vetenskap och begreppet Evolution: från Big Bang till livets ursprung och utveckling

den största historien av alla omfattar vårt universums ursprung, smink och utveckling, vilket inkluderar livet. Detta är historien som vi undervisar i vår allmänna utbildning Kärnkurs ” vetenskap och begreppet Evolution.”Det är faktiskt en stor historia, förenad av ämnets majestät; ändå finns det ett överflöd av övertygande delplottar. En delplott är ett perfekt komplement till den övergripande berättelsen—Hur forskare har lärt känna universum i all sin prakt och komplexitet. På våra högskolepedagoger diskuterar varmt hur man bäst kan leverera allmän utbildning; vi tror att den här kursen träffar många av de rätta anteckningarna. Det omfattar ämnen som talar till den grundläggande verkligheten i vår existens. Dessutom betonar det vetenskapens mänskliga strävan. Det här är exakt de typer av lektioner som är viktiga för varje högskolestudent att omfamna; det vill säga universum är stort, komplext, underbart och ofta känt. Kursen betonar vad vi vet, hur vi lärde oss det och vad som lämnas okänt. För studenter att förstå konceptet att forskare i grunden har förklarat processer som en gång verkade okända är bland de viktigaste budskapen i denna kurs. Vetenskapen är levande och dynamisk och det universella okända är gränsen till vilken forskare seglar som upptäcktsresande.

bryta universum i grundläggande delar: Materia, kraft och tid

Vi hävdar att för att känna universum bör eleverna känna till dess grundläggande sammansättning. I denna enhet bryter vi universum i dess grundläggande byggstenar. Först introducerar vi begreppet den minsta delen av materia. Men för att göra det gör vi inte bara en lista över grundläggande partiklar. Snarare utforskar vi delplotten av upptäckten. Hur kom människor att känna till de grundläggande delarna av materien? Från och med Democritus ‘ s jacobtom och visar utvecklingen av atomteori genom en sekvens av forskare (Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr, Pauli, Fermi: materiens struktur i Tabell 1) slutar vi med vårt nuvarande kunskapstillstånd: sex kvarkar och sex leptoner.

materien är inte orörlig, inte frusen i rum och tid; den rör sig, ibland dramatiskt. Så därefter diskuterar vi de tre lagarna som styr materiens rörelse, med tillstånd av Isaac Newton. Naturligtvis rör sig inte materien magiskt; en kraft är ansvarig (Tabell 1 Fysik). Som sådan tillbringar vi flera föreläsningar om de fyra grundläggande krafterna, med särskild uppmärksamhet åt gravitation och elektromagnetism. Dessa två krafter, tillsammans med den starka kärnkraften, är väsentliga för att förstå nästa enhet, som delvis täcker stjärnornas liv och död. När begreppen Materia och kraft har fastställts går vi vidare till termodynamikens grunder (Tabell 1 Kemi). Ingen diskussion om universum kan vara komplett utan någon förståelse för båda lagarna. Den första lagen om termodynamik är absolut nödvändig för att göra följande punkt: ingenting i universum är magiskt; det vill säga, när ett objekt avger eller använder energi, måste den energin komma någonstans ifrån. I nästa enhet används detta grundläggande koncept för att göra en viktig punkt om Stjärnor—de dör. Den andra lagen om termodynamik är inte mindre viktig. Det etablerar en sekvens av händelser: ordning går till oordning, värme strömmar från heta till kalla kroppar och energi går från en koncentrerad form till en mindre koncentrerad form med värmeutsläpp. Med andra ord dikterar den andra lagen tidens pil. Voil Bisexuell, vi har gjort det! Universum bryts ner i materia, kraft och tid med en handfull lagar som styr dem.

återmontering av universum

att veta en sak är att veta mer än de grundläggande byggstenarna. När allt kommer omkring, om var och en av en människas 11 biljoner celler presenterades för dig en i taget, skulle du knappast förstå vad det innebär att vara en människa—så också för universum. Som sådan, i denna enhet strävar vi efter att återmontera universum till en sammanhängande enhet som består av grundläggande byggstenar. Boken vi använder för kursen, vetenskaperna av Trefil och Hazen (2007), har ett fascinerande tillvägagångssätt som antas för den första presentationen i denna enhet. Föreställ dig den första personen som kan bilda en fråga (kanske en av våra hominida förfäder) som kommer ut ur en slummer och tittar upp på natthimlen. De ställde säkert en uppenbar fråga, ” Vad är dessa ljuspunkter?”Således föddes astronomi. I den här klassen ställs samma fråga av studenter, bara vi tillåter dem att använda den grundläggande informationen som lärt sig i föregående enhet. Således följer en anmärkningsvärd logisk sekvens: stjärnor avger ljus; ljus är elektromagnetisk energi; stjärnor är inte magiska, och därför måste de omvandla någon annan form av energi till ljus; stjärnor är inte oändliga i volym, så de kommer att få slut på energi en dag; alla stjärnor kommer att dö; och slutligen, om alla stjärnor dör, så föddes alla stjärnor. Två frågor flyter naturligtvis från denna diskussion:

• hur föds stjärnor?

• hur dör stjärnor?

svaren på dessa frågor är fantastiska i sig, men de är väsentliga för att förstå livets ursprung, för det är i smeden av termonukleär fusion som livets element genererades. Genom att specificera processerna för stjärnfödsel och död konstruerar vi en panoply av stjärnor: huvudsekvensstjärnor (från solstora gula stjärnor till blå jättar), röda jättar, superröda jättar, vita dvärgar, svarta dvärgar, neutronstjärnor och svarta hål. Att känna till ursprunget och egenskaperna hos denna roll av stjärnor driver hem den viktigaste punkten att våra tankar om universums generativa processer och sammansättning har utvecklats som de verktyg som finns tillgängliga för att studera universum har förbättrats (Tabell 1 kosmologi och Solsystemastronomi).

som ett typexempel betraktar vi hur astronomer mäter avstånd till stjärnor. Triangulering, med hjälp av trigonometriska funktioner, för att mäta avstånd fungerar bra för stjärnor i närheten. Men före kraftfulla teleskop fanns det ett antal” fuzzy stars ” som var alltför avlägsna för att mätas med denna teknik (Trefil and Hazen 2007). Edwin Hubble använde cepheidvariabler (en speciell typ av döende stjärna som avslöjar sin absoluta ljusstyrka med varaktigheten av dess ljusnings-/dimningscykel) för att bestämma att de så kallade fuzzy stjärnorna verkligen var kluster av stjärnor som var förvånansvärt långt borta (Trefil och Hazen 2007); vi känner nu igen dessa som galaxer. Den närmaste galaxen till oss är Andromeda, 2,5 miljoner ljusår bort! Hubble hjälpte oss att inse universums oändlighet. Faktum är att arrangemanget av galaxer i universum har en storskalig struktur där galaxer kommer i kluster och grupperingar. Hubbles upptäckt av universums oändlighet förändrade väldigt vår känsla av universum, men han blev inte förvånad över oss. Med hjälp av ljusspektroskopi (samma teknik utförs av studenter i lab) upptäckte Hubble att alla galaxer rör sig bort från oss; ju längre bort desto snabbare rör de sig (Livio 2000). Hubble bestämde att endast universell expansion kunde förklara ett sådant resultat! För andra gången förändrade Hubble dramatiskt hur vi ser på universum. Hubbles upptäckt betonar på ett dramatiskt sätt att universum är fullt av överraskningar och att forskare måste vara beredda att tolka dem inom den befintliga ramen, eller vid behov utforma nya förklaringar.

universum är stort (oändligt faktiskt), och överraskningar verkar vara normen snarare än undantaget. 1998 utsåg Science magazine upptäckten att universum inte bara expanderar utan att det gör det i en expanderande takt som sitt “genombrott av året” (Glanz 1998). Vid denna tidpunkt i klassen har vi fastställt hur stjärnor bildas och dör, hur de samlas in i galaxer, hur galaxerna är ordnade i rymden och hur de ständigt zoomar bort från varandra i en accelererande takt! Inte illa för en enhet i en allmän vetenskapsklass, men historien slutar inte här. Nej; anmärkningsvärt, med hjälp av partikelacceleratorer, har forskare bestämt med stor precision hur universums förhållanden var i de första ögonblicken efter Big Bang. Till exempel, vid 10-35 s efter Big Bang, frös den starka kraften ut och vid 10-10 s fanns alla fyra grundläggande krafter som separata enheter. Den fantastiska energin och expansionen av det tidiga universum ledde till ett viktigt fenomen för att förstå livets ursprung; det vill säga snabb expansion förhindrade bildandet av tyngre element genom fusion. Den stora majoriteten av materia i universum är väte, helium och litium; allt annat är sällsynt. Men väte, helium och litium räcker helt enkelt inte för livet. För att redogöra för livet måste vi förklara ursprunget till tyngre element: kväve, syre, fosfor och många andra, men särskilt kol. Dessutom måste vi förklara hur de kom till oss här i vårt solsystem.

Life

vid denna tidpunkt undersöker en granskningssession bilder från Hubble-teleskopet. Eleverna förundras över bilder av planetariska nebulae som spyr innehållet i diametralt motsatta gasstrålar och vid eleganta spiralgalaxer (bland de vackraste föremålen i universum). Vi avslutar med bilder av djupfältundersökningen av galaxer. Få bilder är mer rörande—galax på galax på galax staplade upp efter varandra till universums kanter, varje galax har miljoner, miljarder eller till och med biljoner stjärnor. Om ett mål för allmän utbildning är att skapa en känsla av plats och skala hos våra studenter, vad kan vara mer effektivt än en djup förståelse av universum? Å andra sidan är det inte vår avsikt att få dem att känna sig små och obetydliga. Som ett motgift mot denna naturliga känsla av att vara liten, läses följande citat från Alan Dresslers bok från 1994, Voyage to the Great Attractor (Dressler 1994).

vi fortsätter att ta fel lektion från det vi nu lär oss. En astronaut som hade tagit en bunden rymdpromenad under en Gemini-flygning frågades nyligen om upplevelsen hade förändrat honom. Han hade blivit slagen, minns han, av hur liten och obetydlig jorden och det mänskliga äventyret var, “som en myra som kryper över Saharaöknen.” Exakt. Myran, astronomiskt underlägsen av sandkornen, överväldigad av storleken på den ogästvänliga öknen, är ändå det större förundran, överlägset.

det är dags att ta reda på upptäckten att livet är det mest komplexa vi känner till i universum, och som sådan mest värd vår beundran. Ja, universum dvärgar vår värld i storlek och enorm kraft. Men universum av stjärnor, galaxer och vidsträckta vikar i rymden är så väldigt, väldigt enkelt jämfört med oss och våra bröders livsformer. Om vi bara kunde lära oss att titta på universum med ögon som är blinda för makt och storlek, men angelägna om subtilitet och komplexitet, skulle vår värld överträffa en galax av stjärnor. Vi borde verkligen förundras över universum för dess majestät, men vi måste verkligen vara i vördnad för dess största prestation—livet.

att bevilja uttalandet är mer metafor än vetenskap, livets ursprung och utveckling är verkligen en prestation som är värd att utforska i en allmän utbildningsvetenskapsklass. Dessutom gör den här kursen det möjligt för oss att rama in den stora historien i det större fysiska och kemiska evolutionära sammanhanget på ett sätt som rena biologikurser inte kan. Levande organismer är gjorda av partiklar, anordnade i atomer för att bilda olika element, vilka är anordnade i en svimlande uppsättning molekyler som interagerar enligt deras kemiska egenskaper. Hur uppstod då dessa kemikalier och hur kom de att vara på jorden? Det första som vi tar itu med i den här sista enheten är att definiera livet. Som så mycket i biologi är det mer komplext än det verkar först. Trefil och Hazen (2007) hanterar frågorna genom att lista egenskaper som mest kända levande organismer delar:

1. alla levande saker upprätthåller en hög grad av ordning och komplexitet.

2. alla levande saker är en del av ett större system av materia och energi.

3. allt liv beror på kemiska reaktioner som äger rum i celler.

4. allt känt liv kräver flytande vatten.

5. organismer växer och utvecklas.

6. levande saker reglerar deras användning av energi och svarar på deras miljö.

7. alla saker delar samma genetiska kod, som överförs från förälder till avkomma.

8. alla levande saker härstammar från en gemensam förfader.

de två första punkterna är begrepp som direkt hänför sig till tidigare diskussioner om termodynamikens lagar. Man bör vara noga med att påpeka att dessa två saker inte innebär att livet bryter mot termodynamikens andra lag, utan att levande system är öppna system, kan ta emot energi och därmed är fria att uppleva lokaliserade ökningar i ordning. Lite mer tid spenderas med punkt 3. Först undersöker vi den fantastiska mångfalden av liv på planeten. Därefter diskuterar vi komplexiteten hos formerna, storlekarna och den ännu större mångfalden av kemiska reaktioner som sker i levande system (Tabell 1 Kemi). Trots livets komplexitet och dess biokemi är varje element i det periodiska bordet inte lika representerat i levande organismer. Faktum är att inget element är mer centralt för förståelsen av livet än kol. Om det finns så stor komplexitet av form och kemi i levande system, då hade det bättre vara en flexibel byggsten; den ultimata erector set om du vill. Kol är speciellt. Dess förmåga att bilda stabila kovalenta bindningar med fyra andra atomer, inklusive en annan kolatom, gör mycket stora, komplexa molekyler möjliga. Historien om livets ursprung måste därför ta itu med en ännu mer grundläggande fråga. Om livet beror på kolens kemi, var kom kol ifrån? När vi besvarar den grundläggande frågan upptäcker vi också ursprunget till fyra andra element från den ofta citerade mnemonic från introduktionsbiologiklasser, CHiNOPS: kol, väte, kväve, syre, fosfor och svavel (väte som bildas under den första sekunden av Big Bang), som alla är väsentliga för känt liv och finns som en ganska stor andel torr biomassa. Det är därför biologer hänvisar till dessa som väsentliga makroelement. I den här kursen visar vi eleverna några imponerande komplexa organiska molekyler i var och en av följande typer av föreningar: lipider, proteiner, kolhydrater och nukleinsyror, och vissa instruktörer innehåller ett laboratorium med molekylära modeller eller molekylär modelleringsprogramvara.

det finns också ett antal mikrodelar som är väsentliga, men i mycket mindre kvantiteter. Dessa inkluderar några tyngre element som järn, jod och zink. Var kommer alla väsentliga delar från? I ommonteringen av Universumenheten undersöker vi processerna för stjärnfödsel och död. Eleverna lär sig att alla huvudsekvensstjärnor storleken på vår sol och större så småningom genomgår heliumfusion vilket resulterar i bildandet av kol. Större stjärnor uppvisar fusionslager som leder till element som är ännu mer massiva än kol, inklusive fosfor och kväve. Faktum är att huvudsekvensstjärnor som är minst åtta gånger större än vår sol så småningom kommer att ha en kärna som leder till järn. Inget tryck i kärnan i någon stjärna kan få järn att smälta, så det är det tyngsta elementet som bildas i Stjärnornas kärnor. Eleverna kan identifiera och i stor utsträckning förklara de processer som leder till kolens ursprung och nästan alla andra väsentliga element—fusion i stjärnkärnor. Men det finns fortfarande några utestående frågor som eleverna måste fundera över. För det första är vissa väsentliga element mer massiva än järn, till exempel jod. Var kommer element tyngre än järn från? För det andra, hur kom kol och alla andra väsentliga element till vårt solsystem?

svaret på båda frågorna är detsamma—supernova. I supernovaer av typ I drar en vit dvärg (en varm kol/syrerester av solstorlek) snabbt gasen från sin binära partner, vilket leder till en snabb ackumulering av massa och tryck och i slutändan detonationen av den tidigare vita dvärgen (Trefil och Hazen 2007). I typ II-supernovaer kollapsar en stor stjärnas järnaska-kärna katastrofalt i en neutronkärna, som studsar ut och krossar i miljarder kilometer fallande massa. Hur som helst är energin monströs. Energin som produceras i en supernova av någon typ överstiger den energi som emitteras i det ögonblicket av alla stjärnor i en galax. Energin som genereras i en supernova är tillräcklig för att smälta varje element i det periodiska systemet, inklusive jod och andra tyngre bioessentiella element. Efter supernova kastas gaser som frös med varje element i det periodiska systemet med en betydande del av ljusets hastighet. Det betyder att någon gång tidigare sprängde en supernova material till där vårt solsystem nu finns. Dessa gaser antingen bildas eller läggas till en nebulosa, ett stort moln av gas och skräp, som så småningom ledde till vårt solsystem. Därför, genom att noggrant utveckla sekvensen av händelser som leder till red giant och slutligen till en supernova, vet eleverna nu var alla element, inklusive kol, kom ifrån och hur de kom till där solsystemet för närvarande bor. Även om vi inte ens har kommit nära att förklara livets ursprung, har vi åtminstone förklarat ursprunget till de element som utgör livet, och dessutom hur de kom till jordens grannskap.

det är en sak att placera kol och alla andra väsentliga element i en nebulosa. Det är en helt annan att hitta dem på en planet. Hur hamnade dessa element på jorden? Astronomer åberopar normalt någon version av Nebulärhypotesen. I denna hypotes börjar nebulära gaser djupt i molnet, dominerat av väte och helium, gravitationellt kontrakt. Men snarare än att bara komma i kontakt med en boll börjar molnet utveckla rotationsrörelse. Denna rotation spyr ut tunna skivor av materia. Även om den är tunn i förhållande till den centrala massan och den ultimata källan till solens massa, är den fortfarande tillräckligt stor för att bilda lokaliserade masssamlingar på grund av tyngdkraften. Jorden är en av dessa massor som bildades i skivan i vår utvecklande Sol. Liksom sina tre inre solsystemkompisar bildades jorden som en liten stenig planet som hade alla bioessentiella element.

vid denna tidpunkt i klassen har vi fastställt hur kol och alla element avvecklas på jorden. Men för att livet ska kunna bildas måste vi förklara ursprunget till organiska kemikalier och dessutom förekomsten av kemikalier i atmosfären. Trefil och Hazen (2007) föreslår att vi överväger hur tidigt jorden var efter att den bildades runt vår unga Sol (Tabell 1 Jordvetenskap). Även om åtta distinkta planeter bildades (Sans Pluto!), det fanns många, många planetesimaler i det tidiga solsystemet. Dessa planetesimaler varierade från storleken på stenblock till flera kilometer över. Jorden är liten jämfört med solen, men den var tillräckligt stor för att gravitationellt medföra många planetesimaler. När de krossade in i jorden om och om igen blev den fasta jorden halvflytande och tätare material sjönk till kärnan. Med tiden rensade jorden sitt planetariska grannskap av de flesta skräp; det är faktiskt en del av den accepterade definitionen av en planet (Resolution 6 från XXVIth generalförsamling i Prag: Definition av en Planet i solsystemet 2006). När mindre energi påverkade jorden slutade det stora bombardemanget och det kyldes. En skorpa bildades, som fångade gaser under. Gaser byggde så småningom upp tryck och utbröt i globala vulkaner. Om dagens vulkaner är någon guide, spydde de enkla gaser inklusive koldioxid, väte, metan, ammoniak och särskilt vattenånga. När jorden kyldes kondenserades atmosfäriskt vatten och föll som regn som fyllde hav med regnvatten. Blixten slog säkert denna tidiga roiling, laddade atmosfär. Vid denna tidpunkt har vi bara etablerat en trolig mekanism för att lokalisera enkla kolföreningar i atmosfären, men inte producera komplexa organiska ämnen. Vi måste fortfarande ta upp en enkel fråga-Hur kom kol in i organiska föreningar? Vi kan aldrig gå tillbaka i tiden, men vi kan försöka rekonstruera hur förhållandena var vid den tiden. Det var vad Stanley Miller och Harold Urey gjorde i sina berömda experiment på 1950-talet som visade hur förhållandena i tidig jord kunde leda till bildning av organiska molekyler (Miller 1953; Miller och Urey 1959). Ingen magi behöver åberopas, inga tricks av modern kemi introduceras, bara ett enkelt system av gaser, vatten och värme. Det kan finnas andra sätt att organiska föreningar kan introduceras till tidig jord; till exempel kan meteoriter innehålla organiska föreningar som kan överleva påverkan på jorden. Men det hände, jorden är och var säkert rik på organiska molekyler—en veritabel organisk soppa.

hur denna soppa gav liv är ett av vetenskapens stora olösta mysterier, och eleverna lär sig om de nuvarande ledande teorierna (Tabell 1 biovetenskap). Kanske hade det något att göra med hur fosfolipider bildar ihåliga bollar som innehåller blandningar av organiska kemikalier, kanske har det något att göra med hur RNA-molekyler kan fungera som både mall eller enzym eller kanske involverar det otaliga processer som vi ännu inte har upptäckt. Den ärliga vetenskapliga ståndpunkten är att vi inte vet svaret. Men vi påminner eleverna om att njuta av det okända, för det är det okända som driver forskare att resa med stjärnor och upptäcka. När livet väl bildats kunde den stora processen för evolutionär biologi spela ut, med naturligt urval som leder vägen. Kursen avslutas med en översikt över fossila fynd och biokemiska bevis som stöder teorin om biologisk evolution. Som Charles Darwin berömt sa i slutet av sin bok, “Det finns storhet i denna syn på livet, med dess flera krafter, som ursprungligen har andats in i några få former eller i en; och att medan denna planet har cyklat vidare enligt den fasta tyngdlagen, från en så enkel början oändliga former vackraste och mest underbara har utvecklats och håller på att utvecklas” (Darwin 1972). Vi hävdar att Charles Darwin skulle bli mycket imponerad och djupt rörd för att se att hans version av origins hade flyttats tillbaka till början av tid och materia.