L'origine des espèces au moyen de la sélection naturelle

Les questions que nous n'avons pas encore l'esprit de demander seront une préoccupation croissante de la science au cours des 50 prochaines années. C'est ce que le disque montre. Examiner l'état de la science plus d'un siècle auparavant, en 1899. Alors, comme aujourd'hui, les gens réfléchissent à la réalisations des 100 années précédentes. Un succès solide a été la preuve par John Dalton en 1808 que la matière est constituée d'atomes. Un autre a été la démonstration (par James Prescott Joule en 1851) que l'énergie est bien conservée et la conjecture plus tôt (par le physicien français Sadi Carnot), que l'efficacité avec laquelle une forme d'énergie peut être convertie en une autre est intrinsèquement limité: conjointement, ces faits nous ont donné ce qu'on appelle la thermodynamique et l'idée que les lois les plus fondamentales de la nature intégrer une "flèche du temps».

Il y avait aussi Charles Darwin, dont L'origine des espèces au moyen de la sélection naturelle (publié en 1859) visait à rendre compte de la diversité de la vie sur Terre, mais ne dit rien sur le mécanisme d'héritage, voire sur les raisons pour lesquelles les espèces différentes mais apparentées sont généralement mutuellement stériles. Enfin, dans le catalogue du 19ème siècle de contentement de soi, a été la démonstration James Clerk Maxwell de la manière dont l'électricité et le magnétisme peuvent être unifiées par un ensemble d'équations mathématiques sur des lignes strictement newtonien. Plus généralement, Newton's lois avaient été si bien affinée par une pratique qu'ils ont offert une solution pour tout problème dans le monde réel qui pourrait être définie avec précision. Qu'est-ce qu'un siècle merveilleux des années 1800 doivent avoir été!

Seules les personnes les plus perspicaces apprécié, en 1899, qu'il y avait des failles dans cette position. L'un d'entre eux était Hendrik Antoon Lorentz de LeidenUniversité dans le Pays-Bas, Qui a vu que la théorie de Maxwell implicitement incarné une contradiction: la théorie suppose qu'il doit y avoir un éther qui pénètre tout à travers lequel les perturbations électromagnétiques se propagent, mais il est beaucoup plus simple de supposer que le temps passe plus lentement sur un objet en mouvement par rapport à un observateur . C'était un petit pas de là (via Henri Poincaré de la Universitéde Paris) À la théorie spéciale Albert Einstein de la relativité, publié en 1905. La théorie spéciale, ce qui implique que la vitesse relative ne peut pas dépasser la vitesse de la lumière, falsifie Newton seulement philosophiquement: ni l'espace ni le temps, peut permettre une sorte de grille invisible contre lequel la position d'un objet, ou le moment où elle a atteint cette position, peut être mesurée. Il ya un siècle peu de gens semblent avoir apprécié que les AA Michelson et EW Morley, dans les années 1880, a réalisé une expérience dont l'interprétation la plus simple est que l'éther de Maxwell n'existe pas.

Pour les mécontents de, voire choqué par, à l'autosatisfaction qui règne de 1899, d'autres preuves amplement aurait laissé entendre que la science fondamentale acceptée est la position des ennuis. Les atomes étaient censés être indivisibles, alors comment pourrait-on expliquer ce qui paraissait être des fragments d'atomes, les électrons et les «rayons» émise par des atomes radioactifs, découvert en 1897? De même, bien que Darwin avait supposé que l'héritable (nous dirions aujourd'hui dire "génétique") les changements dans la constitution des individus sont toujours plus petits, la redécouverte des travaux de Gregor Mendel dans les années 1850 (principalement par Hugo de Vries aux Pays-Bas) a suggéré que des changements génétiques spontanées sont plutôt discrètes et substantielle. Cette évolution conduit, sous la direction de Thomas Hunt Morgan, à l'émergence de l'Université Columbia à New York comme la citadelle de ce qu'on appelle aujourd'hui la génétique classique (une expression inventée seulement en 1906) et à la reconnaissance dans les années 1930 que la contradiction entre le darwinisme et «Mendel-morganisme" (comme les Soviétiques dans les années 1950 est venu pour appeler travaux Britannique) n'est pas aussi nette que le premier avait l'air.

Maintenant, nous nous étonnons de la manière dont ces contradictions ont été résolues et à bien d'autres choses. Notre propre contentement avec notre siècle, surpasse celle de 1899. Non moins important est le sentiment de libération personnelle dont nous jouissons, qui découle à partir d'applications de la science dans les premières années de la centuryMarconi 20e relais de l'Atlantique avec les ondes radio et mile mesuré les frères Wright de vol dans un plus lourd que l'air. (Wilbur et Orville avait construit une soufflerie primitifs dans leur base à Ohioavant de risquer eux-mêmes en l'air.) Les communications et l'aviation industries se sont développées à partir de ces débuts. Nos bureaux sont encombrés de machines à calculer puissante que personne ne prévoyait, en 1900. Et nous sommes aussi beaucoup plus sain: pensez à la pénicilline!

Un catalogue de contentement

En sciences fondamentales, nous avons autant ou plus de se vanter que ne le 19ème siècle. Relativité spéciale n'est plus simplement Newtonphilosophiquement fait respectable. Grâce à son implication que l'espace et le temps doivent être traitées sur un pied d'égalité, il est devenu une pierre de touche cruciale de la validité des théories en physique fondamentale.

Les trois autres points de repère dans la science fondamentale de ce siècle ne sont guère prévue. Théorie générale d'Einstein de la relativité en 1915, qui aurait été mieux d'appeler sa "théorie relativiste de la gravitation," aurait été une surprise pour tous les lecteurs, mais proche d'Ernst Mach, physicien et philosophe viennois positiviste. En posant que les forces gravitationnelles sont partout une conséquence d'un champ de gravitation qui s'étend jusque dans les coins les plus reculés de l'univers, Einstein a lancé l'idée que la structure et l'évolution de l'univers sont inéluctablement liées. Mais même Einstein a été surpris quand Edwin Hubble découvrit en 1929 que l'univers est en expansion.

La mécanique quantique est un autre coup de tonnerre, même si les gens avaient reçu des informations inquiétantes sur les propriétés du rayonnement à partir d'objets chauds pendant près d'un demi-siècle. Le problème est d'expliquer comment il découle que le rayonnement d'un objet dépend essentiellement de sa température telle que la fréquence plus importante des émissions est directement proportionnelle à la température, du moins lorsque la température est mesurée à partir du zéro absolu (ce qui est de 273 degrés Celsius en dessous du point de congélation de l'eau, ou -459 degrés Fahrenheit, et qui avait été elle-même définie par la thermodynamique du 19ème siècle). La solution proposée par Max Planck en 1900 était que l'énergie est transférée entre un objet chaud et ses environs que dans le fini (mais très faible) des montants, appelé quanta. Le montant réel de l'énergie dans une boîte quantique dépend de la fréquence du rayonnement et, en effet, est proportionnelle à sa création. Planck a avoué à l'époque qu'il ne savait pas ce que cela voulait dire et la suite deviné que ses contemporains serait également perplexe.

Comme nous le savons, il a fallu un quart de siècle pour la difficulté de Planck à résoudre, grâce aux efforts de Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger et Paul Dirac, avec une petite armée de ce siècle les plus brillants et les meilleurs. Qui aurait pu deviner, en 1900, que le résultat de l'entreprise a commencé Planck serait un nouveau système de la mécanique, aussi complet que Newton dans le sens où elle est applicable à tous les problèmes bien posés, mais s'applique uniquement à des atomes, des molécules et les thereofelectrons parties et ainsi de suite?

Même maintenant, il ya des gens qui prétendent que la mécanique quantique est pleine de paradoxes, mais c'est une volonté délibérée (et souvent malicieux) lecture de ce qui s'est passé dans le premier quart de ce siècle. Notre compréhension intuitive de la façon dont les objets dans le monde macroscopique se comportent (incorporé dans Newton's lois) est basé sur la perception de nos sens, qui sont eux-mêmes les produits d'évolution de la sélection naturelle dans un monde où l'évitement d'objets macroscopiques (prédateurs) ou de leur capture (des aliments) aurait favorisé la survie de l'espèce. Il est difficile d'imaginer quel avantage sélectif nos ancêtres auraient gagné d'une capacité de sentir le comportement des particules subatomiques. La mécanique quantique n'est donc pas un paradoxe, mais plutôt une découverte de la nature de la réalité sur des échelles (de temps et de distance) qui sont très petites. De cette révélation a coulé notre compréhension actuelle de la façon dont les particules de la matière nucléaire mai se tiendra à compose de quarks et de cette réalisation exceptionnelle likean intellectuelle, toutefois provisoire, il mai être.

La troisième surprise de ce siècle a été suivie de la découverte de la structure de l'ADN par James D. Watson et Francis Crick en 1953. Ce n'est pas de suggérer que Watson et Crick ont été conscients de l'importance de leur découverte. Par le début des années 1950, il était devenu une source d'embarras que les gènes, que les Britanniquel'école de la génétique a montré sont disposées de façon linéaire le long des chromosomes, n'avait pas été attribué une structure chimique quelconque. La surprise était que la structure de l'ADN représenté non seulement pour la façon dont la descendance héritera de leurs caractéristiques physiques de leurs parents mais aussi pour des cellules individuelles dans tous les organismes survivent de milliseconde à la milliseconde à la manière dont la sélection naturelle les a façonnés. Le secret de la vie n'est plus caché.

A Catalogue of Ignorance

Tant à la mécanique quantique et la structure de l'ADN ont élargi notre compréhension du monde à un degré que leur auteur n'a pas et ne pouvait pas avoir prédit. Il n'existe aucun moyen de dire à qui la petite pierre renversée au cours des 50 prochaines années vont conduire à un tout nouveau monde de la science. Le mieux que l'on peut faire est de faire un catalogue de nos ignoranceof actuelle où il existe un grand dealand puis en extrapoler les tendances actuelles dans les recherches futures. Pourtant, même cette procédure suggère un ordre du jour pour la science dans le prochain demi-siècle qui correspond à son intérêt et d'enthousiasme tout ce qui s'est passé dans le siècle maintenant à sa fin. Nos enfants et nos petits-enfants seront fascinés.

Un prix maintenant presque prêt pour la prise est la reconstruction de l'histoire génétique de la race Homo sapiens, Homo sapiens. Un triomphe de la décennie écoulée a été l'effritement de la génétique de l'ontogenèse, la transformation d'un embryon fécondé dans l'âge adulte au cours de la gestation et la petite enfance. Le corps des plans d'animaux et les plantes apparaissent tout d'abord d'être façonné par des gènes d'un commun famille (appelée Hox gènes) et ensuite par une espèce en particulier les gènes du développement. Bien que les biologistes moléculaires ont encore du mal à comprendre comment la séquence hiérarchique des gènes du développement est régulée et comment les gènes qui ont fait leur travail sont ensuite mis à inactif, cela n'est qu'une question de temps avant que les gènes impliqués dans les étapes successives de développement de l'Homo sapiens sont énumérés dans l'ordre dans lequel ils interviennent.

Ensuite, il sera possible de dire à partir d'une comparaison entre l'Homo sapiens et, par exemple, le chimpanzé gènes quand et de quelle manière les différences cruciales entre sapienss Homo et les grands singes vu le jour. L'essence de l'histoire est connue par les archives fossiles: le cortex cérébral des hominidés a régulièrement augmenté au cours des 4,5 derniers millions d'années; hominidés étaient capables de marcher debout, Homo erectus 2,1 millions années auparavant, et la faculté du langage est sans doute apparu avec Ève mitochondriale peut-être il ya à 125.000 années. Connaître les bases génétiques de ces changements va nous donner une histoire plus authentique de notre espèce et une compréhension plus profonde de notre place dans la nature.

Cette compréhension apportera mémorable sous-produits. Mai il est possible d'inférer pourquoi certaines espèces d'hominidés, dont l'homme de Néandertal ne sont qu'un, n'a pas réussi à survivre aux temps modernes. Plus important est que l'histoire génétique de H. sapiens est susceptible d'être un test pour le mécanisme de la spéciation. En dépit de l'expression «origine des espèces» dans le titre de Darwin's grand article, l'auteur n'avait rien à dire sur pourquoi les membres d'espèces différentes sont généralement mutuellement stériles. Pourtant, la différence génétique la plus frappante entre sapienss Homo et les grands singes est que sapienss Homo ont 46 chromosomes (23 paires), alors que nos plus proches parents ont 48. (Une grande partie du chromosome manquant singe semble être à l'extrémité longue de l'Homo sapiens chromosome 2, mais d'autres fragments apparaissent ailleurs dans le génome de l'Homo sapiens, notamment sur le chromosome X). Il sera important pour la biologie en général à savoir si cette réorganisation des chromosomes a été la cause première de l'évolution de l'Homo sapiens ou s'il s'agit simplement d'une conséquence secondaire de mutation génétique.

Les 50 années à venir verront également une intensification des efforts en cours pour identifier les corrélations génétiques de l'évolution plus générale. La comparaison des séquences d'acides aminés des protéines similaires à partir d'espèces connexes ou des séquences de nucléotides dans related molecules acidsthe nucléiques ARN dans les ribosomes sont un favoriteis, en principe, une manière de dire l'âge de l'ancêtre commun des deux espèces. Il est simplement nécessaire de connaître la vitesse à laquelle les mutations se produisent naturellement dans les molécules concernées.

Mais ce n'est pas une question simple. Les taux de mutation diffèrent d'une protéine ou une molécule d'acide nucléique à l'autre et varient d'un endroit à l'autre le long de leur longueur. Construire une horloge plus fiable "moléculaire" doit être un objectif pour l'avenir proche. (La tâche est semblable, mais si quelque chose de plus redoutable que, l'effort de cosmologistes de bâtir une distance fiables échelle de l'univers.) Puis on est capable de deviner les causes des grands tournants dans l'évolution de la vie sur Earththe évolution du cycle de Krebs par laquelle toutes les cellules bactériennes, mais leur tour des produits chimiques dans l'énergie, l'origine de la photosynthèse, l'apparition des premiers organismes multicellulaires (maintenant fermement placées il ya plus de 2500 millions d'années).

Avec de la chance, le même effort sera également nous dire quelque chose sur le rôle des agents viruslike dans l'évolution rapide de la vie. Le génome de l'Homo sapiens est bourré de séquences d'ADN qui semblent être des fossiles d'acide nucléique d'une époque où l'information génétique a été aisément transférés entre des espèces différentes bien que les bactéries dans le monde moderne d'acquérir certains traits (comme la résistance aux antibiotiques) en échangeant des structures de l'ADN appelé plasmides. Nous ne saurons pas notre véritable place dans la nature jusqu'à ce que nous comprenons comment l'ADN, apparemment inutiles dans le génome de l'Homo sapiens (Crick, qui a été le premier à appeler "junk") ont contribué à notre évolution.

Comprendre tous les génomes complets dont la structure est connue ne sera pas, en soi, point de remonter à l'origine de la vie comme telle. Il convient, cependant, jeter plus de lumière sur la nature des choses vivantes dans ce qu'on appelle le monde à ARN qui est censé avoir précédé la vie principalement l'ADN qui nous entoure. Il est frappant et sûrement significatif de quelque chose que les cellules modernes utilisent encore des molécules d'ARN pour functionsas certains des éditeurs de base de l'ADN dans le noyau, par exemple, et que les modèles pour rendre les structures appelées télomères qui stabilisent les extrémités des chromosomes.

À un certain stade, mais probablement plus d'un demi-siècle à partir de maintenant, quelqu'un va faire une tentative sérieuse pour construire un organisme basé sur l'ARN dans les laboratoires. Mais le problème de l'origine de la vie contre les produits chimiques inorganiques a besoin de compréhension maintenant lackingnot moins une compréhension de la façon dont le flux de rayonnement, telle que celle du soleil peuvent, avec le temps, force la formation de complexes à partir de produits chimiques plus simples. Quelque chose de ce genre est connu pour se produire dans des nuages moléculaires géants au sein de notre galaxie, où les radioastronomes ont été de plus en plus les produits chimiques complexes, plus récemment fullerènes (communément appelé «boules de Bucky») tels que C60. La nécessité pour la compréhension de la relation entre la complexité et le flux de rayonnement. Il s'agit d'un problème dans la thermodynamique irréversible à laquelle trop peu d'attention a été payée.

En effet, les biologistes en général, ont payé trop peu d'attention aux aspects quantitatifs de leur travail au cours des dernières décennies trépidante. C'est compréhensible si l'on dispose de données tant d'intéressant (et important) afin d'être recueillies. Mais nous sommes déjà au point où une meilleure compréhension de la façon dont, par exemple, les cellules fonction est entravée par la simplification de la réalité aujourd'hui monnaie courante en biologie cellulaire et geneticsand par le torrent de données accumulées partout. Simplification? En génétique, il est de coutume de chercher (et de parler de) la «fonction» d'un gène nouvellement découvert. Mais que faire si la plupart des gènes dans le génome de l'Homo sapiens, ou tout au moins de leurs produits protéiques, ont plus d'une fonction, certaines peut-être même mutuellement antagonistes? Plain-comptes de la langue d'événements cellulaires sont alors susceptibles d'induire en erreur ou de sens que soutenue par des modèles quantitatifs de quelque nature.

Un exemple est l'horrible cycle de division cellulaire, dans lequel le nombre d'enzymes connues pour être impliquées semble avoir connu une croissance pendant les dernières années au taux d'une enzyme d'une semaine. C'est un succès considérable que représente un complexe de protéines qui fonctionne comme un déclencheur pour la division cellulaire (au moins dans la levure) a été identifié, mais pourquoi ce fonctions complexes comme un déclencheur et comment le trigger lui-même est déclenché par des influences à l'intérieur et l'extérieur d'une cellule sont des questions toujours sans réponse. Ils le resteront jusqu'à ce que les chercheurs ont construit des modèles numériques des cellules dans leur intégralité. Cette déclaration n'est pas tant une prévision comme un souhait.

En dépit de l'illusion dont nous jouissons que le rythme des découvertes s'accélère, il est important que, dans certains domaines des sciences, de nombreux objectifs semblent pouvoir être atteint que lentement et par un effort collectif considérable. Pour être sûr, les sondes spatiales étudient actuellement le système solaire sont généralement conçus une dizaine d'années avant leur lancement. Après un siècle de la sismologie, ce n'est que maintenant techniques de mesure et d'analyse suffisamment sensibles à la promesse que nous aurons bientôt une photo de l'intérieur de la planète sur laquelle nous vivons, celui qui montre des panaches de convection hausse des roches du manteau qui animent les plaques tectoniques à travers la surface de la Terre. Depuis les années 1960, les biologistes moléculaires ont eu le but de comprendre la manière dont les gènes d'organismes vivants sont réglementés, mais pas même la plus simple bactérie n'a pas encore été entièrement pris en compte. Et nous serons heureux si les corrélats neuraux de pensée sont identifiées dans le demi-siècle à venir. L'application de ce que nous savons déjà animeront les décennies qui nous attendent, mais il ya beaucoup de questions importantes auxquelles il sera répondu qu'avec beaucoup de difficultés.

Et nous serons surpris. La découverte des êtres vivants d'une espèce ailleurs dans la galaxie radicalement changer l'opinion générale de notre place dans la nature, mais il y aura des surprises plus subtiles, qui, nécessairement, ne peuvent pas être anticipés. Ils sont le moyen par lequel l'enregistrement des 500 dernières années de la science a été à plusieurs reprises animées. Ils sont aussi le moyen par lequel le demi-siècle à venir sera fascinent les praticiens et changer la vie du reste d'entre nous.

un article présenté par F. Donis

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