Origin of Species by Means of Natural Selection

Le domande che non hanno ancora lo spirito di chiedere sarà una preoccupazione crescente della scienza nei prossimi 50 anni. Questo è ciò che mostra record. Esaminerà lo stato della scienza più di un secolo fa, nel 1899. Allora, come oggi, la gente si riflette sui risultati dei precedenti 100 anni. Un successo concreto è stato la prova di John Dalton nel 1808 che la materia è costituita di atomi. Un altro è stata la dimostrazione (da James Prescott Joule nel 1851) che l'energia è infatti conservato e le congetture precedenti (dal fisico francese Sadi Carnot) che l'efficienza con la quale una forma di energia può essere convertita in un altro è intrinsecamente limitato: insieme, questi sviluppi ci ha dato quello che viene chiamato termodinamica e l'idea che le leggi fondamentali della natura incorporano una freccia del tempo ".

C'era anche Charles Darwin, il cui Origin of Species by Means of Natural Selection (pubblicato nel 1859) pretesa di spiegare la diversità della vita sulla Terra, ma non disse nulla a proposito del meccanismo di successione o anche sui motivi per cui diverse specie, ma di solito sono legati reciprocamente sterili. Infine, nel catalogo del 19 ° secolo di auto-soddisfazione, è stata la dimostrazione James Clerk Maxwell di come l'elettricità e magnetismo può essere unificati da una serie di equazioni matematiche su linee strettamente newtoniana. Più in generale, Newton's leggi era stata così ben rifinita da una pratica che hanno offerto una soluzione per ogni problema del mondo reale che potrebbe essere definita con precisione. Un secolo che cosa meravigliosa del 1800 deve essere stato!

Solo le persone più perspicace apprezzati, nel 1899, che c'erano difetti in quella posizione. Uno di questi era di Hendrik Antoon Lorentz LeidenUniversità nel Paesi Bassi, Che ha visto che la teoria di Maxwell implicitamente incarnato una contraddizione: la teoria suppone che ci debba essere un etere che pervade tutto attraverso il quale le perturbazioni elettromagnetiche si propagano, ma è molto più semplice pensare che il tempo passa più lentamente su un oggetto in movimento rispetto a un osservatore . E 'stato un piccolo passo da lì (via Henri Poincaré del Universitàdi Paris) Alla teoria di Albert Einstein della relatività, pubblicata nel 1905. La teoria speciale, il che implica che la velocità relativa non può superare la velocità della luce, falsifica Newton solo filosoficamente: né spazio né tempo in grado di fornire una sorta di griglia invisibile contro il quale la posizione di un oggetto, o il momento in cui si raggiunge tale posizione, può essere misurata. Un secolo fa, poche persone sembrano aver apprezzato il fatto che AA Michelson e EW Morley, nel 1880, aveva condotto un esperimento la cui interpretazione più semplice è che l'etere di Maxwell non esiste.

Per coloro che delusi da, o addirittura offesi dai, la compiacenza prevalente del 1899, ampio altre prove dovrebbero avere accennato al fatto che la scienza fondamentale è stato accettato voce nei guai. Atomi avrebbero dovuto essere indivisibile, così come si può spiegare quello che sembrava essere frammenti di atomi, elettroni e raggi "emesse dagli atomi radioattivi, scoperto nel 1897? Allo stesso modo, anche se Darwin aveva supposto che il ereditabili (ci sarebbe ora dire "genetica") i cambiamenti nella costituzione degli individui sono sempre più piccole, la riscoperta del lavoro di Gregor Mendel nel 1850 (principalmente da Hugo de Vries in Olanda) hanno suggerito che le mutazioni genetiche spontanee sono, piuttosto, discreta e sostanziale. Che lo sviluppo ha portato, sotto la guida di Thomas Hunt Morgan, per l'emergere della Columbia University di New York City, come la cittadella di ciò che ora è chiamato genetica classica (una frase coniata solo nel 1906) e al riconoscimento nel 1930 che la contraddizione tra darwinismo e "Mendel-Morganism" (come i sovietici nel 1950 sono venuto a chiamare il lavoro della Columbia), non è così forte come sembrava prima.

Ora ci meraviglia di come queste contraddizioni sono stati risolti e molto altro. La nostra soddisfazione personale con il nostro secolo, supera quella del 1899. Non meno importante è il senso di liberazione personale di cui godiamo, che deriva dalle applicazioni della scienza nei primissimi anni del centuryMarconi 20 di colmare l'Atlantico con le onde radio e miglia misurate dei fratelli Wright 'di volo in una più pesante dell'aria macchina. (Wilbur e Orville aveva costruito una galleria del vento primitiva alla loro base in Ohioprima di rischiare se stessi in alto.) Le comunicazioni e le industrie di trasporto aereo sono cresciute da quegli inizi. I nostri banchi sono ingombra di macchine di calcolo potente che nessuno aveva previsto nel 1900. E siamo anche molto più sano: pensate della penicillina!

Un catalogo di contentezza

Nella scienza fondamentale, abbiamo tanto quanto o più di cui vantarsi che ha fatto il 19 ° secolo. La relatività speciale non è più solo Newtonfatto filosoficamente rispettabile. Attraverso la sua implicazione che spazio e tempo devono essere trattati su un piano di parità, è diventato un banco di prova determinante della validità delle teorie della fisica fondamentale.

Gli altri tre punti di riferimento nel campo della scienza fondamentale di questo secolo sono stati appena previsto. Teoria generale della relatività di Einstein, nel 1915, che sarebbe stato meglio chiamare la sua "teoria relativistica della gravitazione," sarebbe stata una sorpresa per tutti, ma chiudere i lettori di Ernst Mach, il fisico e filosofo viennese positivista. Postulando che le forze gravitazionali in tutto il mondo sono una conseguenza di un campo gravitazionale che raggiunge gli angoli più lontani del cosmo, Einstein ha lanciato l'idea che la struttura e l'evoluzione dell'universo sono inevitabilmente collegate. Ma anche Einstein è stato sorpreso quando Edwin Hubble scoprì nel 1929 che l'universo è in espansione.

La meccanica quantistica è stato un altro fulmine a ciel sereno, anche se le persone erano state preoccupanti sulle proprietà della radiazione da oggetti caldi per quasi mezzo secolo. Il problema era quello di spiegare come nasce che le radiazioni emesse da un oggetto dipende in maniera determinante la sua temperatura in modo tale che la frequenza più importanti nel quadro di emissione è direttamente proporzionale alla temperatura, almeno quando la temperatura è misurata dal zero assoluto (che è 273 gradi al di sotto del punto di congelamento dell'acqua, o -459 gradi Fahrenheit, e che era stata a sua volta definito da 19-termodinamica secolo). La soluzione offerta da Max Planck nel 1900 è stato che l'energia è trasferita tra un corpo caldo e dintorni solo in finite (ma molto piccoli) ammonta, chiamate quanti. La quantità effettiva di energia in un quantum dipende dalla frequenza della radiazione e, anzi, è proporzionale ad essa. Planck ha confessato al momento che egli non sapeva che cosa significa questo risultato e di immaginare che i suoi contemporanei sarebbe anche perplessi.

Come sappiamo, ha preso un quarto di secolo, per la difficoltà di Planck per essere risolto, grazie agli sforzi di Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger e Paul Dirac, insieme con un piccolo esercito di questo secolo migliori e più brillanti. Chi avrebbe immaginato, nel 1900, che l'esito dell'impresa Planck sarebbe iniziato un nuovo sistema della meccanica, il più completo di Newton, nel senso che esso si applica a tutti i problemi ben posto, ma si applica solo agli atomi, molecole e la thereofelectrons parti e così via?

Anche ora ci sono persone che sostengono che la meccanica quantistica è piena di paradossi, ma questa è una deliberata (e spesso malizioso) lettura di ciò che è accaduto nel primo trimestre di questo secolo. La nostra comprensione intuitiva di come gli oggetti nel mondo macroscopico si comportano (contenuti nel Newton's leggi) si basa sulla percezione dei nostri sensi, che sono essi stessi i prodotti evolutivo della selezione naturale in un mondo in cui l'evasione degli oggetti macroscopici (predatori) o la loro cattura (alimentari) avrebbe favorito la sopravvivenza della specie. E 'difficile immaginare cosa vantaggio selettivo, i nostri antenati avrebbero guadagnato da una capacità di percepire il comportamento delle particelle subatomiche. La meccanica quantistica non è quindi un paradosso, ma piuttosto una scoperta sulla natura della realtà su scale (di tempo e distanza), che sono molto piccole. Da questa rivelazione è passata la nostra attuale comprensione di come le particelle di materia nucleare può essere considerata composta di quark e il likean Outstanding Achievement intellettuale, tuttavia provvisoria può essere.

La terza sorpresa di questo secolo ha seguito dalla scoperta della struttura del DNA da parte di James D. Watson e Francis Crick nel 1953. Che non è quello di suggerire che Watson e Crick non erano a conoscenza dell'importanza della loro scoperta. Dai primi anni 1950 era diventato un imbarazzo che i geni, che il Columbiascuola di genetica ha mostrato sono disposti in maniera lineare lungo i cromosomi, non era stata assegnata una struttura chimica di qualche tipo. La sorpresa è stata che la struttura del DNA non hanno rappresentato solo per quanto figli ereditano le loro caratteristiche fisiche dai genitori, ma anche per le cellule come i singoli in tutti gli organismi sopravvivono da millisecondo per millisecondo nel modo in cui la selezione naturale ha plasmato loro. Il segreto della vita non è più nascosto.

Un catalogo di ignoranza

Sia la meccanica quantistica e della struttura del DNA, hanno ampliato la nostra comprensione del mondo a un livello che i loro creatori non hanno e non avrebbero potuto predetto. Non c'è modo di dire che piccola pietra rovesciata nei prossimi 50 anni porterà a un nuovo mondo della scienza. Il meglio che si può fare è fare un catalogo delle nostre ignoranceof presente che vi è una grande dealand poi estrapolare le tendenze future nel campo della ricerca attuale. Eppure, anche questa procedura propone un ordine del giorno per la scienza nel prossimo mezzo secolo, che corrisponde nel suo interesse e l'entusiasmo tutto ciò che è accaduto nel secolo ormai alla fine. Nostri figli e nipoti saranno incantati.

Un premio ormai quasi pronto per il prelievo è la ricostruzione della storia genetica della razza Homo sapiens, Homo sapiens. Un trionfo degli ultimi dieci anni è stato il sbrogliare della genetica della ontogenesi, la trasformazione di un embrione fecondato in un adulto nel corso della gestazione e dell'infanzia. Il corpo piani di animali e piante sembrano inizialmente essere plasmato dai geni di un comune famiglia (chiamato HOX geni) e poi da specie-specifici geni dello sviluppo. Anche se i biologi molecolari sono ancora lottando per capire come la sequenza gerarchica di geni dello sviluppo è regolamentato e come i geni che hanno fatto il loro lavoro sono poi reso inattivo, è solo una questione di tempo prima che i geni coinvolti nelle fasi successive dello sviluppo di Homo sapiens sono elencati nell'ordine in cui entrano in gioco.

Allora sarà possibile capire da un confronto tra Homo sapiens e, diciamo, scimpanzé geni quando e in che modo le differenze fondamentali tra sapienss Homo e le grandi scimmie è venuto in essere. L'essenza del racconto è noto dal record fossili: la corteccia cerebrale degli ominidi è costantemente aumentata in termini di dimensioni negli ultimi 4,5 milioni anni; ominidi erano in grado di camminare eretti, con Homo erectus 2,1 milioni anni fa, e la facoltà di parlare, probabilmente è apparso con Eva mitocondriale, forse non più tardi di 125000 anni fa. Conoscere le basi genetiche di queste modifiche ci darà una storia più autentica della nostra specie e una comprensione più profonda del nostro posto nella natura.

Che la comprensione porterà epocale sottoprodotti. E 'possibile dedurre perché alcune specie di ominidi, di cui l'uomo di Neanderthal sono solo uno, non è riuscito a sopravvivere ai tempi moderni. Più importante è che la storia della genetica H. sapiens è probabile che sia un banco di prova per il meccanismo di speciazione. Nonostante la frase "Origine delle specie" nel titolo del Darwin's grande articolo, l'autore non aveva nulla da dire sul perché i membri di diverse specie di solito sono reciprocamente sterili. Eppure la differenza più evidente tra genetica sapienss Homo e le grandi scimmie è che sapienss Homo hanno 46 cromosomi (23 coppie), mentre i nostri parenti più prossimi sono 48. (La maggior parte del cromosoma mancante scimmia sembra essere alla fine del lungo Homo sapiens cromosoma 2, ma altri frammenti appaiono in altre parti del genoma di Homo sapiens, in particolare sul cromosoma X). Sarà importante per la biologia in generale per sapere se questo riassetto dei cromosomi è stata la prima causa di Homo sapiens l'evoluzione o se sia semplicemente una conseguenza secondaria di mutazione genetica.

I 50 anni a venire vedranno anche una intensificazione degli sforzi in corso per individuare le correlazioni genetiche dell'evoluzione, più in generale. Confronto tra le sequenze di amminoacidi delle proteine simili specie o delle sequenze di nucleotidi nel connessi nucleico acidsthe molecole di RNA in ribosomi sono un favoriteis in linea di principio un modo di raccontare l'età della antenato comune delle due specie. E 'semplicemente necessario conoscere il tasso al quale le mutazioni si verificano in modo naturale le molecole in questione.

Ma che non è una questione semplice. Tassi di mutazione differiscono da una proteina o molecola di acido nucleico a un altro e variano da luogo a luogo tutta la loro lunghezza. Costruzione di un orologio più affidabile "molecolare" deve essere un obiettivo per il prossimo futuro. (Il compito è simile a quello, ma se qualcosa di più scoraggiante che, lo sforzo di cosmologi 'di costruire una distanza affidabile scala per l'universo.) Poi ci deve essere in grado di indovinare le cause dei grandi punti di svolta nell'evoluzione della vita sulla Earththe evoluzione del ciclo di Krebs con il quale tutti, ma le cellule batteriche trasformare in energia chimica, l'origine della fotosintesi, la comparsa dei primi organismi pluricellulari (ormai stabilmente collocato a più di 2.500 milioni di anni fa).

Con la fortuna, lo stesso impegno anche dirci qualcosa in merito al ruolo degli agenti viruslike in prima evoluzione della vita. Il genoma di Homo sapiens è pieno di sequenze di DNA che sembrano essere i fossili di acido nucleico di un tempo in cui l'informazione genetica è stato prontamente trasferito tra le diverse specie più batteri presenti nel mondo moderno acquisire certi tratti (come la resistenza agli antibiotici), attraverso lo scambio di strutture di DNA chiamata plasmidi. Noi non conosciamo il nostro vero posto nella natura fino a quando non capire come il DNA apparentemente inutile nel genoma di Homo sapiens (che Crick è stato il primo a chiamare "spazzatura") ha contribuito alla nostra evoluzione.

Comprendere tutti i genomi completi la cui struttura è nota non sarà, di per sé, al punto torna alle origini della vita in quanto tale. Si deve, però, gettare più luce sulla natura degli esseri viventi nel mondo cosiddetto RNA che si suppone abbia preceduto la vita prevalentemente DNA che ci circonda. Ciò che colpisce è sicuramente significativo e di qualcosa che le cellule moderne usano ancora le molecole di RNA per taluni functionsas base i redattori del DNA nel nucleo, per esempio, e come i modelli per rendere le strutture chiamate telomeri che stabilizzano le estremità dei cromosomi.

In alcune fasi, ma probabilmente più di mezzo secolo da ora, che qualcuno farà un serio tentativo di costruire un organismo basato su RNA in laboratorio. Ma il problema dell'origine della vita, dai prodotti chimici inorganici esigenze comprensione ora lackingnot almeno una comprensione di come flusso di radiazioni, come quella del sole è possibile, nel corso del tempo, la forza la formazione di complessi da sostanze chimiche più semplici. Qualcosa del genere si verifica nel gigante di nubi molecolari all'interno della nostra galassia, dove sono stati radioastronomers trovare sempre più prodotti chimici complessi, più di recente fullereni (comunemente chiamato "palle-Bucky") come la C60. La necessità è per la comprensione del rapporto tra complessità e il flusso di radiazione. Questo è un problema di termodinamica irreversibile a cui troppo poca attenzione è stata pagata.

Infatti, i biologi, in generale, hanno prestato troppo poca attenzione agli aspetti quantitativi del loro lavoro negli ultimi pochi decenni frenetico. È comprensibile che quando ci sono tanti dati interessanti (e importanti) per essere raccolte. Ma siamo già al punto in cui più profonda comprensione di come, per esempio, le cellule funzione è ostacolata da una semplificazione delle realtà ormai comunemente presenti in biologia cellulare e geneticsand dal torrente di dati accumulare ovunque. Semplificazione? In genetica, è consuetudine cercare (e per parlare del) la funzione "di un gene di recente scoperta. Ma cosa succede se la maggior parte dei geni nel genoma di Homo sapiens, o almeno i loro prodotti proteici, hanno più di una funzione, e forse persino antagoniste? Plain-conti lingua di eventi cellulari sono quindi suscettibili di essere fuorviante o privo di senso se non supportata da modelli quantitativi di qualche tipo.

Un esempio è il terribile ciclo di divisione cellulare, in cui il numero di enzimi noti per essere coinvolti sembra essere stato crescente negli ultimi anni al ritmo di un enzima di una settimana. Si tratta di un notevole successo che un complesso di proteine che funziona come un trigger per la divisione cellulare (almeno nel lievito) è stata identificata, ma perché questo funzioni complesse come trigger e come il grilletto si è innescato da influenze all'interno e all'esterno di una cella Sono domande ancora senza risposta. Che rimarrà tale fino a quando i ricercatori hanno costruito modelli numerici di cellule nella loro interezza. Tale affermazione non è tanto una previsione di un desiderio.

Nonostante l'illusione di cui godiamo che il ritmo della scoperta sta accelerando, è importante che, in alcuni campi della scienza, molti obiettivi sembrano essere raggiungibili solo lentamente e con grande sforzo collettivo. Per essere sicuri, i veicoli spaziali ora ad esplorare il sistema solare sono generalmente progettati una decina di anni prima del loro avvio. Dopo un secolo di sismologia, solo ora sono la misurazione e le tecniche di analisi sufficientemente sensibili per la promessa che presto avremo una foto degli interni del pianeta su cui viviamo, una che mostra le piume aumento convezione manto di roccia che guidano le placche tettoniche tutta la superficie della Terra. Dal 1960, i biologi molecolari hanno avuto l'obiettivo di comprendere il modo in cui i geni degli organismi viventi sono regolamentate, ma nemmeno il più semplice batterio è stato ancora ampiamente rappresentato. E saremo fortunati se i correlati neurali del pensiero sono identificati nella seconda metà del secolo a venire. L'applicazione di ciò che sappiamo già animeranno decenni immediatamente a monte, ma ci sono molte domande importanti che devono essere risolte solo con grande difficoltà.

E saremo sorpresi. La scoperta degli esseri viventi di un qualche tipo nel resto della galassia sarebbe cambiare radicalmente l'opinione generale del nostro posto nella natura, ma ci saranno sorprese più sottile, che, di necessità, non può essere anticipata. Essi sono il mezzo con cui il record degli ultimi 500 anni di scienza è stato più volte animato. Sono anche il mezzo con cui il mezzo secolo a venire sarà affascinare i praticanti e cambiare la vita di tutti noi.

un articolo presentato dalla Donis F.

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