisk er ingen element mer sentral for forståelsen av livet enn karbon. Hvis det er så stor kompleksitet av form og kjemi i levende systemer, så hadde det bedre være en fleksibel byggestein; det ultimate erektorsettet hvis du vil. Karbon er spesielt. Dens evne til å danne stabile kovalente bindinger med fire andre atomer, inkludert et annet karbonatom, gjør svært store, komplekse molekyler mulig. Historien om livets opprinnelse må derfor takle et enda mer grunnleggende spørsmål. Hvis livet avhenger av karbonets kjemi, hvor kom karbon fra? I å svare på det grunnleggende spørsmålet, vi også oppdage opprinnelsen til fire andre elementer fra det ofte sitert mnemonic fra innledende biologi klasser, CHiNOPS: karbon, hydrogen, nitrogen, oksygen, fosfor og svovel (hydrogen dannet i Løpet Av Første sekund Av Big Bang), som alle er avgjørende for kjent liv og finnes som en ganske stor prosentandel av tørr biomasse. Det er derfor biologer refererer til disse som essensielle makroelementer. I dette kurset viser vi studentene noen imponerende komplekse organiske molekyler i hver av følgende typer forbindelser: lipider, proteiner, karbohydrater og nukleinsyrer, og noen instruktører innlemmer et laboratorium ved hjelp av molekylære modeller eller molekylærmodelleringsprogramvare.

Det finnes også en rekke mikroelementer som er essensielle, men i mye mindre mengder. Disse inkluderer noen tyngre elementer som jern, jod og sink. Hvor kommer alle de essensielle elementene fra? I Reassembling The Universe unit undersøker vi prosessene for stjernens fødsel og død. Studentene lærer at alle hovedseriestjerner størrelsen på vår sol og større til slutt gjennomgår heliumfusjon som resulterer i dannelse av karbon. Større stjerner utviser fusjonslag som fører til elementer som er enda mer massive enn karbon, inkludert fosfor og nitrogen. Faktisk vil hovedseriestjerner som er minst åtte ganger større enn vår sol, etter hvert ha en kjerne som fører til jern. Ingen mengde trykk i kjernen til noen stjerne kan få jern til å smelte, så det er det tyngste elementet som dannes i stjernens kjerner. Studentene kan identifisere og i stor grad forklare prosessene som fører til opprinnelsen til karbon og nesten alle andre viktige elementer—fusjon i stjernekjerner. Men det er fortsatt noen utestående spørsmål studentene må tenke på. For det første er noen viktige elementer mer massive enn jern, for eksempel jod. Hvor kommer elementer tyngre enn jern fra? For det andre, hvordan kom karbon og alle de andre essensielle elementene til Vårt Solsystem?

svaret på begge spørsmålene er det samme—supernova. I supernovaer Av type I trekker en hvit dverg (en varm karbon/oksygenrest av stjerne på størrelse med solen) raskt gassen fra sin binære partner, noe som fører til en rask opphopning av masse og trykk og til slutt detonasjonen av Den tidligere hvite dvergen (Trefil and Hazen 2007). I type II supernovaer kollapser en stor stjernes jernaskekjerne katastrofalt inn i en nøytronkjerne, som rebounds ut og knuser inn i milliarder kilometer med fallende masse. Uansett er energien monstrøs. Energien som produseres i en supernova av begge typer overstiger energien som sendes ut i det øyeblikket av alle stjernene i en galakse. Energien som genereres i en supernova er tilstrekkelig til å smelte hvert element i det periodiske bordet, inkludert jod og andre tyngre bioessensielle elementer. Etter supernovaen blir gasser sådd med hvert element på det periodiske bordet kastet på en betydelig del av lysets hastighet. Dette betyr at en gang i fortiden sprengt en supernova materialer til der vårt solsystem nå bor. Disse gassene enten dannet eller lagt til en nebula, en stor sky av gass og rusk, som til slutt førte til Vårt Solsystem. Derfor, ved å nøye utvikle sekvensen av hendelser som fører til rød gigant og til slutt til en supernova, vet elevene nå hvor alle elementer, inkludert karbon, kom fra og hvordan de kom til Hvor Solsystemet for tiden ligger. Selv om vi ikke engang har kommet nær å forklare livets opprinnelse, har vi i det minste forklart opprinnelsen til elementene som utgjør livet, og dessuten hvordan De kom Til Jordens nabolag.

det er en ting å plassere karbon og alle andre essensielle elementer i en nebula. Det er noe helt annet å finne dem på en planet. Hvordan endte disse elementene opp på Jorden? Astronomer normalt påkalle noen versjon av Nebular Hypotesen. I denne hypotesen begynner nebulære gasser dypt i skyen, dominert av hydrogen og helium, å gravitasjonelt kontrakt. Men i stedet for bare å trekke seg inn i en ball, begynner skyen å utvikle rotasjonsbevegelse. Denne rotasjonen spytter ut tynne disker av materie. Selv om den er tynn i forhold til den sentrale massen og den endelige kilden til solens masse, er den fortsatt betydelig nok til å danne lokaliserte massesamlinger på grunn av tyngdekraften. Jorden er en av disse massene som dannet i skiven av vår utviklende sol. Som sine tre indre solsystem ledsagere, Jorden dannet som en smallish steinete planet besitter alle bioessential elementer.

På dette punktet i klassen har vi etablert hvordan karbon og alle elementer avvikles på Jorden. Men for at livet skal dannes, må vi forklare opprinnelsen til organiske kjemikalier og dessuten tilstedeværelsen av kjemikalier i atmosfæren. Trefil og Hazen (2007) foreslår at vi vurderer hva Tidlig Jord var som etter at den dannet rundt vår unge sol (Tabell 1 Earth Science). Selv om åtte forskjellige planeter dannet(sans Pluto!), det var mange, mange planetesimaler i det tidlige Solsystemet. Disse planetesimalene varierte fra størrelsen på steinblokker til flere kilometer over. Jorden er liten sammenlignet med solen, men den var stor nok til å involvere mange planetesimaler. Da De knuste Inn I Jorden igjen og igjen, ble den faste Jorden halvflytende og tettere materialer sank til kjernen. Over Tid, Jorden ryddet sin planet nabolaget av de fleste rusk; Faktisk er det en del av den aksepterte definisjonen av en planet (Resolusjon 6 Fra XXVIth General Assembly I Praha: Definisjon Av En Planet i Solsystemet 2006). Da mindre energi påvirket Jorden, avsluttet det store bombardementet og det avkjølt. En skorpe dannet, som fanget gasser under. Gasser bygget til slutt opp trykk og brøt ut i globale vulkaner. Hvis dagens vulkaner er noen guide, spydde de enkle gasser, inkludert karbondioksid, hydrogen, metan, ammoniakk og spesielt vanndamp. Som Jorden avkjølt, atmosfærisk vann kondensert og falt som regn fylle havene med regnvann. Lyn sikkert laced dette tidlig roiling, ladet atmosfære. På dette punktet har vi bare etablert en plausibel mekanisme for å lokalisere enkle karbonforbindelser i atmosfæren, men ikke produsere komplekse organiske stoffer. Vi må fortsatt ta opp et enkelt spørsmål-hvordan kom karbon inn i organiske forbindelser— Vi kan aldri gå tilbake i tid, men vi kan prøve å rekonstruere hvordan forholdene var på den tiden. Det Var Det Stanley Miller og Harold Urey gjorde i sine berømte eksperimenter på 1950-tallet som viste hvordan forholdene til Tidlig Jord kunne føre til dannelse av organiske molekyler (Miller 1953; Miller og Urey 1959). Ingen magi må påberopes, ingen triks av moderne kjemi introdusert, bare et enkelt system av gasser, vann og varme. Det kan være andre måter at organiske forbindelser kan bli introdusert til Tidlig Jord; for eksempel kan meteoritter inneholde organiske forbindelser som kan overleve påvirkning på Jorden. Men Det skjedde, Jorden Er og sikkert var rik på organiske molekyler – en veritabel organisk suppe.

Hvordan denne suppen ga liv er en av vitenskapens store uløste mysterier, og elevene lærer om dagens ledende teorier (Tabell 1 Biovitenskap). Kanskje det hadde noe å gjøre med måten fosfolipider danner hule baller som inneholder blandinger av organiske kjemikalier, kanskje det har noe å gjøre med MÅTEN RNA-molekyler kan fungere som både mal eller enzym, eller kanskje det innebærer utallige prosesser som vi ennå ikke har avdekket. Den ærlige vitenskapelige holdning er at vi ikke vet svaret. Men vi minner elevene om å nyte det ukjente, for det er det ukjente som driver forskere til å reise med stjerner og å oppdage. Når livet ble dannet, kunne den store prosessen med evolusjonær biologi spille ut, med naturlig utvalg som leder veien. Kurset avsluttes med en oversikt over fossilregisteret og biokjemiske bevis som støtter teorien om biologisk evolusjon. Som Charles Darwin famously sa i slutten av sin bok, “Det er storhet i dette synet på livet, med sine flere krefter, etter å ha blitt opprinnelig pustet inn i noen få former eller inn i en; og at, mens denne planeten har gått sykling på i henhold til den faste loven om tyngdekraften, fra så enkelt en begynnelse endeløse former vakreste og mest fantastiske har vært, og blir, utviklet seg” (Darwin 1972). Vi legger til at Charles Darwin ville bli mye imponert og dypt beveget for å se at hans versjon av opprinnelsen hadde blitt flyttet tilbake til begynnelsen av tid og materie.