știința și conceptul de evoluție: de la Big Bang La originea și evoluția vieții

cea mai măreață poveste dintre toate cuprinde originea, machiajul și evoluția universului nostru, care include viața. Aceasta este povestea pe care o predăm în cursul nostru de bază de educație generală “știința și conceptul de evoluție.”Într-adevăr, este o poveste măreață, unificată de măreția subiectului; cu toate acestea, există un exces de subploturi convingătoare. Un subplot este o completare perfectă a poveștii generale—modul în care oamenii de știință au ajuns să cunoască universul în toată splendoarea și complexitatea sa. La educatorii noștri colegiu aprig dezbatere cum cel mai bine pentru a oferi educație generală; noi credem că acest curs lovește multe dintre notele corecte. Cuprinde subiecte care vorbesc cu realitatea fundamentală a existenței noastre. Mai mult, subliniază efortul uman al științei. Acestea sunt exact tipurile de lecții care sunt importante pentru fiecare student de colegiu să îmbrățișeze; adică, universul este mare, complex, minunat, și de multe ori cunoscut. Cursul subliniază ceea ce știm, cum am învățat-o și ce rămâne necunoscut. Pentru ca elevii să înțeleagă conceptul că oamenii de știință au explicat fundamental procesele care odinioară păreau necunoscute este printre cele mai importante mesaje ale acestui curs. Știința este vie și dinamică, iar necunoscutul universal este frontiera către care oamenii de știință au pornit ca exploratori.

împărțind Universul în părți fundamentale: materie, forță și timp

susținem că pentru a cunoaște universul, elevii ar trebui să cunoască compoziția sa fundamentală. În această unitate, spargem universul în blocurile sale fundamentale. În primul rând, introducem conceptul de cea mai mică bucată de materie. Dar pentru a face acest lucru, nu facem pur și simplu o listă de particule fundamentale. Mai degrabă, explorăm subplotul descoperirii. Cum au ajuns oamenii să cunoască părțile fundamentale ale materiei? Pornind de la cel de-al cincilea volum al lui Democritus și arătând evoluția teoriei atomice printr-o secvență de oameni de știință (Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr, Pauli, Fermi: structura materiei în tabelul 1), încheiem cu stadiul actual al cunoașterii: șase cuarci și șase leptoni.

Materia nu este nemișcată, nu este înghețată în spațiu și timp; se mișcă, uneori dramatic. Deci, în continuare, vom discuta despre cele trei legi care guvernează mișcarea materiei, prin amabilitatea lui Isaac Newton. Desigur, materia nu se mișcă magic; o forță este responsabilă (Tabelul 1 fizica). Ca atare, petrecem mai multe prelegeri despre cele patru forțe fundamentale, acordând o atenție deosebită gravitației și electromagnetismului. Aceste două forțe, împreună cu forța nucleară puternică, sunt esențiale pentru înțelegerea următoarei unități, care acoperă parțial viața și moartea stelelor. Odată ce conceptele de materie și forță au fost stabilite, trecem la fundamentele termodinamicii (Tabelul 1 Chimie). Nici o discuție despre univers nu poate fi completă fără o înțelegere a ambelor legi. Prima lege a termodinamicii este absolut esențială pentru a face următorul punct: nimic din univers nu este magic; adică ori de câte ori un obiect emite sau utilizează energie, acea energie trebuie să provină de undeva. În următoarea unitate, acest concept fundamental este folosit pentru a face un punct important despre stele—mor. A doua lege a termodinamicii nu este mai puțin importantă. Ea stabilește o secvență de evenimente: ordinea merge la dezordine, căldura curge de la corpurile calde la cele reci, iar energia trece de la o formă concentrată la o formă mai puțin concentrată cu eliberarea căldurii. Cu alte cuvinte, a doua lege dictează săgeata timpului. Voil, am făcut-o! Universul s-a descompus în materie, forță și timp cu o mână de legi care le guvernează.

reasamblarea Universului

a cunoaște un lucru înseamnă a cunoaște mai mult decât elementele fundamentale. La urma urmei, dacă fiecare dintre cele 11 trilioane de celule ale unui om ți—ar fi prezentate pe rând, cu greu ai înțelege ce înseamnă să fii om-la fel și pentru univers. Ca atare, în această unitate ne propunem să reasamblăm universul într-o entitate coerentă formată din blocuri fundamentale de construcție. Cartea pe care o folosim pentru curs, științele de Trefil și Hazen (2007), are o abordare fascinantă care este adoptată pentru prima prezentare în această unitate. Imaginați-vă prima persoană capabilă să formeze o întrebare (poate unul dintre strămoșii noștri hominizi) ieșind dintr-un somn și uitându-se la cerul nopții. Cu siguranță au pus o întrebare evidentă: “care sunt acele puncte de lumină?”Astfel s-a născut astronomia. În această clasă, aceeași întrebare este adresată elevilor, numai că le permitem să utilizeze informațiile de bază învățate în unitatea anterioară. Urmează astfel o secvență logică remarcabilă: stelele emit lumină; lumina este energie electromagnetică; stelele nu sunt magice și, prin urmare, trebuie să transforme o altă formă de energie în lumină; stelele nu au un volum infinit, așa că vor rămâne fără energie într-o zi; toate stelele vor muri; și în cele din urmă, dacă toate stelele mor, atunci toate stelele s-au născut. Două întrebări decurg în mod natural din această discuție:

• cum se nasc stelele?

• cum mor stelele?

răspunsurile la aceste întrebări sunt minunate în sine, dar sunt esențiale pentru înțelegerea originii vieții în sine, deoarece în forjarea fuziunii termonucleare au fost generate elementele vieții. Prin detalierea proceselor de naștere și moarte a stelelor, construim o panoplie de stele: stelele secvenței principale (de la stele galbene de dimensiuni solare la giganți albastri), giganți roșii, giganți super roșii, pitici albi, pitici negri, stele neutronice și găuri negre. Cunoașterea originii și proprietăților acestei distribuții de stele conduce acasă punctul cheie pe care ideile noastre cu privire la procesele generative și compoziția universului au evoluat pe măsură ce instrumentele disponibile pentru studierea universului s-au îmbunătățit (Tabelul 1 cosmologie și astronomia Sistemului Solar).

luăm în considerare modurile în care astronomii măsoară distanțele față de stele. Triangulația, folosind funcții trigonometrice, pentru a măsura distanța funcționează bine pentru stelele din apropiere. Dar înainte de telescoapele puternice, existau o serie de” stele fuzzy ” care erau mult prea îndepărtate pentru a fi măsurate folosind această tehnică (Trefil și Hazen 2007). Edwin Hubble a folosit variabile Cefeide (un tip special de stea pe moarte care își dezvăluie luminozitatea absolută prin durata ciclului său de strălucire/întunecare) pentru a determina că așa-numitele stele fuzzy erau într-adevăr grupuri de stele care erau uimitor de departe (Trefil și Hazen 2007); acum le recunoaștem ca galaxii. Cea mai apropiată galaxie de noi este Andromeda, la 2,5 milioane de ani lumină distanță! Hubble ne-a ajutat să realizăm imensitatea universului. Într-adevăr, aranjamentul galaxiilor din univers are o structură pe scară largă în care galaxiile vin în grupuri și grupări. Descoperirea lui Hubble a imensității universului ne-a schimbat foarte mult simțul universului, dar nu ne-a surprins. Folosind spectroscopia luminii (aceeași tehnică este efectuată de studenți în laborator), Hubble a descoperit că toate galaxiile se îndepărtează de noi; cu cât se îndepărtează mai mult, cu atât se mișcă mai repede (Livio 2000). Hubble a stabilit că doar expansiunea universală ar putea explica un astfel de rezultat! Pentru a doua oară, Hubble a schimbat dramatic modul în care privim universul. Descoperirea lui Hubble subliniază într-un mod dramatic că universul este plin de surprize și că oamenii de știință trebuie să fie pregătiți să le interpreteze în cadrul existent sau, dacă este necesar, să elaboreze noi explicații.

universul este mare (infinit de fapt), iar surprizele par a fi mai degrabă norma decât excepția. În 1998, revista Science a numit descoperirea că universul nu numai că se extinde, ci că face acest lucru într-un ritm de expansiune ca “descoperirea anului” (Glanz 1998). În acest moment al clasei, am stabilit modul în care stelele se formează și mor, modul în care sunt colectate în galaxii, modul în care galaxiile sunt aranjate în spațiu și modul în care acestea se îndepărtează constant una de cealaltă într-un ritm accelerat! Nu este rău pentru o unitate dintr-o clasă de științe generale, dar povestea nu se termină aici. Nu; în mod remarcabil, folosind acceleratoare de particule, oamenii de știință au determinat cu mare precizie cum au fost condițiile universului în primele momente după Big Bang. De exemplu, la 10-35 s după Big Bang, forța puternică a înghețat și la 10-10 s toate cele patru forțe fundamentale au existat ca entități separate. Energia uimitoare și expansiunea Universului timpuriu au dus la un fenomen important pentru înțelegerea originii vieții; adică expansiunea rapidă a împiedicat formarea elementelor mai grele prin fuziune. Marea majoritate a materiei din univers este hidrogen, heliu și litiu; orice altceva este rar. Dar hidrogenul, heliul și litiul pur și simplu nu vor fi suficiente pentru viață. Pentru a explica viața, trebuie să explicăm originea elementelor mai grele: azot, oxigen, fosfor și multe altele, dar mai ales carbon. Mai mult, trebuie să explicăm cum au ajuns la noi aici, în sistemul nostru solar.

Life

în acest moment, o sesiune de revizuire examinează imaginile de la telescopul Hubble. Elevii se minunează de imaginile nebuloaselor planetare care își aruncă conținutul în jeturi diametral opuse de gaz și la galaxiile spirale elegante (printre cele mai frumoase obiecte din univers). Încheiem cu imagini ale studiului Deep field al galaxiilor. Puține imagini sunt mai agitate-galaxie peste galaxie peste galaxie îngrămădite una după alta până la marginile universului, fiecare galaxie posedând milioane, miliarde sau chiar trilioane de stele. Dacă un scop al educației generale este de a insufla un sentiment de loc și scară în studenții noștri, ce ar putea fi mai eficient decât o înțelegere profundă a universului? Pe de altă parte, nu este intenția noastră de a le face să se simtă mici și nesemnificative. Ca antidot la acest sentiment natural de a fi minuscul, următorul citat este citit din Cartea lui Alan Dressler din 1994, Voyage to the Great Attractor (Dressler 1994).

continuăm să luăm lecția greșită din ceea ce învățăm acum. Un astronaut care a făcut o plimbare spațială legată în timp ce se afla într-un zbor Gemini a fost întrebat recent dacă experiența l-a schimbat. El a fost lovit, el a amintit, de cât de mici și nesemnificative au fost pământul și aventura umană, “ca o furnică crawling peste deșertul Sahara.”Exact. Furnica, depășită numeric astronomic de boabele de nisip, copleșită de mărimea deșertului neospitalier, este totuși cea mai mare minune, de departe.

este timpul să facem bilanțul descoperirii că viața este cel mai complex lucru pe care îl cunoaștem în univers și, ca atare, cel mai demn de admirația noastră. Da, Universul eclipsează lumea noastră ca mărime și putere imensă. Dar universul stelelor, galaxiilor și vastelor golfuri ale spațiului este foarte, foarte simplu în comparație cu noi și cu frații noștri forme de viață. Dacă am putea învăța să privim universul cu ochi orbi la putere și dimensiune, dar dornici de subtilitate și complexitate, atunci lumea noastră ar eclipsa o galaxie de stele. Într—adevăr, ar trebui să ne minunăm de Univers pentru măreția sa, dar trebuie să fim cu adevărat uimiți de cea mai mare realizare a sa-viața.

acordarea declarației este mai mult metaforă decât știința, originea și evoluția vieții este cu siguranță o realizare care merită explorată într-o clasă de științe a educației generale. Mai mult, acest curs ne permite să încadrăm acea poveste măreață în contextul evolutiv fizic și chimic mai larg într-un mod în care cursurile de biologie pură nu pot. Organismele vii sunt formate din particule, aranjate în atomi pentru a forma elemente diferite, care sunt aranjate într-o gamă amețitoare de molecule care interacționează în funcție de proprietățile lor chimice. Cum au apărut atunci aceste substanțe chimice și cum au ajuns să fie pe Pământ? Primul element pe care îl abordăm în această ultimă unitate este definirea vieții. La fel ca în biologie, este mai complex decât pare la început. Trefil și Hazen (2007) tratează întrebările enumerând caracteristicile pe care le împărtășesc cele mai cunoscute organisme vii:

1. toate lucrurile vii mențin un grad ridicat de ordine și complexitate.

2. toate lucrurile vii fac parte dintr-un sistem mai mare de materie și energie.

3. toată viața depinde de reacțiile chimice care au loc în celule.

4. toată viața cunoscută necesită apă lichidă.

5. organismele cresc și se dezvoltă.

6. lucrurile vii își reglează utilizarea energiei și răspund mediului lor.

7. toate lucrurile împărtășesc același cod genetic, care este transmis de la părinte la descendenți.

8. toate lucrurile vii sunt descendente dintr-un strămoș comun.

primele două elemente sunt concepte care se referă direct la discuțiile anterioare despre legile termodinamicii. Trebuie să fim atenți să subliniem că aceste două elemente nu implică faptul că viața încalcă a doua lege a termodinamicii, ci că sistemele vii sunt sisteme deschise, pot primi energie și, prin urmare, sunt libere să experimenteze creșteri localizate în ordine. Un pic mai mult timp este petrecut cu punctul 3. În primul rând, studiem diversitatea uimitoare a vieții de pe planetă. În continuare, discutăm complexitatea formelor, dimensiunilor și diversitatea și mai mare a reacțiilor chimice care au loc în sistemele vii (Tabelul 1 Chimie). În ciuda complexității vieții și a biochimiei sale, fiecare element din tabelul periodic nu este reprezentat în mod egal în structura organismelor vii. Într-adevăr, niciun element nu este mai central pentru înțelegerea vieții decât carbonul. Dacă există o complexitate atât de mare a formei și chimiei în sistemele vii, atunci ar fi bine să existe un bloc de construcție flexibil; setul final de erector dacă doriți. Carbonul este special. Capacitatea sa de a forma legături covalente stabile cu alți patru atomi, inclusiv un alt atom de carbon, face posibile molecule foarte mari și complexe. Prin urmare, povestea originilor vieții trebuie să abordeze o întrebare și mai fundamentală. Dacă viața depinde de chimia carbonului, de unde provine carbonul? Răspunzând la această întrebare fundamentală, descoperim, de asemenea, originea altor patru elemente din mnemonica adesea citată din clasele introductive de biologie, CHiNOPS: carbon, hidrogen, azot, oxigen, fosfor și sulf (hidrogen format în prima secundă A Big Bang-ului), toate acestea fiind esențiale pentru viața cunoscută și se găsesc ca un procent destul de mare de biomasă uscată. De aceea, biologii se referă la acestea ca macroelemente esențiale. În acest curs, le arătăm studenților câteva molecule organice impresionant de complexe în fiecare dintre următoarele tipuri de compuși: lipide, proteine, carbohidrați și acizi nucleici, iar unii instructori încorporează un laborator folosind modele moleculare sau software de modelare moleculară.

există, de asemenea, o serie de microelemente care sunt esențiale, dar în cantități mult mai mici. Acestea includ unele elemente mai grele, cum ar fi fierul, iodul și ZINCUL. De unde provin toate elementele esențiale? În reasamblarea unității Universului, examinăm procesele nașterii și morții stelelor. Elevii învață că toate stelele secvenței principale de dimensiunea Soarelui nostru și mai mari suferă în cele din urmă fuziune de heliu rezultând în formarea de carbon. Stelele mai mari prezintă straturi de fuziune care duc la elemente chiar mai masive decât carbonul, inclusiv fosforul și azotul. Într-adevăr, stelele secvenței principale de cel puțin opt ori mai mari decât Soarele nostru vor avea în cele din urmă un nucleu care duce la fier. Nici o cantitate de presiune în miezul oricărei Stele nu poate face fierul să fuzioneze, astfel încât acesta este cel mai greu element format în miezurile stelelor. Elevii pot identifica și explica într—o mare măsură procesele care duc la originea carbonului și aproape orice alt element esențial-fuziunea în miezurile stelare. Dar există încă unele întrebări restante elevii trebuie să reflecteze. În primul rând, unele elemente esențiale sunt mai masive decât fierul, de exemplu iodul. De unde provin elementele mai grele decât fierul? În al doilea rând, cum a ajuns carbonul și toate celelalte elemente esențiale în sistemul nostru Solar?

răspunsul la ambele întrebări este același—supernova. În supernovele de tip I, o pitică albă (o rămășiță fierbinte de carbon/oxigen a stelei de dimensiuni solare) atrage rapid gazul de la partenerul său binar, ducând la o acumulare rapidă de masă și presiune și, în cele din urmă, la detonarea fostei pitice albe (Trefil și Hazen 2007). În supernovele de tip II, miezul de cenușă de fier al unei stele mari se prăbușește catastrofal într-un miez de neutroni, care revine și se sparge în miliarde de kilometri de masă în cădere. Oricum ar fi, energia este monstruoasă. Energia produsă într-o supernovă de orice tip depășește energia emisă în acel moment de toate stelele dintr-o galaxie. Energia generată într-o supernovă este suficientă pentru a fuziona fiecare element al tabelului periodic, inclusiv iodul și alte elemente bioesențiale mai grele. După supernovă, gazele însămânțate cu fiecare element din tabelul periodic sunt aruncate la o porțiune semnificativă a vitezei luminii. Aceasta înseamnă că, la un moment dat în trecut, o supernovă a aruncat materiale în locul în care se află acum sistemul nostru solar. Aceste gaze fie s-au format, fie s-au adăugat la o nebuloasă, un nor imens de gaz și resturi, care în cele din urmă au dus la sistemul nostru Solar. Prin urmare, dezvoltând cu atenție succesiunea evenimentelor care duc la gigantul roșu și, în cele din urmă, la o supernovă, studenții știu acum de unde provin toate elementele, inclusiv carbonul, și cum au ajuns acolo unde se află în prezent Sistemul Solar. Deși nici măcar nu ne-am apropiat de explicarea originilor vieții, am explicat cel puțin originile elementelor care compun viața și, în plus, cum au ajuns în vecinătatea Pământului.

una este să plasezi carbonul și toate celelalte elemente esențiale într-o nebuloasă. Este altceva să le localizezi pe o planetă. Cum au ajuns aceste elemente pe Pământ? Astronomii invocă în mod normal o versiune a ipotezei Nebulare. În această ipoteză, gazele nebulare adânci în nor, dominate de hidrogen și heliu încep să se contracte gravitațional. Dar, mai degrabă decât să se contracte pur și simplu într-o minge, norul începe să dezvolte mișcarea de rotație. Această rotație aruncă discuri subțiri de materie. Deși subțire în raport cu masa centrală și sursa finală a masei soarelui, este încă suficient de substanțială pentru a forma colecții localizate de masă datorită gravitației. Pământul este una dintre aceste mase care s-au format în discul Soarelui nostru în curs de dezvoltare. La fel ca cei trei însoțitori ai sistemului solar interior, pământul s-a format ca o planetă stâncoasă mică care posedă toate elementele bioesențiale.

în acest moment al clasei am stabilit modul în care carbonul și toate elementele au ajuns pe Pământ. Cu toate acestea, pentru ca viața să se formeze, trebuie să explicăm originile substanțelor chimice organice și, în plus, prezența substanțelor chimice în atmosferă. Trefil și Hazen (2007) sugerează să luăm în considerare cum a fost pământul timpuriu după ce s-a format în jurul Soarelui nostru tânăr (Tabelul 1 știința Pământului). Deși s-au format opt planete distincte (sans Pluto!), au existat multe, multe planetesimale în Sistemul Solar timpuriu. Aceste planetesimale au variat de la dimensiunea bolovanilor până la câțiva kilometri. Pământul este mic în comparație cu soarele, dar a fost suficient de mare pentru a atrage gravitațional multe planetesimale. Pe măsură ce s-au izbit de pământ din nou și din nou, pământul solid a devenit semilichid și materialele mai dense s-au scufundat până la miez. De-a lungul timpului, Pământul și-a curățat vecinătatea planetară de cele mai multe resturi; într-adevăr, aceasta face parte din definiția acceptată a unei planete (rezoluția 6 a celei de-a XXV-a Adunări Generale de la Praga: definiția unei planete în Sistemul Solar 2006). Pe măsură ce mai puțină energie a afectat Pământul, marele bombardament s-a încheiat și s-a răcit. S-a format o crustă, care a prins gaze dedesubt. Gazele au acumulat în cele din urmă presiune și au erupt în vulcanii globali. Dacă Vulcanii de astăzi sunt vreun ghid, au aruncat gaze simple, inclusiv dioxid de carbon, hidrogen, metan, amoniac și în special vapori de apă. Pe măsură ce pământul s-a răcit, apa atmosferică s-a condensat și a căzut ca ploaie umplând oceanele cu apă de ploaie. Fulgerul cu siguranță dantelat acest devreme roiling, atmosfera încărcată. În acest moment, am stabilit doar un mecanism plauzibil pentru localizarea compușilor simpli de carbon în atmosferă, dar nu producând organice complexe. Trebuie să abordăm în continuare o întrebare simplă—cum a ajuns carbonul în compușii organici? Nu ne putem întoarce niciodată în timp, dar putem încerca să reconstruim cum erau condițiile în acel moment. Asta au făcut Stanley Miller și Harold Urey în celebrele lor experimente din anii 1950, care au arătat cum condițiile pământului timpuriu ar putea duce la formarea moleculelor organice (Miller 1953; Miller și Urey 1959). Nu trebuie invocată nicio magie, nu trebuie introduse trucuri ale chimiei moderne, ci doar un sistem simplu de gaze, apă și căldură. Pot exista și alte modalități prin care compușii organici ar putea fi introduși pe pământul timpuriu; de exemplu, meteoriții pot conține compuși organici care pot supraviețui impactului asupra Pământului. Oricum s—a întâmplat, Pământul este și cu siguranță a fost bogat în molecule organice-o adevărată supă organică.

modul în care această supă a dat viață este unul dintre marile mistere nerezolvate ale științei, iar elevii învață despre teoriile actuale de conducere (Tabelul 1 științele vieții). Poate că a avut ceva de-a face cu modul în care fosfolipidele formează bile goale care conțin amestecuri de substanțe chimice organice, poate are ceva de-a face cu modul în care moleculele de ARN pot acționa atât ca șablon, cât și ca enzimă sau poate implică nenumărate procese pe care încă nu le-am descoperit. Poziția științifică onestă este că nu știm răspunsul. Dar le reamintim studenților să savureze necunoscutul, pentru că necunoscutul este cel care îi determină pe oamenii de știință să călătorească cu stelele și să descopere. Odată ce viața s-a format, marele proces al biologiei evolutive s-ar putea desfășura, selecția naturală deschizând calea. Cursul se încheie cu o privire de ansamblu asupra înregistrărilor fosile și a dovezilor biochimice care susțin teoria evoluției biologice. Așa cum spunea Charles Darwin la sfârșitul cărții sale, “există măreție în această viziune a vieții, cu mai multe puteri ale sale, care au fost inițial suflate în câteva forme sau într-una; și că, în timp ce această planetă a mers cu bicicleta conform legii fixe a gravitației, de la un început atât de simplu formele nesfârșite cele mai frumoase și cele mai minunate au fost și sunt evoluate” (Darwin 1972). Susținem că Charles Darwin ar fi mult impresionat și profund mișcat să vadă că versiunea sa despre origini a fost mutată înapoi la începutul timpului și al materiei.