Origem das Espécies por Meio da Seleção Natural

As perguntas que ainda não têm o bom senso de pedir será uma preocupação crescente da ciência nos próximos 50 anos. Isso é o que mostra o registro. Considere o estado da ciência mais de um século atrás, em 1899. Então, como agora, as pessoas estavam refletindo sobre as conquistas dos últimos 100 anos. Um sólido sucesso foi a prova por John Dalton, em 1808, que a matéria é constituída de átomos. Outra foi a demonstração (por James Prescott Joule em 1851) que a energia é conservada e certamente o mais cedo suposição (pelo físico francês Sadi Carnot) que a eficiência com que uma forma de energia pode ser convertida em outra é inerentemente limitado: em conjunto, esta evolução deu-nos o que é chamado de termodinâmica e a idéia de que as leis mais fundamentais da natureza incorporar uma "seta do tempo".

Houve também Charles Darwin, cujo Origem das Espécies por Meio da Seleção Natural (publicado em 1859) supostamente para dar conta da diversidade da vida na Terra, mas não disse nada sobre o mecanismo de herança ou mesmo sobre as razões pelas quais espécies diferentes, mas relacionadas entre si geralmente são inférteis. Finalmente, no catálogo do século 19 à auto-satisfação, foi James Clerk Maxwell demonstração de como a eletricidade e magnetismo pode ser unificado por um conjunto de equações matemáticas em linhas estritamente newtoniana. Mais geral, Newton's leis tinham sido tão bem afinados com a prática que ofereceu uma solução para qualquer problema no mundo real, que poderia ser definido com precisão. O século maravilhosa dos anos 1800 deve ter sido!

Apenas as pessoas mais perceptivas apreciado, em 1899, que havia falhas nessa posição. Um desses foi Hendrik Lorentz de LeidenUniversidade no Holanda, Que viu que a teoria de Maxwell implicitamente incorporada uma contradição: a teoria supõe que deve haver um éter tudo penetra através do qual as perturbações eletromagnéticas se propagam, mas é muito mais simples para se supor que o tempo passa mais lentamente em um objeto em movimento em relação a um observador . Foi um pequeno passo de lá (através do Henri Poincaré Universidadede Paris) A teoria especial de Albert Einstein da relatividade, publicada em 1905. A teoria especial, o que implica que a velocidade relativa não pode exceder a velocidade da luz, falsifica Newton só filosoficamente: nem espaço nem tempo pode fornecer uma espécie de grade invisível contra o qual a posição de um objeto, ou o momento em que ele atinge essa posição, pode ser medido. Um século atrás, algumas pessoas parecem ter apreciado que AA Michelson e EW Morley, em 1880, tinha conduzido um experimento simples, cuja interpretação é que o éter de Maxwell não existe.

Para aqueles insatisfeitos de, ou mesmo ofendido com a complacência prevalecente de 1899, outros elementos devem ter amplo deu a entender que a ciência fundamental aceite estava dirigindo em apuros. Átomos deviam ser indivisíveis, assim como se poderia explicar o que parecia ser fragmentos de átomos, os elétrons e os raios "emitidos por átomos radioativos, descoberto em 1897? Mesma forma, embora Darwin tinha suposto que o herdáveis (que hoje dizer "genética"), alterações na constituição dos indivíduos são, invariavelmente, os pequenos, a redescoberta do trabalho de Gregor Mendel em 1850 (principalmente por Hugo de Vries, na Holanda) sugeriu que as mudanças genéticas espontâneas são, sim, discreta e substancial. Essa evolução levou, sob a liderança de Thomas Hunt Morgan, para o surgimento da Universidade de Columbia, em Nova York como a cidadela do que hoje é chamado de genética clássica (uma frase cunhada apenas em 1906) e com o reconhecimento em 1930 que a contradição entre darwinismo e "Mendel-Morganism" (como os soviéticos na década de 1950 chegou a chamar o trabalho de Colômbia) não é tão acentuada como primeiro parecia.

Agora estamos maravilhados com a forma como estas contradições foram resolvidas e, muito mais. O nosso contentamento com o nosso próprio século, supera a de 1899. Não menos importante é o sentimento de libertação pessoal nós apreciamos que deriva de aplicações da ciência nos primeiros anos do centuryMarconi 20 de superação do Atlântico, com ondas de rádio e milhas de Wright brothers 'medida de vôo em uma máquina mais pesada que o ar. (Wilbur e Orville tinham construído um túnel de vento primitivo em sua base em Ohioantes de arriscar-se no alto.) As comunicações e indústrias da aviação tem crescido daqueles começos. Nossas mesas são desordenados com máquinas de computação poderosa que ninguém previu, em 1900. E estamos também muito mais saudável: pense de penicilina!

Um Catálogo do Contentamento

Na ciência fundamental, temos tanto quanto ou mais para se vangloriar do que fizeram no século 19. Relatividade Especial não é mais apenas Newtonfeita filosoficamente respeitável. Através de sua implicação de que o espaço eo tempo devem ser tratados em pé de igualdade, tornou-se um marco fundamental da validade das teorias da física fundamental.

Os outros três pontos de referência no domínio da ciência fundamental neste século foram mal previstos. Teoria geral da relatividade de Einstein em 1915, que teria sido melhor chamado sua "teoria relativista da gravitação", teria sido uma surpresa para todos os leitores, mas perto de Ernst Mach, físico e filósofo vienense positivista. Ao postular que a força gravitacional em todos os lugares são uma conseqüência de um campo gravitacional, que atinge os confins do universo, Einstein lançou a idéia de que a estrutura ea evolução do universo são inevitavelmente ligados. Mas mesmo Einstein foi surpreendido quando Edwin Hubble descobriu em 1929 que o universo está se expandindo.

A mecânica quântica foi mais um parafuso do azul, mesmo que as pessoas foram se preocupar com as propriedades da radiação de objetos quentes durante quase meio século. O problema era explicar como é que surge a radiação de um objeto depende fundamentalmente de sua temperatura de tal forma que a freqüência mais proeminente na emissão é diretamente proporcional à temperatura de, pelo menos quando a temperatura é medida a partir do zero absoluto (que é 273 graus Celsius abaixo do ponto de congelamento da água, ou -459 graus Fahrenheit, e que tinha sido definido pela própria termodinâmica do século 19). A solução proposta por Max Planck em 1900 era de que a energia é transferida entre um objeto quente e seus arredores só em finito (mas muito pequenas) quantidades, chamadas quanta. A quantidade real de energia de um quantum depende da freqüência da radiação e, na verdade, é proporcional a ela. Planck confessou, ao mesmo tempo que ele não sabia o que esse resultado significou e adivinhou que seus contemporâneos também seria perplexo.

Como sabemos, ele teve um quarto de século para a dificuldade de Planck para ser resolvido, graças aos esforços de Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger e Paul Dirac, juntamente com um pequeno exército de século mais brilhantes e melhores. Quem teria imaginado, em 1900, que o resultado da empresa começou Planck seria um novo sistema de mecânica, tão abrangente quanto de Newton no sentido de que é aplicável a todos os problemas bem-postos, mas só se aplica aos átomos, moléculas e os Peças thereofelectrons e assim por diante?

Mesmo agora, há pessoas que afirmam que a mecânica quântica é cheia de paradoxos, mas isso é uma deliberada (e, muitas vezes maliciosa) a leitura do que aconteceu no primeiro trimestre deste século. Nossa compreensão intuitiva de como os objetos no mundo macroscópico comportar-se (na forma do Newton's leis) é baseado na percepção de nossos sentidos, que são eles próprios os produtos evolutivo da seleção natural em um mundo em que a evasão dos objetos macroscópicos (predadores) ou a sua captura (alimentos), teria favorecido a sobrevivência da espécie. É difícil imaginar o que nossos antepassados vantagem selectiva teria ganho de uma capacidade de perceber o comportamento das partículas subatômicas. A mecânica quântica é, portanto, um paradoxo, mas sim uma descoberta sobre a natureza da realidade em escalas (de tempo e distância), que são muito pequenas. A partir dessa revelação fluiu nossa compreensão atual de como as partículas de matéria nuclear pode ser considerada composta de quarks e da conquista notável likean intelectual, ainda que provisória, pode ser.

A terceira surpresa deste século tem seguido a partir da descoberta da estrutura do DNA por James D. Watson e Francis Crick, em 1953. Isso não é para sugerir que Watson e Crick não tinham consciência da importância de sua descoberta. Até o início dos anos 1950 tornou-se um constrangimento que os genes, que o Columbiaescola de genética mostrou são organizados de forma linear ao longo dos cromossomos, não tinha sido atribuída uma estrutura química de algum tipo. A surpresa foi que a estrutura do DNA não representou apenas pela forma como os seus descendentes herdam as características físicas de seus pais, mas também de como as células individuais em todos os organismos sobrevivem de milissegundo em milissegundo para a maneira pela qual a seleção natural moldou-los. O segredo da vida não está mais escondido.

A Catalogue of Ignorance

Tanto a mecânica quântica e da estrutura do DNA têm aumentado a nossa compreensão do mundo a um nível que seus autores não sabia nem poderia ter predito. Não há nenhuma maneira de dizer que pequena pedra derrubados nos próximos 50 anos vai levar a um novo mundo da ciência. O melhor que se pode fazer é fazer um catálogo dos nossos ignoranceof presente que existe uma grande dealand então extrapolar para as futuras tendências atuais na investigação. No entanto, mesmo procedimento que sugere uma agenda para a ciência no próximo meio século, que corresponde ao do seu interesse e entusiasmo tudo o que aconteceu no século agora ao fim. Nossos filhos e netos será encantado.

Um prêmio agora quase prontos para a colheita é a reconstrução da história genética da raça Homo sapiens, Homo sapiens. Um triunfo da última década foi o desenrolar da genética da ontogênese, a transformação de um embrião fertilizado em um adulto durante a gestação e infância. Organismo Os planos de animais e plantas aparecem inicialmente para ser moldada por genes de um comum família (chamados Hox genes) e depois por espécies de genes específicos de desenvolvimento. Embora os biólogos moleculares ainda estão lutando para entender como a seqüência hierárquica dos genes do desenvolvimento é regulado e como os genes que têm feito os seus trabalhos são feitos então inativo, é apenas uma questão de tempo antes que os genes envolvidos nas várias fases de desenvolvimento do Homo sapiens listados na ordem em que eles entram em jogo.

Então, será possível dizer de uma comparação entre o Homo sapiens e, dizem, os genes do chimpanzé, quando e de que maneira as diferenças cruciais entre sapienss Homo e os grandes símios nasceram. A essência do conto é conhecida a partir do registro fóssil: o córtex cerebral dos hominídeos tem vindo a aumentar de tamanho ao longo dos últimos 4,5 milhões de anos, os hominídeos foram capazes de caminhar ereto, com Homo erectus 2,1 milhões anos atrás, e da faculdade de falar, provavelmente apareceu com Eva mitocondrial, talvez, como recentemente, em 125.000 anos atrás. Conhecer a base genética destas alterações nos dará uma história mais autêntica de nossa espécie e uma compreensão mais profunda do nosso lugar na natureza.

Esse entendimento trará momentoso subprodutos. Pode ser possível inferir que algumas espécies de hominídeos, das quais os neandertais são uma só, não conseguiu sobreviver aos tempos modernos. Mais importante é que a história genética do H. sapiens é provável que seja um caso de teste para o mecanismo de especiação. Apesar da frase "Origem das Espécies" no título Darwin's ótimo artigo, o autor não tinha nada a dizer sobre o que os membros de diferentes espécies são geralmente mutuamente inférteis. No entanto, a maior diferença genética entre sapienss Homo e os grandes símios é que sapienss Homo tem 46 cromossomos (23 pares), enquanto que nossos parentes mais próximos têm 48. (Muito do cromossomo macaco parece estar faltando no final longo do Homo sapiens chromosome 2, mas outros fragmentos aparecem em outras partes do genoma do Homo sapiens, nomeadamente no cromossomo X). Será importante para a biologia geral, para saber se este rearranjo dos cromossomos foi a principal causa de evolução do Homo sapiens, ou se é apenas uma conseqüência secundária de mutação genética.

Os 50 anos à frente verá também uma intensificação dos esforços em curso para identificar as correlações genéticas da evolução mais geral. A comparação das seqüências de aminoácidos de proteínas semelhantes de espécies associadas ou das seqüências de nucleotídeos de moléculas relacionadas nucleicos acidsthe RNA em um favoriteis ribossomos são, em princípio, uma maneira de dizer a idade do ancestral comum das duas espécies. É simplesmente necessário conhecer a taxa de mutações que ocorrem naturalmente nas moléculas em questão.

Mas isso não é uma questão simples. As taxas de mutação diferem de uma proteína ou uma molécula de ácido nucléico para o outro e variar de um lugar para outro ao longo de seu comprimento. Construindo um relógio mais fiável "molecular" deve ser uma meta para o futuro próximo. (A tarefa é semelhante, mas, se nada mais assustador do que, o esforço cosmólogos a construir uma distância confiável em larga escala para o universo.) Então seremos capazes de adivinhar as causas dos grandes pontos de viragem na evolução da vida na Earththe evolução do ciclo de Krebs, pela qual todas as células bacterianas, mas transformar em energia química, a origem da fotossíntese, o aparecimento dos primeiros organismos multicelulares (agora firmemente colocadas mais de 2.500 milhões de anos atrás).

Com sorte, o mesmo esforço também vai nos dizer algo sobre o papel dos agentes semelhantes a vírus no início da evolução da vida. O genoma do Homo sapiens é repleto de seqüências de DNA que parecem ser fósseis de ácido nucléico de uma época em que a informação genética foi prontamente transferidos entre diferentes espécies de bactérias quanto no mundo moderno adquirir certas características (tais como a resistência a antibióticos), através da troca de estruturas de DNA chamados plasmídeos. Nós não sabemos o nosso verdadeiro lugar na natureza até que nós entendemos como o genoma do DNA aparentemente inúteis no Homo sapiens (o que Crick foi o primeiro a chamar de "lixo") contribuiu para nossa evolução.

Compreensão de todos os genomas cuja estrutura completa é conhecida não irá, por si só, ponto de volta para a origem da vida como tal. Convém, no entanto, joga mais luz sobre a natureza dos seres vivos no chamado mundo do RNA, que é suposto ter precedido a vida de DNA predominante que nos rodeia. É impressionante e seguramente significativo de algo que as células modernas ainda usam moléculas de RNA para certos functionsas básicos dos editores de DNA no núcleo, por exemplo, e como os modelos para fazer as estruturas chamadas telômeros, que estabilizar as extremidades dos cromossomos.

Em algum estágio, mas, provavelmente, mais de meio século a partir de agora, alguém vai fazer uma séria tentativa para construir um organismo baseado em RNA no laboratório. Mas o problema da origem da vida a partir de químicos inorgânicos precisa entender agora pelo lackingnot uma compreensão de como o fluxo de radiação, como o do sol pode, ao longo do tempo, força a formação de complexo de produtos químicos mais simples. Algo do tipo é conhecido para ocorrer em nuvens moleculares gigantes dentro de nossa galáxia, onde radioastronomers têm encontrado cada vez mais produtos químicos complexos, mais recentemente fulerenos (comumente chamado de "bucky-bolas"), como o C60. A necessidade é para uma compreensão da relação entre a complexidade eo fluxo de radiação. Este é um problema em termodinâmica irreversível para o qual muito pouca atenção tem sido dada.

Na verdade, os biólogos em geral, têm muito pouca atenção aos aspectos quantitativos do seu trabalho no passado poucas décadas agitado. Isso é compreensível, quando há muitos dados interessantes (e importantes) a serem recolhidas. Mas já estamos no ponto em que uma compreensão mais profunda de como, digamos, a função de células é dificultado pela simplificação da realidade agora comuns em biologia celular e geneticsand pela torrente de dados acumulando em toda parte. Simplificação? Em genética, é habitual para procurar (e falar de) a "função" de um gene recém-descoberto. Mas e se a maioria dos genes no genoma do Homo sapiens, ou pelo menos os seus produtos de proteína, têm mais de uma função, talvez mesmo contraditórias? Plain contas de linguagem de eventos celulares são, então, susceptível de ser enganadora ou sem sentido a não ser apoiada por modelos quantitativos de algum tipo.

Um exemplo é o terrível ciclo de divisão celular, em que o número de enzimas conhecidas para ser envolvido parece ter sido crescente nos últimos anos a uma taxa de uma enzima de uma semana. É um sucesso considerável que um complexo de proteínas que funciona como um gatilho para a divisão celular (pelo menos em levedura) foi identificado, mas porque este complexo funciona como um gatilho e como o próprio gatilho é acionado por influências dentro e fora da célula São perguntas ainda sem resposta. Eles vão permanecer assim até que os pesquisadores têm construído modelos numéricos de células na sua totalidade. Esta afirmação não é tanto como uma previsão de um desejo.

Apesar da ilusão de que nós apreciamos que o ritmo de descoberta está acelerando, é importante que, em alguns campos da ciência, muitas metas parecem ser atingido de forma lenta e pelo enorme esforço coletivo. Para ter certeza, as naves espaciais agora explorar o sistema solar são normalmente concebidos ou menos uma década antes do seu lançamento. Após um século de sismologia, só agora estão a medição e técnicas analíticas sensíveis o suficiente para prometer que em breve teremos um retrato do interior do planeta em que vivemos, uma que mostra o aumento de nuvens de convecção do manto rock que impulsionam as placas tectônicas através da superfície da Terra. Desde 1960, os biólogos moleculares têm tido o objetivo de compreender a maneira em que os genes dos organismos vivos são regulados, mas nem mesmo a mais simples bactéria ainda não foi exaustivamente explicada. E seremos felizes se os correlatos neurais do pensamento são identificados no meio século à frente. A aplicação do que já sabemos vai animar as décadas imediatamente à frente, mas há muitas questões importantes que serão respondidas somente com grande dificuldade.

E vamos ser surpreendidos. A descoberta de seres vivos de uma espécie em outra parte da galáxia poderia mudar radicalmente a opinião geral do nosso lugar na natureza, mas não haverá surpresas mais sutil, que, por necessidade, não podem ser antecipados. Eles são o meio pelo qual o registro dos últimos 500 anos de ciência tem sido repetidamente animada. Eles também são o meio pelo qual o meio século à frente irá cativar os praticantes e mudar a vida de todos nós.

um artigo submetido por Donis F.

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