Science and the Concept of Evolution: From the Big Bang to the Origin and Evolution of Life

The grandest story of all includes the origin, makeup and evolution of our universe, which includes life. Esta é a história que ensinamos em nosso curso básico de Educação Geral ” Ciência e o conceito de evolução.”Na verdade, é uma grande história, unificada pela majestade do tópico; no entanto, há um excesso de sublotes convincentes. Um sub-enredo é um complemento perfeito para a história global—a forma como os cientistas vieram a conhecer o universo em todo o seu esplendor e complexidade. Em nossos educadores da Faculdade debatem hotly como melhor entregar a instrução geral; nós acreditamos que este curso atinge muitas das notas direitas. Abrange temas que falam da realidade fundamental da nossa existência. Além disso, enfatiza o esforço humano da ciência. Estes são exatamente os tipos de lições que são importantes para cada estudante universitário abraçar; isto é, o universo é grande, complexo, maravilhoso e muitas vezes conhecível. O curso enfatiza o que sabemos, como aprendemos, e o que fica desconhecido. Para os estudantes entenderem o conceito de que os cientistas explicaram fundamentalmente processos que antes pareciam incognoscíveis está entre as mensagens mais importantes deste curso. A ciência é viva e dinâmica e o desconhecido universal é a fronteira para a qual os cientistas navegam como exploradores.

Quebrar o Universo em Partes Fundamentais: Matéria, Força e Tempo

argumentamos que para conhecer o universo, os estudantes devem saber fundamentais, a composição. Nesta unidade, Nós dividimos o universo em seus blocos fundamentais de construção. Em primeiro lugar, introduzimos o conceito do menor pedaço de matéria. Mas para isso, não fazemos simplesmente uma lista de partículas fundamentais. Em vez disso, exploramos o sub-plano da descoberta. Como é que os humanos souberam das partes fundamentais da matéria? Começando com Demócrito é átom e mostrando a evolução da teoria atômica, através de uma sequência de cientistas (Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr, Pauli, Fermi: Estrutura da Matéria na Tabela 1) acabamos com o nosso estado atual de conhecimento: seis quarks e seis léptons.

a matéria não está imóvel, não está congelada no espaço e no tempo; ela se move, às vezes dramaticamente. Então, em seguida, discutimos as três leis que regem o movimento da matéria, cortesia de Isaac Newton. É claro que a matéria não se move magicamente; uma força é responsável (Tabela 1 física). Como tal, passamos várias palestras sobre as quatro forças fundamentais, prestando particular atenção à gravidade e ao eletromagnetismo. Estas duas forças, juntamente com a força nuclear forte, são essenciais para compreender a unidade seguinte, que cobre em parte, a vida e a morte das estrelas. Uma vez estabelecidos os conceitos de matéria e força, passamos aos fundamentos da termodinâmica (Tabela 1 Química). Nenhuma discussão sobre o universo pode ser completa sem alguma compreensão de ambas as leis. A primeira lei da termodinâmica é absolutamente essencial para fazer o seguinte ponto: nada no universo é mágico; isto é, sempre que um objeto emite ou utiliza a energia, essa energia deve vir de algum lugar. Na unidade seguinte, este conceito fundamental é usado para fazer um ponto importante sobre as estrelas—elas morrem. A Segunda Lei da termodinâmica não é menos importante. Estabelece uma sequência de eventos: a ordem vai para a desordem, o calor flui de corpos quentes para corpos frios, e a energia vai de uma forma concentrada para uma forma menos concentrada com a liberação de calor. Por outras palavras, a Segunda Lei dita a flecha do tempo. Voilá, conseguimos! O universo dividiu-se em matéria, força e tempo com um punhado de leis que os governam.

remontar o universo

saber uma coisa é saber mais do que os blocos fundamentais de construção. Afinal de contas, se cada uma das 11 trilhões de células de um humano fosse apresentada a você uma de cada vez, você dificilmente entenderia o que significa ser um humano—assim também para o universo. Como tal, nesta unidade pretendemos reunir o universo em uma entidade coerente composta de blocos fundamentais de construção. O livro que usamos para o curso, as ciências por Trefil e Hazen (2007), tem uma abordagem fascinante que é adotada para a primeira apresentação nesta unidade. Imagine a primeira pessoa capaz de formar uma pergunta (talvez um de nossos ancestrais hominídeos) emergindo de um sono e olhando para o céu noturno. Eles certamente fizeram uma pergunta óbvia: “quais são esses pontos de luz?”Assim, nasceu a astronomia. Nesta classe, a mesma pergunta é feita aos estudantes, somente nós permitimos que eles usem a informação básica aprendida na unidade anterior. Assim, segue uma notável sequência lógica: estrelas emitem luz; a luz é a energia eletromagnética; as estrelas não são mágicos, e assim, eles devem converter outras formas de energia em luz; as estrelas não são infinitos em termos de volume, de modo que vai ficar sem energia, algum dia; todas as estrelas morrem; e, finalmente, se todas as estrelas morrem, em seguida, todas as estrelas nasceram. Duas questões decorrem naturalmente desta discussão:

• como nascem as estrelas?

• como morrem as estrelas?

as respostas a estas perguntas são maravilhosas por direito próprio, mas são essenciais para compreender a origem da própria vida, pois é na Forja da fusão termonuclear que os elementos da vida foram gerados. Detalhando os processos de nascimento e morte das estrelas, construímos uma panóplia de estrelas: estrelas da sequência principal (do tamanho de estrelas amarelas ao tamanho de gigantes azuis), gigantes vermelhas, super gigantes vermelhas, anãs brancas, anãs Negras, Estrelas de nêutrons e buracos negros. Conhecer a origem e as propriedades deste elenco de estrelas leva para casa o ponto-chave que as nossas ideias sobre os processos generativos e composição do universo evoluíram à medida que as ferramentas disponíveis para estudar o universo melhoraram (cosmologia da Tabela 1 e Astronomia do Sistema Solar).

como um caso em ponto, consideramos as maneiras que os astrônomos medem distâncias para as estrelas. Triangulação, usando funções trigonométricas, para medir a distância funciona bem para as estrelas próximas. Mas antes de telescópios poderosos, havia uma série de “estrelas difusas” que estavam muito distantes para serem medidas usando esta técnica (Trefil e Hazen 2007). Edwin Hubble utilizadas variáveis Cefeidas (um tipo especial de estrela moribunda que revela seu brilho absoluto da duração de sua clareamento/escurecimento ciclo) para determinar que o chamado fuzzy estrelas realmente agrupamentos de estrelas que foram surpreendentemente longe (Trefil e Hazen 2007); agora reconhecer estes como galáxias. A galáxia mais próxima de nós é Andromeda, a 2,5 milhões de anos-luz de distância! O Hubble ajudou-nos a perceber a imensidão do universo. Na verdade, o arranjo de galáxias no universo tem uma estrutura em grande escala na qual as galáxias vêm em aglomerados e agrupamentos. A descoberta de Hubble da imensidão do universo mudou muito o nosso sentido do universo, mas não foi feito para nos surpreender. Usando espectroscopia de luz (a mesma técnica é realizada por estudantes em laboratório), Hubble descobriu que todas as galáxias estão se afastando de nós; quanto mais longe eles se movem (Livio 2000). Hubble determinou que apenas a expansão universal poderia explicar tal resultado! Pela segunda vez, Hubble mudou dramaticamente a forma como vemos o universo. A descoberta de Hubble enfatiza de forma dramática que o universo está cheio de surpresas e que os cientistas devem estar preparados para interpretá-las dentro da estrutura existente, ou, se necessário, inventar novas explicações.O universo é grande (infinito na verdade), e as surpresas parecem ser a norma ao invés da exceção. Em 1998, a revista Science nomeou a descoberta de que o universo não só está se expandindo, mas que está fazendo isso a uma taxa de expansão como seu “avanço do ano” (Glanz 1998). Neste ponto da classe, nós estabelecemos como as estrelas se formam e morrem, como elas são coletadas em galáxias, como as galáxias são dispostas no espaço e como elas estão constantemente se afastando umas das outras a uma velocidade acelerada! Nada mal para uma unidade numa aula geral de ciências, mas a história não acaba aqui. Não; notavelmente, usando aceleradores de partículas, os cientistas determinaram com grande precisão como eram as condições do Universo nos primeiros momentos após o Big Bang. Por exemplo, em 10-35 s APÓS O Big Bang, a força forte congelou e em 10-10 s todas as quatro forças fundamentais existiam como entidades separadas. A energia impressionante e a expansão do universo primitivo levaram a um fenômeno importante para a compreensão da origem da vida, ou seja, a rápida expansão impediu a formação de elementos mais pesados através da fusão. A grande maioria da matéria no universo é hidrogênio, hélio e lítio; tudo o resto é raro. Mas hidrogênio, hélio e lítio simplesmente não serão suficientes para a vida. Para explicar a vida, precisamos explicar a origem dos elementos mais pesados: nitrogênio, oxigênio, fósforo e muitos outros, mas especialmente carbono. Além disso, precisamos explicar como eles chegaram até nós aqui no nosso sistema solar.

Life

At this point, a review session examines images from the Hubble telescope. Os alunos se maravilham com imagens de nebulosas planetárias que expelem seus conteúdos em jatos diametralmente opostos de gás e em elegantes galáxias espirais (entre os objetos mais bonitos do universo). Terminamos com imagens da pesquisa de campo profundo de galáxias. Poucas imagens são mais agitadas-galáxia sobre galáxia sobre galáxia empilhada uma após a outra para as bordas do universo, cada galáxia possuindo milhões, bilhões ou até trilhões de estrelas. Se um objetivo da educação geral é imbuir um sentido de lugar e escala em nossos alunos, o que poderia ser mais eficaz do que uma compreensão profunda do universo? Por outro lado, não é nossa intenção fazê-los sentir-se pequenos e insignificantes. Como antídoto para este sentimento natural de ser minúsculo, a citação seguinte é lida do Livro de Alan Dressler de 1994, “Voyage to The Great Attractor” (Dressler 1994).

continuamos a tirar a lição errada do que estamos agora a aprender. Um astronauta que tinha feito uma caminhada espacial amarrada durante um voo Gemini foi recentemente questionado se a experiência o tinha mudado. Ele havia sido atingido, lembrou, por quão pequena e insignificante era a terra e a aventura humana, “como uma formiga rastejando através do Deserto do Saara.” Exactamente. A formiga, astronomicamente superada pelos grãos de areia, esmagada pelo tamanho do deserto inóspito, é, no entanto, a maior maravilha, de longe.É tempo de fazer um balanço da descoberta de que a vida é a coisa mais complexa que conhecemos no universo e, como tal, mais digna da nossa admiração. Sim, O Universo supera o nosso mundo em tamanho e poder imenso. Mas o universo de estrelas, galáxias e vastos golfos do espaço é muito, muito simples comparado a nós e nossos irmãos formas de vida. Se pudéssemos apenas aprender a olhar para o universo com olhos cegos ao poder e ao tamanho, mas ansiosos pela subtileza e complexidade, então o nosso mundo brilharia mais do que uma galáxia de estrelas. Na verdade, devemos maravilhar—nos com o Universo por Sua Majestade, mas devemos realmente estar admirados com a sua maior realização-a vida.

conceder a declaração é mais metáfora do que ciência, a origem e evolução da vida é certamente uma conquista que vale a pena explorar em uma aula de Ciências da educação geral. Além disso, este curso nos permite enquadrar essa grande história no contexto evolutivo físico e químico maior de uma forma que os cursos de biologia pura não podem. Organismos vivos são feitos de partículas, dispostos em átomos para formar diferentes elementos, que são dispostos em uma série vertiginosa de moléculas interagindo de acordo com suas propriedades químicas. Como, então, esses produtos químicos se originaram e como eles vieram a estar na Terra? O primeiro item que abordamos nesta última unidade é definir a vida. Como tanto em biologia, é mais complexo do que parece no início. Trefil e Hazen (2007) lidam com as questões listando características que a maioria dos organismos vivos conhecidos compartilham:

1. todos os seres vivos mantêm um alto grau de ordem e complexidade.

2. todos os seres vivos fazem parte de um sistema maior de matéria e energia.

3. toda a vida depende de reações químicas que ocorrem nas células.

4. toda a vida conhecida requer água líquida.

5. os organismos crescem e desenvolvem-se.

6. os seres vivos regulam o seu uso de energia e respondem ao seu ambiente.

7. todas as coisas compartilham o mesmo código genético, que é passado de pai para filho.

8. todas as coisas vivas são descendentes de um ancestral comum.

os dois primeiros itens são conceitos que se relacionam diretamente com discussões anteriores das leis da termodinâmica. Deve-se ter o cuidado de salientar que estes dois itens não implicam que a vida viola a Segunda Lei da termodinâmica, mas que os sistemas vivos são sistemas abertos, podem receber energia, e são, portanto, livres de experimentar aumentos localizados em ordem. Um pouco mais de tempo é gasto com o item 3. Primeiro, observamos a impressionante diversidade da vida no planeta. Em seguida, discutimos a complexidade das formas, tamanhos e a ainda maior diversidade de reações químicas que ocorrem em sistemas vivos (Tabela 1 Química). Apesar da complexidade da vida e sua bioquímica, cada elemento na tabela periódica não é representado igualmente na composição de organismos vivos. Na verdade, nenhum elemento é mais central para a compreensão da vida do que o carbono. Se existe uma grande complexidade de forma e química nos sistemas vivos, então é melhor haver um bloco de construção flexível; o conjunto de ereector final, se você quiser. O carbono é especial. A sua capacidade de formar ligações covalentes estáveis com outros quatro átomos, incluindo outro átomo de carbono, torna possíveis moléculas complexas muito grandes. A história das origens da vida deve, portanto, abordar uma questão ainda mais fundamental. Se a vida depende da química do carbono, de onde veio o carbono? Ao responder a essa questão fundamental, também descobrimos a origem de quatro outros elementos daquela mnemônica frequentemente citada a partir de aulas introdutórias de biologia, CHiNOPS.: carbono, hidrogênio, nitrogênio, oxigênio, fósforo e enxofre (hidrogênio formado durante o primeiro segundo do Big Bang), os quais são essenciais para a vida conhecida, e são encontrados como uma grande percentagem de biomassa seca. É por isso que os biólogos se referem a estes como macroelementos essenciais. Neste curso, mostramos aos alunos algumas moléculas orgânicas impressionantemente complexas em cada um dos seguintes tipos de compostos: lípidos, proteínas, carboidratos e ácidos nucleicos, e alguns instrutores incorporam um laboratório usando modelos moleculares ou software de modelagem molecular.

há também uma série de microelementos que são essenciais, mas em quantidades muito menores. Estes incluem alguns elementos mais pesados como ferro, iodo e zinco. De onde vêm todos os elementos essenciais? Na remontagem da unidade do universo, examinamos os processos de nascimento e morte das estrelas. Os alunos aprendem que todas as estrelas da sequência principal do tamanho do nosso Sol e maiores eventualmente passam por fusão de hélio resultando na formação de carbono. Estrelas maiores exibem camadas de fusão levando a elementos ainda mais massivos que o carbono, incluindo fósforo e nitrogênio. Na verdade, as estrelas da sequência principal, pelo menos oito vezes maiores do que o nosso Sol, eventualmente, terão um núcleo que leva ao ferro. Nenhuma quantidade de pressão no núcleo de qualquer estrela pode obter ferro para se fundir, de modo que é o elemento mais pesado formado nos núcleos das estrelas. Os alunos podem identificar e explicar em grande medida os processos que levam à origem do carbono e quase todos os outros elementos essenciais—fusão em núcleos estelares. Mas ainda há algumas questões pendentes que os alunos devem ponderar. Em primeiro lugar, alguns elementos essenciais são mais massivos que o ferro, por exemplo o iodo. De onde vêm os elementos mais pesados que o ferro? Em segundo lugar, como o carbono e todos os outros elementos essenciais chegaram ao nosso Sistema Solar?A resposta a ambas as perguntas é a mesma supernova. Em supernovas tipo I, uma anã branca (um remanescente de carbono/oxigênio quente de estrela do tamanho do sol) rapidamente atrai o gás de seu parceiro binário, levando a uma rápida acumulação de massa e pressão e, finalmente, a detonação da antiga anã branca (Trefil e Hazen 2007). Em supernovas tipo II, o núcleo de cinzas de ferro de uma grande estrela colapsa catastroficamente em um núcleo de nêutrons, que se recupera e esmaga em bilhões de quilômetros de massa em queda. Seja como for, a energia é monstruosa. A energia produzida em uma supernova de qualquer tipo excede a energia emitida naquele momento por todas as estrelas de uma galáxia. A energia gerada em uma supernova é suficiente para fundir todos os elementos da tabela periódica, incluindo iodo e outros elementos bioessenciais mais pesados. Após a supernova, gases semeados com cada elemento na tabela periódica são arremessados a uma porção significativa da velocidade da luz. Isto significa que, em algum momento no passado, uma supernova explodiu materiais para onde o nosso sistema solar agora reside. Esses gases formaram-se ou foram adicionados a uma nebulosa, uma enorme nuvem de gás e detritos, que eventualmente levou ao nosso Sistema Solar. Portanto, ao desenvolver cuidadosamente a sequência de eventos que levam à gigante vermelha e, em última análise, a uma supernova, os alunos agora sabem de onde vieram todos os elementos, incluindo o carbono, e como chegaram ao local onde o sistema Solar atualmente reside. Embora nem sequer tenhamos chegado perto de explicar as origens da vida, temos ao menos explicado as origens dos elementos que compõem a vida, e, além disso, como eles chegaram ao bairro da Terra.Uma coisa é colocar carbono e todos os outros elementos essenciais numa nebulosa. É bem diferente localizá-los num planeta. Como, então, esses elementos acabaram na Terra? Os astrônomos normalmente invocam alguma versão da hipótese Nebular. Nesta hipótese, os gases nebulosos nas profundezas da nuvem, dominados pelo hidrogênio e hélio, começam a se contrair gravitacionalmente. Mas ao invés de simplesmente se contrair em uma bola, a nuvem começa a desenvolver movimento rotacional. Esta rotação lança discos finos de matéria. Apesar de fina em relação à massa central e à fonte final da massa solar, ainda é substancial o suficiente para formar coleções localizadas de massa devido à gravidade. A terra é uma dessas massas que se formou no disco do nosso Sol em desenvolvimento. Tal como os seus três companheiros do sistema solar interior, a terra formou-se como um pequeno planeta rochoso possuindo todos os elementos bioessenciais.

neste ponto da classe nós estabelecemos como o carbono e todos os elementos acabam na Terra. No entanto, para que a vida se forme, temos de explicar as origens dos produtos químicos orgânicos e, além disso, a presença de produtos químicos na atmosfera. Trefil and Hazen (2007) suggest that we consider what early Earth was like after it formed around our young sun (Table 1 Earth Science). Embora se tenham formado oito planetas distintos (sans Plutão!), havia muitos, muitos planetesimais no início do Sistema Solar. Estes planetesimais variaram do tamanho de pedras até vários quilômetros de diâmetro. A terra é pequena em comparação com o sol, mas era grande o suficiente para gravitacionalmente entrainhar muitos planetesimais. À medida que batiam na Terra vezes sem conta, a terra sólida tornava-se semilíquida e os materiais mais densos afundavam-se até ao núcleo. Com o tempo, a Terra limpou a sua vizinhança planetária da maioria dos detritos.; na verdade, isso faz parte da definição Aceita de planeta (resolução 6 da XXVI Assembleia Geral em Praga: definição de planeta no Sistema Solar 2006). À medida que menos energia impactava a terra, o grande bombardeamento terminou e arrefeceu. Formou-se uma crosta, que prendeu gases por baixo. Gases eventualmente acumularam pressão e entraram em erupção em vulcões globais. Se os vulcões de hoje são algum guia, eles cuspiram gases simples, incluindo dióxido de carbono, hidrogênio, metano, amônia e, especialmente, vapor de água. À medida que a Terra arrefecia, a água atmosférica condensava-se e caía à medida que a chuva enchia os oceanos de água da chuva. Os relâmpagos certamente pisaram esta atmosfera carregada. Até este ponto, nós estabelecemos apenas um mecanismo plausível para localizar compostos de carbono simples na atmosfera, mas não produzindo orgânicos complexos. Ainda temos de abordar uma simples questão—como é que o carbono entrou em compostos orgânicos? Nunca podemos voltar atrás no tempo, mas podemos tentar reconstruir como eram as condições naquela época. Isso foi o que Stanley Miller e Harold Urey fizeram em seus famosos experimentos na década de 1950 que mostraram como as condições do início da Terra poderiam levar à formação de moléculas orgânicas (Miller 1953; Miller e Urey 1959). Não há necessidade de magia, não há truques de química moderna introduzidos, apenas um simples sistema de gases, água e calor. Pode haver outras maneiras de que compostos orgânicos podem ser introduzidos na Terra primitiva; por exemplo, meteoritos podem conter compostos orgânicos que podem sobreviver ao impacto na Terra. Seja como for, a terra é e certamente era rica em moléculas orgânicas—uma verdadeira sopa orgânica.

como esta sopa rendeu vida é um dos grandes mistérios não resolvidos da ciência, e os estudantes aprendem sobre as atuais principais teorias (Tabela 1 Ciências da vida). Talvez tenha algo a ver com a forma como os fosfolípidos formam bolas ocas contendo misturas de produtos químicos orgânicos, talvez tenha algo a ver com a forma como as moléculas de RNA podem agir como template ou enzima ou talvez envolva processos miríades que ainda temos de descobrir. A posição científica honesta é que não sabemos a resposta. Mas lembramos aos estudantes que apreciem o desconhecido, pois é o desconhecido que leva os cientistas a viajar com estrelas e a descobrir. Uma vez que a vida se formasse, o grande processo da biologia evolutiva poderia decorrer, com a seleção natural liderando o caminho. O curso conclui com uma visão geral do registro fóssil e evidências bioquímicas que suportam a teoria da evolução biológica. Como Charles Darwin disse a famosa frase no final de seu livro, “Há grandeza nessa visão da vida, com seus vários poderes, tendo sido originalmente soprou em poucas formas ou em uma; e que, enquanto este planeta tem ido andar de bicicleta, de acordo com o fixado lei da gravidade, a partir de então, um simples início de infinitas formas mais belas e maravilhosas foram, e estão evoluindo” (Darwin, 1972). Afirmamos que Charles Darwin ficaria muito impressionado e profundamente comovido ao ver que sua versão das origens tinha sido movida de volta para o início do tempo e da matéria.