Wissenschaft und das Konzept der Evolution: Vom Urknall zum Ursprung und zur Entwicklung des Lebens

Die großartigste Geschichte von allen umfasst den Ursprung, die Entstehung und die Entwicklung unseres Universums, zu dem auch das Leben gehört. Dies ist die Geschichte, die wir in unserem allgemeinbildenden Kernkurs “Wissenschaft und das Konzept der Evolution” unterrichten.” In der Tat ist es eine großartige Geschichte, vereint durch die Majestät des Themas; Dennoch gibt es einen Überfluss an überzeugenden Nebenhandlungen. Eine Nebenhandlung ist eine perfekte Ergänzung zur übergreifenden Geschichte – die Art und Weise, wie Wissenschaftler das Universum in all seiner Pracht und Komplexität kennengelernt haben. An unserem College diskutieren Pädagogen heiß darüber, wie man Allgemeinbildung am besten vermittelt; Wir glauben, dass dieser Kurs viele der richtigen Töne trifft. Es umfasst Themen, die die grundlegende Realität unserer Existenz ansprechen. Darüber hinaus betont es das menschliche Bestreben der Wissenschaft. Dies sind genau die Arten von Lektionen, die für jeden College-Studenten wichtig sind; das heißt, das Universum ist groß, komplex, wunderbar und oft erkennbar. Der Kurs betont, was wir wissen, wie wir es gelernt haben und was unbekannt bleibt. Damit die Studierenden das Konzept verstehen, dass Wissenschaftler Prozesse, die einst unerkennbar schienen, grundlegend erklärt haben, gehört dies zu den wichtigsten Botschaften dieses Kurses. Die Wissenschaft ist lebendig und dynamisch und das universelle Unbekannte ist die Grenze, zu der Wissenschaftler als Entdecker segeln.

Das Universum in grundlegende Teile zerlegen: Materie, Kraft und Zeit

Wir argumentieren, dass die Schüler, um das Universum zu kennen, seine grundlegende Zusammensetzung kennen sollten. In dieser Einheit brechen wir das Universum in seine Grundbausteine. Zuerst stellen wir das Konzept des kleinsten Stücks Materie vor. Dazu erstellen wir jedoch nicht einfach eine Liste grundlegender Teilchen. Vielmehr erforschen wir die Nebenhandlung der Entdeckung. Wie haben die Menschen die grundlegenden Teile der Materie kennengelernt? Beginnend mit Demokrit átom und zeigt die Entwicklung der Atomtheorie durch eine Reihe von Wissenschaftlern (Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr, Pauli, Fermi: Struktur der Materie in Tabelle 1) Wir enden mit unserem aktuellen Wissensstand: sechs Quarks und sechs Leptonen.

Materie ist nicht bewegungslos, nicht in Raum und Zeit eingefroren; sie bewegt sich, manchmal dramatisch. Als nächstes diskutieren wir die drei Gesetze, die die Bewegung der Materie regeln, mit freundlicher Genehmigung von Isaac Newton. Natürlich bewegt sich Materie nicht magisch; Eine Kraft ist dafür verantwortlich (Tabelle 1 Physik). Daher halten wir mehrere Vorträge über die vier Grundkräfte, wobei wir der Schwerkraft und dem Elektromagnetismus besondere Aufmerksamkeit widmen. Diese beiden Kräfte sind zusammen mit der starken Kernkraft wesentlich für das Verständnis der nächsten Einheit, die zum Teil das Leben und den Tod von Sternen abdeckt. Sobald die Konzepte von Materie und Kraft etabliert sind, gehen wir zu den Grundlagen der Thermodynamik über (Tabelle 1 Chemie). Keine Diskussion über das Universum kann ohne ein gewisses Verständnis beider Gesetze abgeschlossen sein. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik ist absolut notwendig, um den folgenden Punkt zu machen: Nichts im Universum ist magisch; das heißt, wann immer ein Objekt Energie emittiert oder nutzt, muss diese Energie von irgendwoher kommen. In der nächsten Einheit wird dieses grundlegende Konzept verwendet, um einen wichtigen Punkt über Sterne zu machen — sie sterben. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik ist nicht weniger wichtig. Es stellt eine Abfolge von Ereignissen fest: Ordnung geht in Unordnung, Wärme fließt von heißen zu kalten Körpern, und Energie geht unter Freisetzung von Wärme von einer konzentrierten Form in eine weniger konzentrierte Form über. Mit anderen Worten, das zweite Gesetz diktiert den Pfeil der Zeit. Voilá, wir haben es geschafft! Das Universum zerfällt in Materie, Kraft und Zeit mit einer Handvoll Gesetzen, die sie regieren.

Das Universum neu zusammensetzen

Etwas zu wissen bedeutet, mehr zu wissen als die grundlegenden Bausteine. Wenn Ihnen jede der 11 Billionen Zellen eines Menschen einzeln präsentiert würde, würden Sie kaum verstehen, was es bedeutet, ein Mensch zu sein — so auch für das Universum. Daher wollen wir in dieser Einheit das Universum zu einer kohärenten Einheit zusammenfügen, die aus grundlegenden Bausteinen besteht. Das Buch, das wir für den Kurs verwenden, The Sciences von Trefil und Hazen (2007), hat einen faszinierenden Ansatz, der für die erste Präsentation in dieser Einheit verwendet wird. Stellen Sie sich die erste Person vor, die in der Lage ist, eine Frage zu stellen (vielleicht einer unserer hominiden Vorfahren), die aus einem Schlummer auftaucht und in den Nachthimmel schaut. Sie stellten sicherlich eine offensichtliche Frage: “Was sind diese Lichtpunkte?” So wurde die Astronomie geboren. In dieser Klasse wird den Schülern die gleiche Frage gestellt, nur erlauben wir ihnen, die grundlegenden Informationen zu verwenden, die sie in der vorherigen Einheit gelernt haben. So folgt eine bemerkenswerte logische Folge: Sterne emittieren Licht; Licht ist elektromagnetische Energie; Sterne sind nicht magisch und müssen daher eine andere Form von Energie in Licht umwandeln; Sterne haben kein unendliches Volumen, daher wird ihnen eines Tages die Energie ausgehen; Alle Sterne werden sterben; und schließlich, wenn alle Sterne sterben, wurden alle Sterne geboren. Aus dieser Diskussion ergeben sich natürlich zwei Fragen:

• Wie werden Sterne geboren?

• Wie sterben Sterne?

Die Antworten auf diese Fragen sind für sich genommen wunderbar, aber sie sind wichtig, um den Ursprung des Lebens selbst zu verstehen, denn in der Schmiede der thermonuklearen Fusion wurden die Elemente des Lebens erzeugt. Indem wir die Prozesse von Sterngeburt und -tod detailliert beschreiben, konstruieren wir eine Vielzahl von Sternen: Hauptreihensterne (von sonnengroßen gelben Sternen bis zu blauen Riesen), rote Riesen, superrote Riesen, weiße Zwerge, schwarze Zwerge, Neutronensterne und Schwarze Löcher. Die Kenntnis des Ursprungs und der Eigenschaften dieser Sterngruppe macht den entscheidenden Punkt deutlich, dass sich unsere Vorstellungen über die generativen Prozesse und die Zusammensetzung des Universums weiterentwickelt haben, da sich die Werkzeuge zur Untersuchung des Universums verbessert haben (Tabelle 1 Kosmologie und Astronomie des Sonnensystems).

Als typisches Beispiel betrachten wir die Art und Weise, wie Astronomen Entfernungen zu Sternen messen. Die Triangulation mit trigonometrischen Funktionen zur Entfernungsmessung funktioniert gut für Sterne in der Nähe. Vor leistungsstarken Teleskopen gab es jedoch eine Reihe von “unscharfen Sternen”, die viel zu weit entfernt waren, um mit dieser Technik gemessen zu werden (Trefil und Hazen 2007). Edwin Hubble verwendete Cepheid-Variablen (eine spezielle Art sterbender Sterne, die ihre absolute Helligkeit durch die Dauer ihres Aufhellungs- / Dimmzyklus offenbart), um festzustellen, dass die sogenannten Fuzzy-Sterne wirklich Sternhaufen waren, die erstaunlich weit entfernt waren (Trefil und Hazen 2007); Wir erkennen diese jetzt als Galaxien. Die uns am nächsten gelegene Galaxie ist Andromeda, 2, 5 Millionen Lichtjahre entfernt! Hubble hat uns geholfen, die Unermesslichkeit des Universums zu erkennen. In der Tat hat die Anordnung von Galaxien im Universum eine großräumige Struktur, in der Galaxien in Clustern und Gruppierungen vorkommen. Hubbles Entdeckung der Unermesslichkeit des Universums veränderte unser Verständnis des Universums erheblich, aber er war nicht damit fertig, uns zu überraschen. Mit Hilfe der Lichtspektroskopie (die gleiche Technik wird von Studenten im Labor durchgeführt) entdeckte Hubble, dass sich alle Galaxien von uns entfernen; Je weiter weg, desto schneller bewegen sie sich (Livio 2000). Hubble stellte fest, dass nur die universelle Expansion ein solches Ergebnis erklären konnte! Zum zweiten Mal hat Hubble die Art und Weise, wie wir das Universum sehen, dramatisch verändert. Hubbles Entdeckung unterstreicht auf dramatische Weise, dass das Universum voller Überraschungen ist und dass Wissenschaftler bereit sein müssen, sie innerhalb des bestehenden Rahmens zu interpretieren oder gegebenenfalls neue Erklärungen zu entwickeln.

Das Universum ist groß (eigentlich unendlich), und Überraschungen scheinen eher die Norm als die Ausnahme zu sein. 1998 nannte das Wissenschaftsmagazin die Entdeckung, dass das Universum nicht nur expandiert, sondern auch expandiert, als “Durchbruch des Jahres” (Glanz 1998). An diesem Punkt in der Klasse haben wir festgestellt, wie Sterne entstehen und sterben, wie sie in Galaxien gesammelt werden, wie die Galaxien im Raum angeordnet sind und wie sie ständig mit einer beschleunigenden Geschwindigkeit voneinander wegzoomen! Nicht schlecht für eine Einheit in einem allgemeinen naturwissenschaftlichen Unterricht, aber die Geschichte endet hier nicht. Nein; bemerkenswerterweise haben Wissenschaftler mit Teilchenbeschleunigern mit großer Präzision festgestellt, wie die Bedingungen des Universums in den ersten Augenblicken nach dem Urknall waren. Zum Beispiel erstarrte 10-35 s nach dem Urknall die starke Kraft und bei 10-10 s existierten alle vier fundamentalen Kräfte als separate Einheiten. Die erstaunliche Energie und Expansion des frühen Universums führte zu einem wichtigen Phänomen für das Verständnis des Ursprungs des Lebens; Das heißt, eine schnelle Expansion verhinderte die Bildung schwererer Elemente durch Fusion. Die überwiegende Mehrheit der Materie im Universum besteht aus Wasserstoff, Helium und Lithium; alles andere ist selten. Aber Wasserstoff, Helium und Lithium werden einfach nicht für das Leben ausreichen. Um das Leben zu erklären, müssen wir den Ursprung schwererer Elemente erklären: Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und viele andere, insbesondere aber Kohlenstoff. Außerdem müssen wir erklären, wie sie hier in unserem Sonnensystem zu uns gekommen sind.

An dieser Stelle untersucht eine Review-Session Bilder vom Hubble-Teleskop. Die Schüler bestaunen Bilder von planetarischen Nebeln, die ihren Inhalt in diametral entgegengesetzten Gasstrahlen ausspucken, und elegante Spiralgalaxien (eines der schönsten Objekte im Universum). Wir beenden mit Bildern der Tiefenfelddurchmusterung von Galaxien. Nur wenige Bilder sind aufrüttelnder – Galaxie um Galaxie um Galaxie stapelten sich nacheinander bis an die Ränder des Universums, Jede Galaxie besitzt Millionen, Milliarden oder sogar Billionen von Sternen. Wenn ein Ziel der Allgemeinbildung darin besteht, unseren Schülern ein Gefühl für Ort und Maßstab zu vermitteln, Was könnte effektiver sein als ein tiefes Verständnis des Universums? Andererseits ist es nicht unsere Absicht, sie klein und unbedeutend fühlen zu lassen. Als Gegenmittel zu diesem natürlichen Gefühl, winzig zu sein, wird das folgende Zitat aus Alan Dresslers 1994 erschienenem Buch Voyage to the Great Attractor (Dressler 1994) gelesen.

Wir ziehen weiterhin die falsche Lehre aus dem, was wir jetzt lernen. Ein Astronaut, der auf einem Gemini-Flug einen Weltraumspaziergang gemacht hatte, wurde kürzlich gefragt, ob die Erfahrung ihn verändert habe. Er sei beeindruckt gewesen, erinnerte er sich, wie klein und unbedeutend die Erde und das menschliche Abenteuer waren, “wie eine Ameise, die durch die Sahara kriecht.” Genau. Die Ameise, astronomisch zahlenmäßig unterlegen von den Sandkörnern, überwältigt von der Größe der unwirtlichen Wüste, ist dennoch bei weitem das größere Wunder.

Es ist an der Zeit, eine Bestandsaufnahme der Entdeckung zu machen, dass das Leben das komplexeste ist, was wir im Universum kennen, und als solches unserer Bewunderung am meisten würdig ist. Ja, das Universum stellt unsere Welt an Größe und immenser Kraft in den Schatten. Aber das Universum der Sterne, Galaxien und weiten Buchten des Weltraums ist so sehr, sehr einfach im Vergleich zu uns und unseren anderen Lebensformen. Wenn wir nur lernen könnten, das Universum mit Augen zu betrachten, die blind für Macht und Größe sind, aber scharf auf Subtilität und Komplexität, dann würde unsere Welt eine Galaxie von Sternen überstrahlen. In der Tat sollten wir das Universum für seine Majestät bestaunen, aber wir müssen wirklich Ehrfurcht vor seiner größten Errungenschaft haben — dem Leben.

Während die Aussage mehr Metapher als Wissenschaft ist, ist der Ursprung und die Entwicklung des Lebens sicherlich eine Leistung, die es wert ist, in einem allgemeinbildenden naturwissenschaftlichen Unterricht erforscht zu werden. Darüber hinaus ermöglicht uns dieser Kurs, diese großartige Geschichte im größeren physikalischen und chemischen evolutionären Kontext so zu gestalten, wie es reine Biologiekurse nicht können. Lebende Organismen bestehen aus Partikeln, die in Atomen angeordnet sind, um verschiedene Elemente zu bilden, die in einer schwindelerregenden Reihe von Molekülen angeordnet sind, die entsprechend ihren chemischen Eigenschaften interagieren. Wie sind diese Chemikalien entstanden und wie sind sie auf die Erde gekommen? Der erste Punkt, den wir in dieser letzten Einheit angehen, ist das Leben zu definieren. Wie so vieles in der Biologie ist es komplexer als es zunächst scheint. Trefil und Hazen (2007) behandeln die Fragen, indem sie Eigenschaften auflisten, die die meisten bekannten lebenden Organismen teilen:

1. Alle Lebewesen behalten ein hohes Maß an Ordnung und Komplexität bei.

2. Alle Lebewesen sind Teil eines größeren Systems von Materie und Energie.

3. Alles Leben hängt von chemischen Reaktionen ab, die in Zellen stattfinden.

4. Alles bekannte Leben benötigt flüssiges Wasser.

5. Organismen wachsen und entwickeln sich.

6. Lebewesen regulieren ihren Energieverbrauch und reagieren auf ihre Umwelt.

7. Alle Dinge teilen den gleichen genetischen Code, der von den Eltern an die Nachkommen weitergegeben wird.

8. Alle Lebewesen stammen von einem gemeinsamen Vorfahren ab.

Die ersten beiden Punkte sind Konzepte, die sich direkt auf frühere Diskussionen über die Gesetze der Thermodynamik beziehen. Man sollte vorsichtig sein, darauf hinzuweisen, dass diese beiden Punkte nicht implizieren, dass das Leben den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verletzt, sondern dass lebende Systeme offene Systeme sind, Energie empfangen können und somit frei sind, lokalisierte Zunahmen in der Reihenfolge zu erfahren. Etwas mehr Zeit wird mit Punkt 3 verbracht. Zuerst untersuchen wir die erstaunliche Vielfalt des Lebens auf dem Planeten. Als nächstes diskutieren wir die Komplexität der Formen, Größen und die noch größere Vielfalt chemischer Reaktionen, die in lebenden Systemen ablaufen (Tabelle 1 Chemie). Trotz der Komplexität des Lebens und seiner Biochemie ist jedes Element des Periodensystems in der Zusammensetzung lebender Organismen nicht gleich vertreten. In der Tat ist kein Element für das Verständnis des Lebens zentraler als Kohlenstoff. Wenn es in lebenden Systemen eine so große Komplexität von Form und Chemie gibt, dann sollte es besser einen flexiblen Baustein geben; das ultimative Aufrichterset, wenn man so will. Carbon ist etwas Besonderes. Seine Fähigkeit, stabile kovalente Bindungen mit vier anderen Atomen, einschließlich eines weiteren Kohlenstoffatoms, zu bilden, ermöglicht sehr große, komplexe Moleküle. Die Geschichte der Ursprünge des Lebens muss daher eine noch grundlegendere Frage angehen. Wenn das Leben von der Chemie des Kohlenstoffs abhängt, woher kommt Kohlenstoff? Bei der Beantwortung dieser grundlegenden Frage, Wir entdecken auch den Ursprung von vier anderen Elementen aus dieser oft zitierten Mnemonik aus dem Einführungsunterricht in Biologie, CHiNOPS: kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel (Wasserstoff, der während der ersten Sekunde des Urknalls gebildet wird), die alle für das bekannte Leben essentiell sind und als ein ziemlich großer Prozentsatz der trockenen Biomasse gefunden werden. Deshalb bezeichnen Biologen diese als essentielle Makroelemente. In diesem Kurs zeigen wir den Schülern einige beeindruckend komplexe organische Moleküle in jeder der folgenden Arten von Verbindungen: Lipide, Proteine, Kohlenhydrate und Nukleinsäuren, und einige Lehrer integrieren ein Labor mit molekularen Modellen oder molekularer Modellierungssoftware.

Es gibt auch eine Reihe von Mikroelementen, die essentiell sind, jedoch in viel geringeren Mengen. Dazu gehören einige schwerere Elemente wie Eisen, Jod und Zink. Woher kommen alle wesentlichen Elemente? In der Reassembling the Universe Unit untersuchen wir die Prozesse von Sternengeburt und -tod. Die Schüler lernen, dass alle Hauptreihensterne von der Größe unserer Sonne und größer schließlich einer Heliumfusion unterzogen werden, die zur Bildung von Kohlenstoff führt. Größere Sterne weisen Fusionsschichten auf, die zu Elementen führen, die noch massereicher sind als Kohlenstoff, einschließlich Phosphor und Stickstoff. Tatsächlich werden Hauptreihensterne, die mindestens achtmal größer sind als unsere Sonne, irgendwann einen Kern haben, der zu Eisen führt. Kein Druck im Kern eines Sterns kann Eisen zum Schmelzen bringen, so dass es das schwerste Element ist, das in den Kernen von Sternen gebildet wird. Die Studierenden können die Prozesse identifizieren und weitgehend erklären, die zur Entstehung von Kohlenstoff und fast jedem anderen wesentlichen Element führen — der Fusion in Sternkernen. Aber es gibt noch einige offene Fragen, über die die Schüler nachdenken müssen. Erstens sind einige wesentliche Elemente massiver als Eisen, zum Beispiel Jod. Woher kommen Elemente, die schwerer als Eisen sind? Zweitens, wie sind Kohlenstoff und all die anderen essentiellen Elemente in unser Sonnensystem gelangt?

Die Antwort auf beide Fragen ist dieselbe — Supernova. In Typ-I-Supernovae zieht ein weißer Zwerg (ein heißer Kohlenstoff / Sauerstoff-Überrest eines sonnengroßen Sterns) das Gas schnell von seinem binären Partner ab, was zu einer schnellen Ansammlung von Masse und Druck und letztendlich zur Detonation des ehemaligen weißen Zwergs führt (Trefil und Hazen 2007). In Typ-II-Supernovae kollabiert der Eisenaschenkern eines großen Sterns katastrophal zu einem Neutronenkern, der zurückprallt und in Milliarden von Kilometern fallender Masse zerschmettert. In jedem Fall ist die Energie monströs. Die Energie, die in einer Supernova eines beliebigen Typs erzeugt wird, übersteigt die Energie, die in diesem Moment von allen Sternen in einer Galaxie emittiert wird. Die in einer Supernova erzeugte Energie reicht aus, um jedes Element des Periodensystems zu verschmelzen, einschließlich Jod und anderen schwereren bioessentiellen Elementen. Nach der Supernova werden Gase, die mit jedem Element des Periodensystems ausgesät werden, mit einem signifikanten Teil der Lichtgeschwindigkeit geschleudert. Dies bedeutet, dass irgendwann in der Vergangenheit eine Supernova Materialien dorthin gesprengt hat, wo sich unser Sonnensystem jetzt befindet. Diese Gase bildeten sich entweder oder fügten sich zu einem Nebel hinzu, einer riesigen Wolke aus Gas und Trümmern, die schließlich zu unserem Sonnensystem führte. Durch die sorgfältige Entwicklung der Abfolge von Ereignissen, die zu einem roten Riesen und letztendlich zu einer Supernova führen, wissen die Schüler jetzt, woher alle Elemente, einschließlich Kohlenstoff, stammen und wie sie dorthin gekommen sind, wo sich das Sonnensystem derzeit befindet. Obwohl wir nicht einmal annähernd die Ursprünge des Lebens erklärt haben, haben wir zumindest die Ursprünge der Elemente erklärt, aus denen das Leben besteht, und darüber hinaus, wie sie in die Nachbarschaft der Erde gelangt sind.

Es ist eine Sache, Kohlenstoff und alle anderen wesentlichen Elemente in einem Nebel zu platzieren. Es ist etwas ganz anderes, sie auf einem Planeten zu lokalisieren. Wie sind diese Elemente dann auf der Erde gelandet? Astronomen berufen sich normalerweise auf eine Version der Nebelhypothese. In dieser Hypothese beginnen sich Nebelgase tief in der Wolke, die von Wasserstoff und Helium dominiert werden, gravitativ zusammenzuziehen. Aber anstatt sich einfach zu einer Kugel zusammenzuziehen, beginnt die Wolke eine Drehbewegung zu entwickeln. Diese Rotation spuckt dünne Materiescheiben aus. Obwohl es im Verhältnis zur zentralen Masse und zur ultimativen Quelle der Sonnenmasse dünn ist, ist es immer noch beträchtlich genug, um aufgrund der Schwerkraft lokalisierte Massensammlungen zu bilden. Die Erde ist eine dieser Massen, die sich in der Scheibe unserer sich entwickelnden Sonne gebildet haben. Wie seine drei inneren Begleiter des Sonnensystems bildete sich die Erde als kleiner felsiger Planet, der alle bioessentiellen Elemente besaß.

An diesem Punkt in der Klasse haben wir festgestellt, wie Kohlenstoff und alle Elemente auf der Erde gewickelt sind. Damit sich jedoch Leben bilden kann, müssen wir die Ursprünge organischer Chemikalien und darüber hinaus das Vorhandensein von Chemikalien in der Atmosphäre erklären. Trefil und Hazen (2007) schlagen vor, dass wir überlegen, wie die frühe Erde war, nachdem sie sich um unsere junge Sonne gebildet hatte (Tabelle 1 Geowissenschaften). Obwohl sich acht verschiedene Planeten gebildet haben (ohne Pluto!), gab es viele, viele Planetesimale im frühen Sonnensystem. Diese Planetesimale reichten von der Größe von Felsbrocken bis zu mehreren Kilometern Durchmesser. Die Erde ist im Vergleich zur Sonne klein, aber groß genug, um viele Planetesimale gravitativ mitreißen zu können. Als sie immer wieder in die Erde einschlugen, wurde die feste Erde halbflüssig und dichtere Materialien sanken bis zum Kern. Im Laufe der Zeit räumte die Erde ihre planetarische Nachbarschaft von den meisten Trümmern; dies ist in der Tat Teil der akzeptierten Definition eines Planeten (Resolution 6 der XXV. Generalversammlung in Prag: Definition eines Planeten im Sonnensystem 2006). Als weniger Energie auf die Erde einwirkte, endete das große Bombardement und es kühlte ab. Es bildete sich eine Kruste, die Gase darunter einschloss. Gase bauten schließlich Druck auf und brachen in globalen Vulkanen aus. Wenn die heutigen Vulkane ein Leitfaden sind, spuckten sie einfache Gase aus, darunter Kohlendioxid, Wasserstoff, Methan, Ammoniak und insbesondere Wasserdampf. Als die Erde abkühlte, kondensierte atmosphärisches Wasser und fiel als Regen, der die Ozeane mit Regenwasser füllte. Der Blitz hat diese frühe, aufgewühlte, aufgeladene Atmosphäre sicherlich geschnürt. Zu diesem Zeitpunkt haben wir nur einen plausiblen Mechanismus zur Lokalisierung einfacher Kohlenstoffverbindungen in der Atmosphäre etabliert, aber keine komplexen organischen Stoffe. Wir müssen uns noch mit einer einfachen Frage befassen — Wie ist Kohlenstoff in organische Verbindungen gelangt? Wir können nie in der Zeit zurückgehen, aber wir können versuchen zu rekonstruieren, wie die Bedingungen damals waren. Das haben Stanley Miller und Harold Urey in ihren berühmten Experimenten in den 1950er Jahren getan, die zeigten, wie die Bedingungen der frühen Erde zur Bildung organischer Moleküle führen könnten (Miller 1953; Miller und Urey 1959). Es muss keine Magie beschworen werden, keine Tricks der modernen Chemie eingeführt werden, nur ein einfaches System aus Gasen, Wasser und Wärme. Es kann andere Möglichkeiten geben, wie organische Verbindungen in die frühe Erde eingeführt werden können; Zum Beispiel können Meteoriten organische Verbindungen enthalten, die den Aufprall auf die Erde überleben können. Wie auch immer es geschah, die Erde ist und war reich an organischen Molekülen – eine wahre organische Suppe.

Wie diese Suppe Leben hervorbrachte, ist eines der großen ungelösten Rätsel der Wissenschaft, und die Schüler lernen die derzeit führenden Theorien kennen (Tabelle 1 Life Sciences). Vielleicht hatte es etwas damit zu tun, wie Phospholipide Hohlkugeln bilden, die Mischungen organischer Chemikalien enthalten, vielleicht hat es etwas damit zu tun, wie RNA-Moleküle sowohl als Vorlage als auch als Enzym fungieren können, oder vielleicht beinhaltet es unzählige Prozesse, die wir noch nicht aufgedeckt haben. Die ehrliche wissenschaftliche Haltung ist, dass wir die Antwort nicht kennen. Aber wir erinnern die Schüler daran, das Unbekannte zu genießen, denn es ist das Unbekannte, das Wissenschaftler antreibt, mit Sternen zu reisen und zu entdecken. Sobald sich das Leben gebildet hat, könnte sich der große Prozess der Evolutionsbiologie abspielen, wobei die natürliche Selektion den Weg weist. Der Kurs schließt mit einem Überblick über den Fossilienbestand und biochemische Beweise, die die Theorie der biologischen Evolution unterstützen. Wie Charles Darwin am Ende seines Buches berühmt sagte: “Es gibt Größe in dieser Ansicht des Lebens, mit seinen verschiedenen Kräften, die ursprünglich in einige Formen oder in eine eingeatmet wurden; und während dieser Planet nach dem festen Gesetz der Schwerkraft weitergefahren ist, haben sich von so einfachen Anfängen endlose Formen entwickelt, die schönsten und wunderbarsten” (Darwin 1972). Wir behaupten, dass Charles Darwin sehr beeindruckt und tief bewegt wäre, wenn er sehen würde, dass seine Version der Ursprünge an den Anfang von Zeit und Materie zurückversetzt worden wäre.