Evolutia este fascinanta deoarece incearca sa raspunda la una din cele mai vechi intrebari: cum am aparut pe Pamant? Teoria evolutiei spune ca viata si oamenii au aparut printr-un proces natural.

In acest articol vom explora teoria evolutiei, cum functioneaza aceasta si vom examina mai multe zone importante ale teoriei pentru a intelege de ce functioneaza.

Principiile de baza ale evolutiei

Teoria evolutiei este suprinzator de simpla si este impartita in 3 parti:

• ADN-ul unui organism este posibil sa sufere ocazional schimbari sau mutatii. O mutatie modifica ADN-ul unui organism intr-un mod care afecteaza descendentii sai, fie imediat fie peste mai multe generatii.
• Schimbarea adusa de o mutatie poate fi benefica, daunatoare sau neutra (nu provoaca nicio schimbare). In cazul in care mutatia este daunatoare, atunci este putin probabil ca urmasii vor supravietui si se vor reproduce, astfel incat mutatia se stinge, dispare. In cazul in care schimbarea este benefica, atunci este probabil ca urmasii se vor descurca mai bine si se vor reproduce mai mult. Prin reproducere, mutatia se va raspandi. Acest proces de sacrificare a mutatiilor daunatoare si raspandirea mutatiilor benefice se numeste selectie naturala.
• Deoarece mutatiile apar si se intind pe perioade lungi de timp, la un moment dat, acestea dau nastere a noi specii. Pe parcursul a multor milioane de ani, procesele de mutatie si selectie naturala au creat fiecare specie de pe Terra, de la cele mai simple bacterii la oameni.

Acum miliarde de ani, potrivit teoriei evolutiei, elementele chimice s-au organizat intamplator, formand prima molecula ce se putea reproduce. Aceasta scanteie de viata era samanta a tot ce vedem astazi viu pe Terra (sau ce nu mai vedem, cum ar fi numeroasele specii disparute).

Poate aceasta teorie simpla sa explice viata asa cum o vedem astazi? Sa incepem intai prin a intelege cum functioneaza viata.

Cum functioneaza viata: Enzimele si ADN-ul

Evolutia poate fi vazuta in forma sa cea mai pura in evolutia de zi cu zi a bacteriilor. (In imagine, structura ADN-ului. Click pe imagine pentru a mari.)

O bacterie reprezinta un organism simplu, format dintr-o singula celula. Bacteria E. coli este de 100 de ori mai mare decat o celula umana obisnuita. Va puteti imagina bacteria ca pe un perete celular (peretele celular poate fi vazut ca o punga de plastic foarte subtire) umpluta cu diferite proteine, enzime si alte molecule, plus un fir lung de ADN, toate plutind in apa.

Catena ADN in E. coli contine aproximativ 4 milioane de perechi de baze, iar aceste perechi sunt organizate in aproximativ 1.000 de gene. O gena este pur si simplu un sablon pentru o proteina si de multe ori aceste proteine sunt enzime.

O enzima este o proteina care accelereaza o anumita reactie chimica. De exemplu, una dintre cele 1000 de enzime ale ADN-ul unei E. coli ar putea sti cum sa rupa o molecula maltoza (zahar simplu) in doua molecule de glucoza. Asta e tot ceea ce acea enzima poate face, dar este foarte importanta avand in vedere ca E. coli se hraneste cu maltoza. O data ce maltoza este transformata in glucoza, alte enzime actioneaza asupra moleculelor de glucoza pentru a le transforma in energie, necesara pentru functionarea intregii celule.

Pentru a produce o enzima, mecanismele chimice dintr-o bacterie E. coli vor face o copie a genei dintr-o catena a ADN-ului si se vor folosi se acest sablon pentru a forma o noua enzima. E. coli poate sa aiba sute de copii de astfel de enzime plutind intauntrul ei. Colectia de aproximativ 1000 de enzime diferite ce plutesc in interior fac chimia celulei posibila. Aceasta chimie face ca celula sa fie “vie”. Adica, ii permite E. coli sa simta hrana, sa se miste, sa se hraneasca si sa se reproduca. Enzimele si reactiile chimice creaza ceea ce numim noi “viata”.

Cum functioneaza viata: reproducerea asexuata si sexuata

Bacteria se produce asexuat. Acest lucru inseamna ca, atunci cand celula se divide, ambele jumatati sunt identice – ele contin exact acelasi ADN. Urmasul este o clona a parintelui. Insa organismele mai complexe precum insectele si animalele, se reproduc sexuat, iar acest proces face ca actiunile evolutiei sa fie mai interesante.

Reproducerea sexuata poate crea o variatie imensa in randul unei specii. De exemplu, daca doi parinti au mai multi copii, acestia vor fi diferiti. Pot avea inaltimi diferite, culori diferite ale parului, diferite tipuri de sange etc. Iata de ce este posibil acest lucru:

In locul unei bucle lungi de ADN (cum este in cazul bacteriei), celulele plantelor si animalelor au un ADN format din doua catene, in forma de spirala, impartite in perechi de cromozomi. Mustele de fructe au cinci perechi, cainii au 39 iar unele plante au peste 100.

Celulele somatice umane sunt formate din 23 de cromozomi, cate unul pentru fiecare pereche. Cei 46 cromozomi se impart in 22 perechi de cromozomi identici la barbati si la femei numiti autozomi, plus o pereche de cromozomi sexuali (numiti si heterozomi sau gonozomi), identici la femei (XX) si diferiti la barbati (XY).

Deoarece exista doua catene ale ADN-ului, aceasta inseamna ca animalele au doua copii ale fiecarei gene, spre deosebire de o celula E. coli care are decat o singura copie. Desi bacteriile nu folosesc metoda haploida sau diploida pentru reproducerea sexuata, acestea au multe metode de dobandire a informatiei genetice. Unele bacterii pot suferi o conjugare, transferand o mica parte (numita plasmid) a ADN-ului sau altei bacterii. Bacteriile pot, de asemenea, sa preia fragmente de ADN gasit in mediul inconjurator pe care sa-l integreze in genom, fenomen cunoscut sub numele de transformare. Aceste procese au ca rezultat transportul in linie al genelor, adica transmiterea fragmentelor de informatie genetica dintre organismele care ar fi pe de alta parte independente.

Revenind la reproducerea sexuata, din cauza modului aleator de selectie a genelor, fiecare copil devine un amestec diferit de gene din ADN-ul mamei si a tatalui. Acest lucru este motivul pentru care copiii din aceiasi parinti pot avea atat de multe diferente.

O gena nu este altceva decat un sablon pentru crearea unei enzime. Aceasta inseamna ca, in orice planta sau animal, sunt de fapt doua sabloane pentru fiecare enzima. In unele cazuri, cele doua sabloane sunt identice (homozigot), dar in multe cazuri cele doua sabloane sunt diferite (heterozigot).

Mazarea este un exemplu ce ne ajuta sa intelegem cum pot interactiona perechile de gene. In sinteza plantei exista un hormon numit giberelina si are un rol de stimulare a cresterii. La mazarea pitica acest hormon este mai putin activ, spre deosebire de mazarea de talie medie sau inalta. Aceste diferente sunt cauzate de anumite alele ce au impact aupra nivelului de giberelina.

In termeni moleculari, alelele sunt versiuni diferite ale aceleasi gene. Pot exista mai mult de doua alele ale unei gene intr-o populatie de organisme, dar orice organism dat are cel mult doar doua alele.

Plantele pitice, de obicei, nu pot concura cu cele inalte in salbaticie, deoarece acestea din urma le-ar umbri. Insa acest lucru nu este relevant intr-o plantatie ce contine doar plante pitice. Plantele pitice au pe de alta parte un alt avantaj: nu cad si nu se rup asa usor in vremurile ploioase sau de vanturi puternice. Deci, plantele mai scurte pot fi avantajoase ca si culturi cultivate. Mutatiile specifice sau alelele nu sunt bune sau rele in sine, ci numai intr-un anumit context.

O singura mutatie intr-o singura gena poate sa nu aibe niciun efect intr-un organism sau asupra urmasilor. Sa ne imaginam un om care are doua copii identice ale unei gene intr-o alela. O mutatie modifica una dintre cele doua gene intr-un mod daunator. Sa presupunem ca un copil primeste aceasta gena mutanta de la tata. Mama contribuie cu o gena normala, deci poate avea nici un efect asupra copilului. Gena mutanta s-ar putea pastra si transmite mai multe generatii si sa nu fie observata, pana cand, ambii parinti vor contribui cu o copie a acelei gene mutante.

Fiecare specie prezinta un numar de gene diferite, iar combinatia acestora poarta numele de fond genetic al speciei. Fondul genetic creste atunci cand o mutatie schimba o gena si aceasta mutatie supravietuieste si scade atunci cand o gena dispare.

Poate cel mai simplu exemplu de evolutie il gasim in celula E. coli. Pentru a avea o intelegere mai buna vom arunca o privire la ceea ce se intampla in aceasta celula.

Cel mai simplu exemplu de evolutie

Procesul de evolutie actioneaza asupra unei celule de E. coli prin crearea unei mutatii in ADN. Coruperea unei portiuni de ADN nu este ceva neobisnuit. O reactie chimica, razele cosmice sau razele X pot schimba sau deteriora ADN-ul. In majoritatea cazurilor, bacteria fie va muri, fie va repara mutatia, fie nu se va mai putea reproduce. Cu alte cuvinte, mutatia nu se va transmite mai departe. Dar se intampla uneori, ca o mutatie sa supravietuiasca, iar celula sa se reproduca.

Imaginati-va de exemplu, un grup identic de celule E. coli, care traiesc intr-un vas Petri (vas rotund neted, folosit pentru cultivarea microorganismelor). Cu o multime de alimente si o temperatura potrivita, aceste celule se pot dubla la fiecare 20 de minute. Adica, fiecare celula de E. coli poate duplica catena ADN la fiecare 20 de minute.

Acum, imaginati-va ca cineva toarna un antibiotic in vas. Multe antibiotice ucid bacteriile prin lipire la una dintre enzimele de care bacteria are nevoie pentru a trai. De exemplu, multe antibiotice se lipesc de enzima care construieste peretele celular. Fara aceasta posibilitate, bacteria nici nu se va putea reproduce (nu va putea reconstrui peretele in momentul divizarii) iar intr-un final, va muri. Dar sa ne imaginam, ca din milioanele de bacterii din vas, una va capata o mutatie care face enzima sa fie diferita. Datorita acestei diferente, molecula de antibiotic nu se va atasa corect la enzima si prin urmare, nu o va afecta. Cum toate celulele din jurul ei au murit, aceasta se va reproduce in continuare si va reface / inlocui populatia din vas. Acum am obtinut o populatie de E. coli imuna la respectivul antibiotic.

In acest exemplu, am observat evolutia in actiune. E. coli sunt organisme vii foarte simple si datorita faptului ca se reproduc atat de rapid, se pot observa efectele evolutiei la o scara normala de timp. In ultimele cateva decenii multe tipuri de bacterii au devenit imune la antibiotice. Intr-un mod similar, insectele devin imune la insecticide, deoarece acestea au un ciclu scurt de viata.

Dar in multe cazuri, evolutia este un proces mult mai lent.

Viteza mutatiilor

Asa cum am spus mai sus, mutatia este provocata de mai multi factori, incluzand: razele X, razele cosmice, radiatia nucleara sau reactii chimice intamplatoare in interiorul celulei.

Mutatiile sunt destul de comune. Acestea au loc la o rata constanta in orice populatie, dar locatia si tipul mutatiei este complet aleator. Mutatiile alimenteaza procesul evolutiei contribuind cu noi gene la bazinul de gene ale speciei, iar apoi, selectia naturala decide soarta lor.

Selectia naturala

Selectia naturala decide care mutatii vor supravietui si care nu. Daca mutatia este daunatoare, organismul va avea mai putine sanse de supravietuire si reproducere. Daca mutatia este benefica, organismul va supravietui si se va reproduce, transmitand mutatia mai departe, urmasilor. In acest fel, selectia naturala ghideaza procesul evolutiei pentru a include doar mutatii benefice in bazinul de gene ale speciei si va respinge mutatiile daunatoare.

Ian Tattersall si Jeffrey Schwartz spuneau in cartea lor, “Extinct Humans” astfel:

“In fiecare generatie, sunt produsi mai multi indivizi decat vor reusi sa supravietuiasca pana la maturitate si sa se reproduca. Cei care reusesc – cei mai potriviti – poarta caracteristici ereditare care promoveaza nu numai propria lor supravietuire, ci si a urmasilor lor. Din acest punct de vedere, selectia naturala nu este mai mult decat suma tuturor acestor factori care actioneaza pentru a promova succesul reproductiv al unor indivizi (in detrimentul altora). Adaugati dimensiunea timpului si peste generatii, selectia naturala va schimba aspectul fiecarui descendent, iar variatiile avantajoase vor deveni mult mai comune in anumite populatii decat in altele.”

Speciatia

Speciatia reprezinta procesul in urma caruia apar specii noi din cele existente. Aparitia unei specii noi se poate realiza prin fie transformarea unei specii deja existente in alta, fie prin ramificarea unei specii in doua sau mai multe specii noi.

Imaginati-va doua populatii ale aceleasi specii, izolate pe doua insule diferite. Cu timpul, datorita mutatiilor, unele gene se pot pierde prin eliminare accidentala iar prin recombinare poate sa apara o diversitate de noi fenotipuri, diferite de cele ale speciei parentale. Daca cele doua populatii traiesc intr-un mediu biotic si fizic intrucatva diferit, pot fi expuse unor presiuni de selectie intr-o oarecare masura diferite. Astfel populatiile se vor deosebi tot mai mult de specia parentala, dar si una de cealalta. Populatiile vor fi restructurate genetic. In cursul acestui proces se pot dobandi mecanisme de izolare care vor impiedica imperecherea cu specia parentala, sau intre populatia de pe prima insula cu cea de pe a doua insula. Deoarece aceste populatii separate nu se vor mai putea recombina din nou vreodata, speciile pot fi recunoscute definitiv ca neospecii. Cu cat timpul le va desparti mai mult, cu atat diferentele genetice vor fi mai mari. Astfel apare speciatia, adica producerea de noi specii.

Un lucru interesant cu privire la teoria evolutiei, enuntata de Charles Darwin, este ca ii putem vedea efectele atat astazi cat si in trecut. Vedem evolutia in lucru in bacteriile si insectele de astazi dar o vedem si in fosilele descoperite ale unor organisme ce au trait acum milioane de ani.

Evolutionistul J. B. Haldane, intrebat fiind ce l-ar putea face sa se indoiasca de adevarul evolutiei speciilor, afirma ca niste fosile de iepure din Precambrian (era geologica incheiata acum aproximativ 520 milioane de ani) ar reprezenta cu adevarat o dovada ce ar demonta aceasta teorie. Cum in straturile geologice ce corespund acestui interval de timp nu s-au gasit niciodata astfel de fosile, din simplul motiv ca mamiferele au aparut mult mai tarziu, teoria este in siguranta.

Multi oameni cred in creationism. Potrivit acestei teorii, Dumnezeu sau alta putere supranaturala a creat viata asa cum o vedem astazi. Dar descoperirile arata ca sute de milioane de specii noi au fost create in ultimii sute de milioane de ani, in timp ce altele au disparut. Asadar, viata nu este statica. Daca-i dam suficient timp, evolutia poate modifica complet viata de pe planeta, renuntand la speciile existente astazi si creand altele noi.

Bibliografie
HowStuffWorks
Understanding Evolution. 2017. University of California Museum of Paleontology
Pledoarie pentru o gandire stiintifica

Intelegerea originii vietii este, fara indoiala, una dintre cele mai mari provocari pentru omenire. Aceasta provocare a mutat in mod inevitabil acest puzzle dincolo de planeta noastra. Exista viata si pe alte planete? Viata de pe Pamant este un accident norocos sau viata este la fel de naturala precum legile universale ale fizicii ce guverneaza materia?

Jeremy England, un biofizician de la Institutul de Tehnologie Massachusetts (MIT), incearca sa raspunda la aceste intrebari. In anul 2013, England a formulat o ipoteza potrivit careia fizica poate declansa in mod spontan substantele chimice sa se organizeze in moduri in care acestea sa aiba calitati „asemanatoare organismelor vii”.

Acum, o noua cercetare realizata de England sugereaza ca fizica poate produce in mod natural reactii chimice de auto-replicare, unul dintre primii pasi spre crearea vietii din substante non-vii.

Astfel s-ar putea interpreta ca viata se datoreaza legilor fundamentale ale naturii, eliminand astfel norocul din ecuatie.

Desi biologia si fizica impartasesc principiile comune ale rationamentului stiintific, cele doua domenii evalueaza lumea in termeni diferiti. Biologia presupune existenta vietii si studiaza organismele vii. Spre deosebire de biologie, fizica se adreseaza materiei, indiferent ca este vie sau nu si isi propune sa identifice relatiile matematice predictive intre cantitatile masurate precum distanta, timp sau masa.

Cea mai obisnuita modalitate de a combina aceste perspective este de a cauta o explicatie in termeni fizici pentru modul in care functioneaza o anumita parte dintr-un organism. De la plierea proteinelor la activitatea electrica a neuronilor, totul se bazeaza pe legile fizicii.

Din punct de vedere fizic, exista o diferenta esentiala intre lucrurile vii si grupurile de atomi de carbon neinsufletite: cele dintai tind sa fie mult mai eficiente la captarea energiei din mediul lor si sa disipe acea energie ca si caldura.

Viata trebuie sa vina de la ceva; nu a existat intotdeauna viata. Viata se naste din componentele chimice brute si lipsite de viata, care s-au organizat in compusi prebiotici, creand astfel „caramizile” vietii, ce au format microbi si mai apoi au evoluat intr-o serie spectaculoasa de creaturi care exista astazi pe Pamant.

„Abiogeneza” este termenul folosit pentru a descrie transformarea a ceva nonbiologic in ceva biologic, iar England crede ca un anumit capitol al fizicii, termodinamica, ofera cadrul necesar acestei transformari.

„Nu as putea sustine ca am investigat originile propriu-zise ale vietii, ci mai degraba am demonstrat un principiu, incercand sa raspund la intrebarea cu privire la conditiile fizice necesare pentru aparitia de organizari si comportamente asemanatoare vietii in anumite substante chimice”, a spus Jeremy England.

Auto-organizarea in sistemele fizice

Cand energia este aplicata unui sistem, legile fizicii dicteaza modul in care aceasta energie se disipeaza. Daca se aplica o sursa externa de caldura pentru sistemul respectiv, va atinge un echilibru termic cu mediul inconjurator, asa cum s-ar raci o ceasca de cafea fierbinte lasata pe birou. Entropia sau cantitatea de hazard din sistem va creste odata cu disiparea caldurii. Dar unele sisteme fizice pot fi suficient de dezechilibrate si folosesc in mod optim o sursa externa de energie, declansand reactii chimice interesante de auto-sustinere, care impiedica sistemul sa atinga un echilibru termodinamic. Este ca si cum aceasta ceasca de cafea produce in mod spontan o reactie chimica care impiedica sa se raceasca si sa ajunga la o stare de echilibru. England a numit aceasta situatie „adaptare bazata pe disipare”.

Un atribut cheie al vietii este auto-replicarea sau, din punct de vedere biologic, reproducerea. Aceasta este baza pentru tot ce este viu: incepe simplu, se replica, devine mai complexa, iar ciclul continua. England spune ca „auto-replicarea este, de asemenea, o modalitate foarte eficienta de a disipa caldura si de a creste entropia in acel sistem”.

Intr-un studiu publicat in 18 iulie in Jurnalul Proceedings of the National Academy of Sciences, England si co-autorul Jordan Horowitz au testat ipoteza lor. Ei au efectuat simulari pe calculator pe un sistem inchis (un sistem care nu schimba caldura sau materie cu mediul exterior) continand o „supa” de 25 de substante chimice. Desi configurarea lor este foarte simpla, un tip similar de supa s-ar fi putut afla pe Pamant acum 4 miliarde de ani. Daca, de exemplu, aceste substante chimice sunt concentrate si incalzite de o sursa externa – de exemplu, un orificiu hidrotermal – elementele chimice vor avea nevoia sa disipe caldura, in conformitate cu legea a doua a termodinamicii. Caldura se disipa iar entropia sistemului va creste in mod inevitabil.

In anumite conditii ideale, England a descoperit ca aceste substante chimice pot optimiza energia aplicata sistemului prin auto-organizare si reactii intense de auto-replicare. Elementele chimice s-au reglat in mod natural.

Acesta este un model foarte simplu a ceea ce se intampla in biologie: energia chimica este arsa in celule care, prin natura lor, sunt in afara echilibrului, conducand procesele metabolice care mentin viata. Dar, asa cum recunoaste England, exista o mare diferenta intre gasirea calitatilor vietii intr-o supa chimica virtuala si viata in sine.

Imari Walker, fizician si astrobiologist la Universitatea de Stat din Arizona spune ca „exista un pod cu doua sensuri ce trebuie traversat din ambele directii; unul este ca sa intelegi cum ai obtinut caracteristicile vietii din sistemele fizice simple, iar celalalt este cum sa intelegi cum fizica poate da nastere vietii”.

Viata dincolo de Pamant?

Inainte de a incepe chiar sa raspundem la marea intrebare daca aceste sisteme fizice ar putea influenta aparitia vietii in alta parte a Universului, ar fi mai bine sa intelegem unde sunt mai intai aceste sisteme pe Pamant.

Atunci cand spunem „viata”, ne gandim la ceva impresionant precum o bacterie sau orice alta forma de viata care are enzima polimeraza si ADN. Polimerazele creeaza molecule de ADN prin asamblarea nucleotidelor. Aceste enzime sunt esentiale in procesul replicarii ADN-ului si de obicei lucreaza in perechi pentru a creea doua stranduri identice de ADN dintr-o singura molecula initiala de ADN. La fiecare diviziune a unei celule, enzima ADN polimeraza dubleaza ADN-ul celulei. In acest fel, informatia este transmisa din generatie in generatie.

Studiul realizat de Jeremy England nu identifica in mod specific modul in care viata poate aparea din non-viata, ci doar arata ca in anumite situatii chimice complexe se produce o organizare surprinzatoare. „Aceste simulari nu iau in considerare alte proprietati ale vietii precum adaptarea la mediul inconjurator sau reactia la stimuli. De asemenea, acest test de termodinamica pe un sistem inchis nu ia in considerare rolul reproducerii informatiei in originea vietii”, spune Michael Lassig, fizician statistician si biolog la Universitatea din Koln.

Lucrarea lui Jeremy England poate fi accesata la urmatorul link

Bibliografie

https://www.livescience.com/60250-did-life-emerge-from-physical-laws.html
https://www.space.com/37988-did-life-emerge-from-physical-laws.html
https://www.scientificamerican.com/article/a-new-physics-theory-of-life/
http://www.englandlab.com/uploads/7/8/0/3/7803054/2013jcpsrep.pdf

Sa presupunem ca niste extraterestri au aterizat pe Pamant si vor sa invete din cunostintele stiintifice actuale ale noastre. Am putea incepe cu documentarul Powers of Ten, realizat in anii 70. Intr-adevar, grafica este depasita, dar acest scurt film reuseste sa surprinda in mai putin de 10 minute o viziune cuprinzatoare asupra Universului.

Scenariul este simplu si elegant. Incepe cu un cuplu ce ia picnicul intr-un parc din Chicago. Apoi camera de filmat se indeparteaza. La fiecare 10 secunde campul de vizibilitate se ridica la puterea 10 – de la 10 metri la 100, apoi la 1000 si asa mai departe. Incet, imaginea ne dezvaluie orasul, continentul, Pamantul, Sistemul Solar, stelele vecine, Calea Lactee, pana la cele mai mari structuri ale Universului. Apoi, in a doua jumatate a filmului, camera se indreapta spre cele mai mici structuri, descoperind tot mai multe detalii microscopice. Calatorim in corpul uman si descoperim celulele, dublul helix al moleculei ADN, atomii, nuclee si in final, quarcuri si alte particule elementare.

Filmul surprinde frumusetea uimitoare a macrocosmosului si a microcosmosului, iar intelegerea secventei urmatoare este scopul oamenilor de stiinta care imping frontierele intelegerii noastre asupra celor mai mari si mai mici structuri ale Universului.

“Powers of Ten” ne invata de asemenea ca, in timp ce traversam diferitele scale de marime, timp si energie, calatorim si prin diferite domenii ale cunoasterii. Psihologia studiaza comportamentul uman, biologia examineaza viata si organismele vii, astrofizica studiaza planetele si stelele, iar cosmologia se concentreaza asupra originii si a destinului Universului. In mod similar, in microcosmos, navigam in domeniile biologiei, biochimiei si fizicii atomice, nucleare si fizica particulelor. Este ca si cum disciplinele stiintifice se formeaza in straturi, precum straturile geologice din Marele Canion.

Trecand de la un strat la altul, vedem exemple de reductionism. Indepartandu-ne si analizand lumea de sus, vedem noi modele ce emerg din comportamentul complex al blocurilor individuale. Reactiile biochimice dau nastere fiintelor vii, acestea se aduna in ecosisteme, asa cum stelele s-au adunat pentru a creea bratele spiralate ale galaxiilor.

Daca ne apropiem observam lumea microscopica, vedem reductionismul in actiune. Modelele complicate dispar, viata se reduce la reactiile dintre ADN, ARN, proteine si alte molecule organice. Complexitatea chimiei se pierde in frumusetea eleganta a atomului. Si in sfarsit, modelul standard al fizicii particulelor capteaza toate componentele cunoscute ale materiei si a radiatiei in doar 4 forte si 17 particule elementare.

Viata si legile fizicii

Care este diferenta intre fizica si biologie? Luati o minge si aruncati-o. Legile fizicii va permit sa preziceti traiectoria destul de exact. Acum repetati experimentul, dar folosind un porumbel (viu, evident). Desigur, sistemele biologice nu sfideaza legile fizicii, dar nici nu par a fi prezise de ele. In schimb, ele sunt directionate cu un scop: sa supravietuiasca si sa se reproduca. Putem spune ca au un scop – sau ceea ce filozofii numesc teleologie – ce ghideaza comportamentul.

In acelasi timp, fizica ne permite sa anticipam, sa prezicem, pornind de la starea Universului imediat dupa Big Bang. Dar nimeni nu-si inchipuie ca aparitia primelor celule de pe Pamant au condus in mod previzibil la aparitia rasei umane. Legile nu par sa dicteze evolutia.

Ernst Mayr a spus ca teleologia si contingenta istorica a biologiei, fac ca biologia sa fie deosebita printre stiinte. Ambele caracteristici se bazeaza pe acelasi principiu al evolutiei. Biologia depinde de sansa si accident, insa selectia naturala ii da aspectul intentiei si a scopului. De exemplu, animalele sunt atrase de apa, nu de o atractie magnetica, ci de instinctul lor, de intentia lor de a se hrani (pentru a supravietui). Iar picioarele servesc scopului, printre altele, de a ajuta organismul sa ajunga la apa.

Mayr a sustinut ca aceste trasaturi fac biologia diferita – o lege de la sine. Dar evolutiile recente din fizica, din stiinta complexa a sistemelor si din teoria informatiilor provoaca aceasta opinie.

Odata ce privim lucrurile vii ca agenti care efectueaza un calcul – colectarea si stocarea informatiilor despre un mediu imprevizibil – capacitatile precum replicarea, adaptarea, scopul si semnificatia pot fi intelese ca nefiind generate de o improvizatie evolutionista, ci de legile inevitabile ale fizicii. Cu alte cuvinte, se pare ca exista un fel de fizica a lucrurilor care fac lucruri si evolueaza sa faca lucruri. Semnificatia si intentia – considerate a fi caracteristicile definitorii ale sistemelor vii – pot aparea in mod natural datorita legilor termodinamicii si mecanicii statistice.

Prima incercare de a aduce informatia si intentia in legile termodinamicii a fost in secolul al 19-lea, cand mecanica statistica a fost inventata de James Clerk Maxwell. Maxwell a aratat ca introducerea acestor doua ingrediente parea sa faca posibila realizarea unor lucruri ce pareau imposibile la acea vreme.

Profesorul de la MIT, Jeremy England, spune ca “formula, bazata pe fizica, indica faptul ca atunci cand un grup de atomi este condus de o sursa extrema de energie (precum razele Soarelui sau un combustibil chimic) si inconjurat de caldura, se restructureaza pentru a disipa din ce in ce mai multa energie. Aceasta ar putea insemna ca, in anumite conditii, materia dobandeste in mod inevitabil atributul fizic cheie asociat cu viata”.

Viata si termodinamica

Ori de cate ori un sistem trece printr-un proces termodinamic, sistemul nu va mai putea sa revina la starea exacta de dinaintea acelui proces. Insa cea de-a doua lege a termodinamicii aplicata asupra originii vietii este o problema mult mai complicata decat dezvoltarea si evolutia vietii, deoarece nu exista un “model standard” al modului in care au aparut primele forme de viata biologice.

Lev Tolstoi spunea in Anna Karenina, ca “toate familiile fericite sunt la fel, fiecare familie nefericita este nefericita in propriul fel”. Exista multe modalitati prin care o casatorie poate esua – probleme financiare, legate de parinti, conflicte de valori sau principii, lipsa de incredere, infidelitate etc. O dezordine in oricare dintre aceste zone poate distruge o familie. Pentru a fi fericit, cu toate acestea, e nevoie de un anumit grad de succes in fiecare domeniu important. Altfel spus, toate familiile fericite sunt la fel pentru ca au aceeasi structura. Dezordinea poate aparea in multe feluri, dar ordinea, doar intr-un fel.

Daca ai o combinatie de talente, abilitati si interese, dar traiesti intr-o societate si o cultura mai larga care nu au fost concepute cu aceste abilitati in minte, avand in vedere ceea ce stim despre entropie, care ar fi sansele ca mediul sa fie optim pentru talentele tale?

Este foarte putin probabil ca viata sa te puna intr-o situatie care ti se potriveste perfect. Din toate scenariile posibile pe care le-ai putea intalni, este mult mai probabil sa intalnesti unul care sa nu te satisfaca.

Biologii folosesc termenul numit “conditii de nepotrivire” pentru a descrie atunci cand un organism nu este potrivit pentru o situatie cu care se confrunta. Si avem chiar expresii binecunoscute pentru situatii de neconcordanta: “ma simt ca un peste pe uscat”. Evident, atunci cand te afli intr-o situatie de nepotrivire, este mai greu sa reusesti si sa castigi.

La prima vedere, organismele vii par a incalca sistematic principiul al II-lea al termodinamicii, deoarece, cel putin in prima parte a vietii lor, se organizeaza spontan, marindu-si gradul de ordine iar entropia lor in loc sa creasca, scade. O asemenea concluzie (ca viata incalca principiul al II-lea) este posibila numai daca se ignora faptul ca sistemele biologice sunt sisteme deschise, iar procesele biologice sunt procese ireversibile.

Principiul al II-lea al termodinamicii postuleaza cresterea entropiei intr-un sistem izolat in care procesele se desfasoara de la sine. Este adevarat ca procesele biologice se desfasoara de la sine, dar este in acelasi timp, evident ca sistemul biologic nu este izolat. Organismele vii preiau din mediul inconjurator (sub forma de hrana) molecule complexe cu entropie scazuta si elimina in exterior molecule simple ce rezulta din arderea primelor. Se poate spune ca organismul preia din mediul inconjurator entropie negativa (sau negentropie) si elimina in mediu entropie pozitiva.

Procesele biologice sunt ireversibile; formularea locala a principiului II al termodinamicii afirma ca desfasurarea unui proces ireversibil intr-un domeniu oricat de mic al unui sistem termodinamic este insotita intotdeauna de producere de entropie chiar in acel loc.

Intr-adevar, in organism, la nivel celular au loc procese termodinamice generatoare de entropie, dar tot acolo, pe seama acestor procese, se desfasoara in paralel procese producatoare de ordine, care duc la scaderea entropiei. Procesul generator de entropie este numit proces cuplant, iar procesele care se desfasoara pe seama lui si se soldeaza cu scadere de entropie se numesc procese cuplate.

Variatia totala a entropiei la nivel de celula este, totusi, pozitiva, deoarece producerea de entropie in procesele cuplante depaseste scaderea de entropie asociata proceselor cuplate.

In organism, procesele cuplante sunt reprezentate de arderile metabolice (care alcatuiesc catabolismul) in timp ce procesele cuplate constau in biosinteze ale macromoleculelor (anabolism) si in constructii de structuri biologice cu mare grad de ordine.

In timp ce produsii de aredere (CO2, H2O etc) sunt eliminati prin respiratie, excretie etc, produsii biosintezelor raman in organism, devenind parti constituente ale acestuia.

De ce entropia este importanta?

Probabil v-ati intrebat ce treaba au exemplele despre relatii, familie si viata de zi cu zi, mentionate mai sus, cu entropia? Imaginati-va ca luati o cutie de puzzle si aruncati toate piesele pe o masa. Teoretic, este posbil ca piesele sa cada perfect la locul lor si sa creeze un puzzle complet. Dar in realitate, asta nu se intampla niciodata. De ce nu este posibil? Pentru ca sansele sunt coplesitoare impotriva. Fiecare piesa ar trebui sa cada doar in locul potrivit pentru a crea puzzle-ul complet. Exista o singura situatie posibila in care fiecare piesa este in ordine, dar exista un numar aproape infinit de stari in care piesele sunt in dezordine. Din punct de vedere matematic, este incredibil de putin probabil ca acest lucru sa se intample.

In mod similar, daca construim un castel de nisip pe plaja si revenim cateva zile mai tarziu, acesta nu va mai fi acolo. Exista o singura combinatie a particulelor de nisip care arata ca acel castel, dar un numar infinit de combinatii care nu vor arata la fel.

Acestea sunt doar niste exemple simple ale esentei entropiei. Entropia e masura dezordinii. Si exista intotdeauna mai multe variatii dezordonate decat ordonate.

Iata un lucru esential despre entropie: aceasta creste intotdeauna in timp. Este tendinta naturala a lucrurilor de a pierde ordinea. Lasata pe cont propriu, viata va deveni intotdeauna mai putin structurata. Castelele de nisip se distrug, relatiile neglijate se rup, buruienile napadesc gradinile, monumentele vechi se prabusesc, iar muntii erodeaza.

Aceasta este cunoscuta ca cea de-a doua lege a termodinamicii si este unul dintre conceptele fundamentale ale fizicii si una din legile fundamentale ale Universului. Pe termen lung, nimic nu scapa de aceasta lege. Totul se descopune, iar dezordinea este in crestere.

Dar inainte sa intram in depresie, exista si o veste buna. Putem lupta impotriva entropiei si asta pentru ca suntem vii. Putem rezolva un puzzle imprastiat, putem rupe buruienile din gradina si ne putem curata locuinta. Dar pentru ca Universul inclina in mod natural spre dezordine, trebuie sa consumam energia pentru a creea stabilitate, structura si simplitate. Relatiile de succes necesita grija si atentie. Casele necesita curatenie si intretinere, iar echipele de succes necesita comunicare si colaborare. Fara efort, lucrurile se vor distruge.

Aceasta dezordine are o tendinta naturala de a creste in timp dar putem contracara aceasta tendinta prin folosirea energiei – iar asta ne dezvaluie scopul vietii.

Pamantul capteaza o mica parte a radiatiei solare. Deoarece, in ansamblu, Pamantul sta intr-o stare de echilibru, pierderea de energie echilibreaza energia de intrare. Diferitele fluxuri care contribuie la acest proces de reglare sunt destul de complexe si includ reflexia, absorbtia de catre atmosfera cu pierderi de energie pe cai termice (emisii in infrarosu), absorbtia pasiva si re-emisia de IR, absorbtia de catre plante etc. Balanta energetica globala include, de asemenea, sursele de caldura endogene ale Pamantului.

Unde intra viata in aceasta ecuatie? Ludwig Boltzmann in 1886 spunea ca “lupta generala a fiintelor animate pentru existenta nu este o lupta pentru materiile prime – acestea, pentru organisme, sunt aerul, apa si solul, toate disponibile din belsug – nici pentru energia care exista in abundenta in orice organism sub forma de caldura, ci lupta pentru entropie (negativa), care devine disponibila prin transferul energiei de la Soarele fierbinte catre Pamantul nostru rece”.

Desi mecanismul de fotosinteza este astazi bine explorat si avem mai mult decat o “idee” despre cum functioneaza procesele chimice, intelegerea lui Boltzmann este inca de actualitate. Daca presupunem ca biosfera este, intr-un anumit timp, in stare de echilibru, orice energie interceptata de stratul subtire al vietii de pe suprafata Terrei, trebuie de asemenea, sa fie convertita in cele din urma in caldura.

Factorii care influenteaza emisiile si efectul de sera vor complica aceasta imagine simpla, dar noi le vom ignora pentru moment. O parte substantiala a energiei luminoase este interceptata de biosfera, predominant de plante, alge si cianobacterii. Fractiunea interceptata asigura fotosinteza si, prin urmare, e ceea ce sustine viata pe Pamant.

In timp ce in principiu, putem trata biosfera ca un sistem fizico-chimic care functioneaza conform legilor fizicii, i s-a adaugat mai nou, o noua dimensiune: cea a informatiei. Homo sapiens a invatat cum sa comunice folosind limbajul, sa astearna pe pergament informatia si sa sa o transmita mai departe. Schimbarea de informatii intre generatii a dus la o schimbare semnificativa a continutului informational al biosferei. Exista schimbari majore (orase, drumuri, porturi, Internet etc) si efecte antropice asupra biosferei, care ar putea fi luate ca si consecinte ale unei sofisticari sporite in urma exploatarii informatiei.

Tendinta catre echilibru

Legea a doua a termodinamicii poate fi formulata in mai multe feluri, dar prezice un singur lucru: o stare de echilibru plictisitoare si o moarte termica inevitabila a Universului si implicit a vietii. Afirmatia lui Rudolf Julius Emanuel Clausius, fizician si matematician, “entropia Universului tinde spre uniformitate” poate fi privita ca o forma a legii a doua a termodinamicii. Cu toate acestea, dupa cum vedem, lumea prezinta un model interesant al vietii, care genereaza in mod constant structuri impresionant de ordonate, de la microorganisme, flori si pana la Homo sapiens. Deci cum este posibil ca un organism viu sa existe, sa supravietuiasca si sa evolueze, nu sa se indrepte catre o moarte lenta si rece?

Aceste intrebari interesante au fost abordade de Schrodinger in 1944, o data cu publicarea faimoasei sale carti “Ce este viata?”. Schrodinger a spus “cum poate organismul viu sa evite degradarea? Raspunsul evident este: prin consumul de alimente, apa, prin respiratie si (in cazul plantelor) prin asimilare. Termenul tehnic se numeste metabolism”.

Cu toate acestea, Schrodinger a subliniat ca metabolismul in sine nu explica nimic: “Orice atom de azot, oxigen, sulf etc este la fel de bun ca oricare altul de acest gen, ceea ce ar putea fi castigat prin schimbarea lor?” Acelasi lucru pare sa fie valabil si invers: “Deoarece, desigur, o calorie valoreaza la fel de mult ca orice alta calorie, nu se poate vedea cum ar putea fi de ajutor un simplu schimb”. Astfel, Schrodinger a ajuns la celebra remarca: “Organismele se hranesc cu entropie negativa. Sau, pentru a spune mai putin paradoxal, chestiunea esentiala in metabolism este ca organismul reuseste sa se elibereze de toata entropia care nu o poate ajuta in timp ce este in viata”.

Conceptul sau de “entropie negativa”, sau “negentropie” a dat nastere unor discutii si critici cu privire la semnificatia sa. Chiar si la 60 de ani de la publicarea cartii sale, “Ce este viata?”, s-au organizat simpozioane si s-au publicat colectii de lucrari care s-au concentrat in jurul intrebarii lui Schrodinger.

Entropia negativa poate fi interpretata pe baza unui echilibru entropic in jurul celulei vii. In acest echilibru, care considera organismele vii ca fiind sisteme deschise, reprezinta rata de schimb a nutrientilor si a produsilor prin peretele unei celule, cu o entropie partial molara.

Potrivit legii a II-a a termodinamicii si avand in vedere faptul ca viata si cresterea sunt procese clar ireversibile, entropia este intotdeauna generata intern, adica produsul este intotdeauna pozitiv. Dupa cum a subliniat si Schrodinger, organismele vii trebuie sa mentina o stare de organizare si sa evite o crestere a entropiei. Prin urmare, entropia interna trebuie sa fie transferata in mediul inconjurator fie prin schimbul de entropie (caldura), fie prin producerea de produse cu entropie mai mare decat nutrientii. In cele din urma, entropia produsa ar depasi importul de entropie cu substante nutritive, si astfel, s-ar produce un transfer net de entropie in mediul inconjurator.

Termodinamica mortii

Imbatranirea a fost considerata ca o trasatura dictata de evolutie. Organismele care au o durata de viata limitata creeaza oportunitati de reproducere iar apoi, de inlocuire cu niste urmasi mai bine adaptati la mediul inconjurator. Aceasta pare sa fie doar o parte din poveste, pentru ca Hildegard Meyer-Ortmanns, fizician la Universitatea din Bremen, considera ca in cele din urma imbatranirea este un proces fizic, nu biologic, si este guvernat de termodinamica.

Cu siguranta nu este pur si simplu o chestiune de epuizare a resurselor. “Majoritatea celulelor din care suntem facuti sunt inlocuite de nenumarate ori in decursul vietii, inainte de a avea sansa de a imbatrani”, a spus Meyer-Ortmanns. Dar acest proces de reinnoire nu este perfect. Termodinamica copierii informatiilor spune ca trebuie sa existe un compromis intre precizie si energie. Un organism are o sursa finita de energie, astfel incat erorile se acumuleaza in timp. Organismul trebuie apoi sa consume o cantitate din ce in ce mai mare de energie pentru a remedia aceste erori. Procesul de inlocuire a celulelor produce in cele din urma copii prea defecte pentru a functiona corect; iar apoi, urmeaza moartea.

Dovezile empirice par sa suporte aceasta ipoteza. Este cunoscut faptul ca celulele umane se divid de 40-60 de ori (numita limita Hayflick) inainte de a se opri. Si observatiile recente asupra longevitatii umane au sugerat ca poate exista un motiv fundamental pentru care oamenii nu pot supravietui mult peste 100 de ani.

Exista o dorinta aparenta a acestor sisteme eficiente, organizate, predictive, sa apara intr-un mediu fluctuant si in dezechilibru. Noi insine suntem un astfel de sistem, asa cum au fost stramosii nostrii, pana la primele celule primitive. Iar acest dezechilibru termodinamic pare sa ne spuna ca in aceste circumstante, este exact ceea ce conteaza.

Cu alte cuvinte, aparitia vietii pe o planeta precum a noastra, insotita de surse de energie (lumina soarelui, activitatea vulcanica) care pastreaza lucrurile in afara echilibrului, nu pare sa fie un eveniment extrem de putin probabil.

Ceea ce Ernst Mayr a considerat esential pentru biologie – sens si intentie – poate parea ca o consecinta fireasca a statisticii si a termodinamicii. In acelasi timp, astronomii ne-au aratat cat de multe alte lumi exista in Univers. Multe sunt departe de echilibru, la fel ca si planeta noastra, iar viata joaca dupa aceleasi reguli ale fizicii.

Bibliografie:

Boltzmann, Ludwig (1974). The second law of thermodynamics.
Russell Doolittle, „The Probability and Origin of Life” (1984)
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0005272899000651
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2577055/
http://daneremia.eu/curs/05elemente_de_termodinamica_biologica/asp.htm
https://www.quantamagazine.org/the-computational-foundation-of-life-20170126/
https://www.quantamagazine.org/to-solve-the-biggest-mystery-in-physics-join-two-kinds-of-law-20170907/
http://whatislife.stanford.edu/LoCo_files/What-is-Life.pdf
https://www.youtube.com/watch?v=0fKBhvDjuy0

Unul dintre cele mai frecvente tipuri de experimente este un experiment controlat. Iata o privire asupra a ceea ce este un astfel de experiment si de ce acesta este atat de popular in stiinta.

Un experiment controlat este unul in care totul este mentinut constant, cu exceptia unei variabile. De obicei, se ia un set de date pentru un grup de control, care este in mod obisnuit starea normala si sunt examinate unul sau mai multe grupuri, in care toate conditiile sunt identice cu grupul de control, cu exceptia acestei variabile.

Uneori este necesara schimbarea a mai multor variabile, dar toate conditiile experimentale vor fi controlate astfel incat sa se schimbe doar variabilele examinate.

Cum se efectueaza un experiment controlat?

Sa presupunem ca doriti sa stiti daca tipul de sol afecteaza durata de germinare a unei seminte si doriti sa realizati un experiment controlat pentru a raspunde la aceasta intrebare. Puteti lua cinci vase identice, sa umpleti fiecare vas cu un alt fel de sol si sa plantati semintele. Asezati vasele intr-un loc luminos, udati-le si masurati cat timp este necesar pentru a inmuguri semintele din fiecare oala. Acesta este un experiment controlat deoarece obiectivul dumneavoastra este de a mentine constanta fiecare variabila, cu exceptia tipului de sol pe care il utilizati.

De ce experimentele controlate sunt importante?

Marele avantaj al unui experiment controlat este ca puteti elimina o mare parte din incertitudinea cu privire la rezultate. Daca nu ati putea controla fiecare variabila (de ex. lumina, temperatura, cantitatea de apa) s-ar putea sa ajungeti la un rezultat confuz. De exemplu, daca ati plantat tipuri diferite de seminte in fiecare vas, incercand sa determinati cum afecteaza diferitele tipuri de soluri, puteti ajunge la rezultate eronate, deoarece unele tipuri de seminte germineaza mai repede decat altele. Nu am putea spune, cu certitudine, ca rata de germinatie se datoreaza tipului de sol.

Sau, daca am aseza niste vase intr-o fereastra insorita iar altele in umbra, sau am uda unele ghivece mai mult decat altele, am putea obtine rezultate mixte. Valoarea unui experiment controlat este ca ofera un grad ridicat de incredere in rezultat.

Sunt toate experimentele controlate?

Nu, nu sunt. Insa este posibil sa se obtina date utile din experimente necontrolate, insa este mai greu sa se traga concluzii din acestea. Un exemplu in care experimentele controlate sunt dificile este testul uman. Sa zicem ca doriti sa stiti daca o pastila de dieta ajuta la scaderea in greutate. Puteti aplica un astfel de tratament pe un esantion de persoane si sa masurati greutatea acestora la anumite intervale de timp. Puteti incerca sa controlati cat mai multe variabile posibil, cum ar fi cat exercitiu fizic fac pe zi sau cat de multe calorii consuma. Cu toate acestea, veti avea mult mai multe variabile necontrolate precum varsta, sexul, predispozitia genetica fata de un metabolism ridicat sau scazut, cat de supraponderali au fost inainte de inceperea testului sau daca consuma din greseala ceva care poate interactiona cu medicamentul.

Desi este greu de tras concluzii in urma experimentelor necontrolate, deseori apar modele care nu ar fi putut observate intr-un experiment controlat. De exemplu, este posibil sa observati ca dieta pare sa functioneze pentru subiectii de sex feminin, dar nu si pentru subiectii de sex masculin. Acest lucru poate duce la un nou experiment si la o posibila descoperire. Daca ati fi efectuat un experiment controlat, doar pe sex masculin, ati fi ratat aceasta conexiune.

Oamenii si animalele nu pot respira in absenta oxigenului si astfel organismele nu pot procesa substantele organice pentru a obtine energie. Dar oare toate organismele au nevoie de aer? Raspunsul este nu.

Exista organisme care respira in absenta aerului, iar respiratia lor se numeste respiratie anaeroba sau fermentatie.

Acest proces este utilizat pentru a produce vin, bere, iaurt dar si alte produse. Iata o privire asupra procesului chimic care are loc in timpul fermentatiei.

Fermentatia este un proces metabolic in care un organism transforma un carbohidrat, cum ar fi amidonul sau zaharul, intr-un alcool sau un acid. De exemplu, drojdia efectueaza fermentarea pentru a obtine energie prin transformarea zaharului in alcool. Bacteriile efectueaza fermentatia, transformand carbohidratii in acid lactic.

Fermentatia este un proces natural. Oamenii au aplicat fermentarea pentru a produce produse precum vinul, mierea, branza si berea cu mult inainte ca procesul biochimic sa fie inteles. In anii 1850 Louis Pasteur a devenit primul om de stiinta care a studiat fermentatia atunci cand a demonstrat ca ar fi cauzata de celulele vii.

Fermentatia etanolului

Drojdia si anumite bacterii efectueaza fermentatia cu etanol in care acidul piruvic (din metabolismul glucozei) este rupt in etanol si dioxid de carbon. Reactia fermentatiei alcoolice este C6H12O6 (glucoza) → 2 C2H5OH (etanol) + 2 CO2 (dioxid de carbon).

Fermentatia lactica

Acidul piruvic poate fi fermentat in acid lactic. Fermentatia cu acid lactic este utilizata pentru a transforma lactoza in acid lactic. Acest tip de fermentatie este folosit pentru producerea de branzeturi si lactate. Ecuatia pentru producerea acidului lactic din glucoza este: C6H12O6 (glucoza) → 2 CH3CHOHCOOH (acid lactic).

Productia de acid lactic din lactoza si apa poate fi rezumata astfel: C12H22O11 (lactoza) + H20 (apa) → 4 CH3CHOHCOOH (acid lactic).

Fermentatia acetica

Fermentatia acetica este un alt tip de fermentatie si este produsa de catre aceto-bacterii. Ca produs intermediar, rezulta acidul acetic. Prin fermentatia acetica a vinului obtinem otetul. Fermentatia acetica mai este utilizata si la conservarea muraturilor. Desi este considerata fermentatie, aceasta se desfasoara in prezenta oxigenului conform reactiei: C2H5OH + O2 → CH3COOH + H2O.

Un virus este o particula infectioasa ce prezinta atat caracteristicile vietii cat si ale non-vietii. Virusurile sunt diferiti de plante, animale sau bacterii in structura si functia lor. Nu sunt celule si nu se pot replica singure. Virusurile se bazeaza pe o gazda pentru producere, reproducere si supravietuire. Desi de obicei au numai 20-400 nanometri in diametru, virusurile sunt cauza multor boli umane, inclusiv gripa, varicela si raceala.

Unele virusuri cauzeaza cancer

Anumite tipuri de cancere au fost legate de virusurile canceroase. Limfomul Burkitt, cancerul de col uternic, cancerul hepatic, leuccemia celulelor T, sunt exemple de cancer care au fost asociate cu diferite tipuri de infectii virale. Majoritatea infectiilor virale, totusi, nu provoaca cancer.

Nu toate virusurile au membrana

Virusurile au un invelis protector de natura proteica, numit capsida. Capsida si genomul viral alcatuiesc nucleocapsida. La virusurile mai complexe mai apare un invelis exterior de natura proteica numit pericapsida, peplos sau anvelopa virala. Prezenta sau absenta unei anvelope este un factor important in modul in care un virus interactioneaza cu membrana gazdei, cum intra intr-o gazda si cum iese din gazda dupa maturizare. Virusurile pot intra in gazda prin fuziune cu membrana gazda pentru a elibera materialul lor genetic in citoplasma, in timp ce virusurile fara o membrana trebuie sa intre intr-o celula prin endocitoza.

Entocitoza este procesul de internalizare de catre celule a unor macromolecule, particule sau chiar a altor celule. Materialul extracelular este inconjurat progresiv de catre membrana celulara care apoi formeaza o invaginatie inspre interiorul celulei si apoi se desprinde, formand o vezicula endocitica ce contine substanta ingerata.

Exista doua clase de virusuri: virusul ADN si ARN

Virusurile pot contine ADN monocatenar sau dublu catenar ca baza pentru materialul genetic al acestora, iar unele contin chiar ARN monocatenar sau dublu catenar. Mai mult, anumite virusuri au informatia lor genetica organizata ca fire simple, in timp ce altele au molecule circulare. Tipul de material genetic continut intr-un virus nu determina numai ce tipuri de celule sunt gazde viabile, ci si modul in care virusul este replicat.

Un virus poate “hiberna” intr-o gazda ani de zile

Virusurile au un ciclu de viata impartit in mai multe faze. Virusul se ataseaza mai intai la gazda prin intermediul proteinelor specifice de pe suprafata celulei. Aceste proteine sunt, in general, receptori care difera in functie de tipul de virus vizat de celula. Odata atasat, virusul intra in celula prin endocitoza sau fuziune. Mecanismele gazdei sunt utilizate pentru a replica ADN-ul sau ARN-ul virusului. Cand virusul ajunge la maturitate, membrana externa este lizata pentru a permite noilor virusuri sa repete ciclul.

Exista o etapa inainte de replicare, cunoscuta sub denumirea de faza lizogena sau inerta, ce are loc  doar intr-un numar limitat de virusuri. In timpul acestei faze, virusul poate ramane in interiorul gazdei pentru perioade lungi de timp fara a provoca schimbari aparente in celula gazda. Odata activat, totusi, aceste virusuri pot intra imediat intr-o alta faza in care apare replicarea, maturarea si eliberarea. Virusul HIV, de exemplu, poate sa ramana latent timp de 10 ani.

Virusurile infecteaza celulele animalelor, plantelor dar si bacteriile

Virusurile pot infecta atat celulele bacteriene cat si cele eucariote. Cele mai cunoscute virusuri eucariote sunt virusurile animale, dar pot afecta si plantele. Aceste virusuri de plante au de obicei nevoie de ajutorul unor insecte sau bacterii pentru a penetra peretele celular al unei plante. Odata ce planta este infectata, virusul poate provoca mai multe boli care de obicei nu ucid planta, ci provoaca deformari in cresterea si dezvoltarea plantei.

Un virus care infecteaza bacteriile este cunoscut ca bacteriofag. Bacteriofagii urmeaza aceleasi cicluri de viata ca si virusurile eucariote si pot provoca boli in bacterii si le pot distruge. De fapt, aceste virusuri se replica atat de eficient incat pot distruge rapid colonii intregi de bacterii. Bacteriofagii au fost utilizati in diagnosticarea si tratamentul infectiilor cauzate de bacterii precum E. Coli si Salmonella.

Unele virusuri utilizeaza proteinele umane pentru infectarea celulelor

HIV si ebola sunt exemple de virusuri care folosesc proteine umane pentru a infecta celulele. Capsida virala contine atat proteine virale cat si proteine din membranele celulare ale celulelor umane. Proteinele ajuta la “deghizarea” virusului.

Retrovirusurile sunt folosite in clonarea si terapia prin gene

Un retrovirus este un tip de virus care contine ARN si foloseste propria enzima numita reverstranscriptaza pentru a produce ADN din ARN si astfel “intoarce” sablonul initial, de unde si prefixul “retro” (invers). Noua secventa de ADN este incorporata in genomul gazdei cu ajutorul unei enzime numite integraza. Celula gazda se comporta cu noua secventa de ADN ca si cum aceasta ar face parte din propriile sale instructiuni, pe care le urmeaza neconditionat, facand proteinele necesare pentru asamblarea noilor copii ale virusului.

O categorie speciala de retrovirusuri o constituie retrovirusurile endogene care sunt integrate in genomul gazdei si pot fi mostenite si transmise de la o generatie la alta. Virusul pastreaza informatia sa genetica sub forma de ARN mesager. Se integreaza in genomul celulei gazda, devine un parazit si declanseaza infectii. Se estimeaza ca aproximativ 8% din genomul uman e reprezentat de cod genetic provenit de la retrovirusuri.

Aceste retrovirusuri au fost folosite ca instrumente importante in descoperirea stiintifica. Oamenii de stiinta au modelat multe tehnici dupa retrovirusuri, inclusiv clonarea, secventierea si unele tehnici de terapie genetica.

In viata de zi cu zi, intelegem intuitiv cum functioneaza lumea. Daca scapi un pahar pe jos acesta se va sparge, daca impingi un obiect, se va misca. Exista legi fundamentale ale fizicii care se desfasoara in jurul nostru si pe care le intelegem instinctiv, fara sa necesite cunostinte teoretice de fizica.

La inceputul secolului, oamenii de stiinta au crezut ca toate legile de baza ale fizicii ar trebui sa se aplice la tot ceea ce exista in natura. Asta pana a aparut mecanica cuantica.

In timp ce fizica clasica explica materia si energia la o scara familiara experientei umane, mecanica cuantica este stiinta lucrurilor mici. Ea explica comportamentul materiei si interactiunile ei cu energia la nivel atomic si subatomic.

In vreme ce Einstein si Hubble desluseau structura larga a cosmosului, altii se luptau din greu sa inteleaga ceva aparent mai la indemana, dar, in felul sau, la fel de indepartat: atomul.

Atomul este cea mai mica unitate constitutiva a materiei comune care are proprietatile unui element chimic. Orice solid, lichid, gaz sau plasma este compus din atomi neutri sau ionizati. Acestia sunt foarte mici, in jur de 100 pm (a zecea miliardime dintr-un metru).

Atomii sunt unitatile de baza ale materiei si structura definitoare a elementelor. Termenul de „atom” vine de la cuvantul grecesc si inseamna „indivizibil”, deoarece se credea ca atomii erau cele mai mici lucruri din Univers. Acum stim ca atomii sunt compusi din trei particule: protoni, neutroni si electroni – care la randul lor, sunt compuse din particule chiar mai mici, cum ar fi cuarcurile.

Principala structura functionala formata din atomi este molecula. O molecula reprezinta doi sau mai multi atomi care conlucreaza intr-un aranjament mai mult sau mai putin stabil. Daca adaugati doi atomi de hidrogen la unul de oxigen, obtineti o molecula de apa. Chimistii gandesc in general in termeni de molecule si nu de elemente, cam in acelasi fel in care scriitorii gandesc in termen de cuvinte si nu de litere. Iar aceste molecule sunt extrem de mici… La nivelul marii, la o temperatura de 0 grade C, un centimetru cub de aer contine 45 de miliarde de miliarde de molecule. Si tot atatea se afla in fiecare centimetru cub din jurul lui. Gandeste-te cati centimetri cubi se afla dincolo de fereastra ta – si apoi gandeste-te de cate astfel de cuburi e necesar pentru a construi un Univers.

Si nu doar ca atomii sunt numerosi, dar sunt si longevivi. Fiecare atom aflat in posesia ta a trecut aproape sigur prin mai multe stele si a facut parte din milioane de organisme pe drumul sau. Fiecare dintre noi suntem atat de bogati in atomi, iar dupa moarte suntem atat de bine reciclati, incat un numar important din atomii nostri – pana la un miliard din fiecare dintre noi – probabil ca au apartinut candva lui Shakespeare, Buddha sau Genghis-Han.

Prin urmare, toti suntem reincarnari – cand murim, atomii nostri se dezasambleaza si trec mai departe sa-si gaseasca alte intrebuintari – o frunza, o fiinta sau o boaba de roua. Nimeni nu stie exact cat traieste un atom, dar potrivit lui Martin Rees, probabil circa 10³⁵ ani – un numar incredibil de mare.

Pe la inceputul secolului XX, se stia ca atomii sunt alcatuiti din componente – descoperirea electronului de catre Thomson stabilise acest lucru – dar nu se cunostea cate sunt, cum si unde se imbina sau ce forma iau. Unii fizicieni credeau ca atomul ar putea avea forma de cub, deoarece cuburile pot fi asamblate foarte precis, fara pierdere de spatiu.

In 1910 Rutherford a bombardat o foita de aur cu atomi de heliu ionizati. Spre uluirea lui Rutherford, cateva particule au tasnit inapoi. Era ca si cum, a spus el, ai trage cu un proiectil de 15 toli intr-o coala de hartie si ti-ar veni inapoi in poala. Acest lucru pur si simplu nu trebuia sa se intample. Dupa o cugetare considerabila, si-a dat seama ca nu exista decat o singura explicatie: particulele care au ricosat se loveau de ceva mic si dens din inima atomului, in vreme ce alte particule isi croiau drum nestanjenite. Un atom, a conchis Rutherford, era alcatuit in mare parte din spatiu gol si avea un nucleu dens in centru. Era o descoperire care sa-ti mearga la inima, dar care crea imediat o problema. Dupa toate legile fizicii conventionale, rezulta ca atomul nu ar trebui sa existe.

Fiecare atom este alcatuit din trei tipuri de particule elementare: protonii, electronii si neutronii. Numarul de protoni este cel care ii confera atomului identitatea sa chimica. Un atom cu un singur proton este un atom de hidrogen, unui cu doi protoni este de heliu, cu trei este de litiu si tot asa in sus, pe scara. De fiecare data cand adaugam un proton, obtinem un nou element.

Neutronii nu influenteaza identitatea atomului, dar ii cresc masa. Numarul lor este in general cam acelasi cu numarul de protoni. Neutronii si protonii ocupa nucleul atomului, care este extrem de mic – 1 milion din 1 miliarda parte din intregul atom – dar care este extrem de dens.

Daca ne gandim ca atomii reprezinta in mare parte spatiu gol si ca soliditatea pe care o vedem pretutindeni in jur este doar o iluzie, notiunea este inca ametitoare. In lumea reala, cand doua obiecte se ciocnesc, precum doua bile de biliard, ele nu se lovesc de fapt una de cealalta. Timothy Ferris descrie cum “campurile incarcate cu sarcina negativa ale celor doua bile se resping reciproc… Daca nu ar exista sarcinile lor electrice, ar putea trece unele prin altele nevatamate, precum galaxiile”. Cand stai pe un scaun, de fapt nu stai pe el, ci levitezi deasupra lui la o inaltime de un angstrom (a suta milioana parte dintr-un centimetru), iar electronii tai si cei ai scaunului se opun implacabil.

Richard Feynman observa ca, “intrucat comportamentul atomilor este atat de diferit de experienta noastra obisnuita, este foarte dificil sa il accepti; el lasa impresia de ciudatentie si mister tuturor, atat incepatorilor, cat si fizicienilor experimentati”.

Electronii, cand au fost descoperiti prima data, se comportau ca niste particule. Cercetarile ulterioare aratau ca se comporta ca unda. O data cu trecerea timpului, a existat o confuzie din ce in ce mai mare despre cum se comporta cu adevarat aceste particule – corpuscul sau unda? Unda sau corpuscul? Totul arata ca materia prezinta ambele proprietati, atat corpusculare cat si ondulatorii.

Principiul de incertitudine

In 1926, Heisenberg a venit cu o idee noua ce avea sa duca la o noua disciplina, mecanica cuantica. In centrul ei se afla Principiul Incertitudinii al lui Heisenberg, care afirma ca electronul este o particula, dar una ce poate fi descrisa in termeni de unda. Incertitudinea in jurul careia este construita teoria spune ca putem sti calea pe care o urmeaza un electron atunci cand se misca intr-un spatiu sau putem sti unde se afla intr-un anumit moment.

In practica, inseamna ca nu putem prezice unde se afla un electron la un moment dat, putem preciza doar probabilitatea prezentei sale acolo. Asadar, atomul s-a dovedit a fi destul de diferit de imaginea pe care si-o formasera cei mai multi oameni. Electronul nu zboara in jurul nucleului asemenea unei planete in jurul stelei ei, ci ia mai mult aspectul amorf al unui nor. Iar ciudatenia nu se termina aici – pe masura ce cercetau mai adanc, fizicienii isi dadeau seama ca au descoperit o lume in care nu numai ca electronii puteau sari de la o orbita la alta fara sa treaca printr-un spatiu intermediar, dar materia putea lua nastere subit, din nimic, cu conditia sa dispara din nou suficient de repede.

Conform principiului de incertitudine al lui Heisenberg, un fenomen fizic nu poate fi descris ca o particula clasica sau ca o unda, ci ca dualitatea formata dintre cele doua. Notiunile de traiectorie si impuls isi pierd sensul, intrucat pozitia si viteza particulei nu pot fi determinate cu o precizie infinita, ca in teoriile clasice. Amplitudinea functiei de unda determina probabilitatea ca particula sa existe intr-o anumita regiune a spatiului. Astfel, cu cat zona in care amplitudinea este diferita de zero este mai mica, cu atat localizarea particulei este mai precisa. In acelasi timp, impulsul este bine precizat atunci cand lungimea de unda este bine determinata, ele fiind legate prin relatia de Broglie. Pentru aceasta este necesar ca functia de unda sa aiba anumite proprietati de periodicitate pe un interval cat mai mare. Prin urmare, o localizare cat mai exacta a particulei duce la imposibilitatea determinarii impulsului si, invers, o definire cat mai exacta a lungimii de unda presupune o imprecizie in stabilirea pozitiei particulei.

Principiul de incertitudine stabileste limitele dintre teoriile fizicii clasice si cele ale mecanicii cuantice. Aceasta ipoteza poate fi considerata corecta si la nivel macroscopic deoarece proprietatile ondulatorii nu se manifesta. Efectele cuantice trebuie luate in considerare pentru marimi fizice comparabile cu constanta lui Planck, despre care vom vorbi mai tarziu.

Principiul de excluziune

Poate cea mai naucitoare dintre improbabilitatile cuanticii este ideea ce rezulta din Principiul de excluziune al lui Wolfgang Pauli din 1925, care spune ca, in anumite perechi de particule subatomice, chiar daca sunt despartite una de alta prin distante considerabile, una va “sti” in fiecare clipa ce face cealalta. Particulele au o calitate denumita spin, iar potrivit teoriei cuantice, in momentul in care determini sensul rotirii unei particule, geamana sa va incepe imediat sa se roteasca in directie opusa, in acelasi ritm, indiferent de cat de departe s-ar afla. Acest fenomen a fost dovedit in 1997, cand fizicienii de la Geneva au trimis fotoni in directii diferite la o distanta de zece kilometri si au demonstrat ca perturbarea unuia a provocat un raspuns instantaneu in celalalt. Einstein nu credea ca o particula poate influenta o alta particula la o asa distanta si credea ca asta ar incalca teoria speciala a relativitatii.

Astfel fizica cuantica a introdus un grad de dezordine ce nu existase inainte. Brusc era nevoie de doua seturi de legi care sa explice comportamentul universului: teoria cuantica pentru microcosmos si teoria relativitatii pentru macrocosmos.

In 1924, Louis de Broglie a avansat ipoteza ca toate particulele se comporta pana la un punct ca niste unde. In 1926, Erwin Schrodinger a folosit aceasta idee pentru a dezvolta un model matematic al atomului, care descria electronii ca forme de unda trimimensionale. O consecinta a folosirii formelor de unda pentru a descrie particule a fost ca este matematic imposibil sa se obtina valori precise atat pentru pozitia cat si pentru impulsul unei particule la un moment dat in timp.

Deoarece mecanica cuantica este teoria miscarii particulelor materiale la scara atomica, datorita acestor incertitudini, a provocat numeroase probleme. Mecanica cuantica nerelativista, asa cum a aparut la inceput, a rezolvat problema structurii atomice. Extinsa apoi, pentru a tine seama de principiile teoriei relativitatii, a deschis drumul catre teoria cuantica relativista a radiatiei, numita electrodinamica cuantica. Denumirea de mecanica cuantica a fost pastrata pentru a indica teoria fenomenelor atomice din domeniul energiilor nerelativiste, in care numarul de particule ramane constant; dezvoltarile ulterioare care studiaza procese de creare si anihilare de particule, se incadreaza in teoria cuantica a campurilor si are legatura cu ramuri experimentale precum cea a fizicii nucleare si a particulelor elementare.

La nivel fundamental, atat radiatia cat si materia au caracteristici de particule cat si de unde. Influentati de Newton, majoritatea fizicienilor din secolul al XVIII-lea au crezut ca lumina era compusa din particule, pe care le-au numit corpusculi. Din anii 1800, dovezile au inceput sa se stranga in favoarea unei noi teorii a luminii. Thomas Young a aratat ca, daca lumina monocromatica trece printr-o pereche de fante, cele doua fascicule emergente interfereaza, astfel incat pe ecran sa apara un sir de benzi alternante. Conform teoriei, o banda luminata este produsa atunci cand varfurile valurilor celor doua fante ajung impreuna pe ecran; o banda intunecata este produsa atunci cand varful unui val ajunge in acelasi timp cu celalalt, iar efectele celor doua fascicule luminoase se anuleaza.

In mecanica cuantica, lumina nu este considerata nici unda, nici corpuscul in sensul clasic, ci este unitatea celor doua, fara o delimitare precisa.

Formula lui Planck

Pana la sfarsitul secolului al XIX-lea, fizicienii au acceptat dualismul unda-particula. Cu toate acestea, desi fizica clasica explica fenomenele de interferenta si difractie legate de propagarea luminii, ele nu reflecta absorbtia si emisia de lumina. Toate corpurile radiaza energia electromagnetica ca si caldura; de fapt, un corp emite radiatii la toate lungimile de unda. Cu cat corpul este mai fierbinte, cu atat este mai mica lungimea de unda.

In 1900, Max Planck a venit cu o sugestie indrazneata. El a presupus ca energia radiatiei este emisa nu incontinuu, ci mai degraba in pachete denumite cuante. Energia E a cuantei este legata de frecventa v de E = hv. Cantitatea h, cunoscuta acum ca si constanta lui Planck, este o constanta universala cu valoarea aproximativa de 6,62607 x 10 la puterea 34 joule * secunde.

In ciuda dificultatilor sale, teoria cuantica ramane o parte esentiala a fizicii moderne. Este, fara indoiala, una dintre cele mai de succes teorii ale stiintei si, in ciuda naturii aparent ezoterice, este in primul rand o ramura practica a fizicii, deschizand calea catre noi aplicatii si noi descoperiri.

Bibliografie:

Despre toate, pe scurt – De la Big Bang la ADN, Bill Bryson, editura Polirom.
https://bouman.chem.georgetown.edu/general/feynman.html
https://www.britannica.com/science/Plancks-constant
https://www.thoughtco.com/quantum-physics-overview-2699370
https://www.livescience.com/37206-atom-definition.html
https://ro.wikipedia.org/wiki/Mecanică_cuantică
https://ro.wikipedia.org/wiki/Dualismul_corpuscul-undă
https://www.physicsoftheuniverse.com/topics_quantum.html

Elementele a ceea ce a devenit fizica au fost extrase in primul rand din domeniile astronomiei, optice si mecanice, care au fost unite metodologic prin studiul geometriei. Aceste discipline matematice au inceput in antichitate cu babilonienii si cu scriitorii elenisti precum Arhimede si Ptolemeu. Filozofia antica, intre timp – inclusiv ceea ce se numea “fizica” – s-a axat pe explicarea naturii prin idei precum cele patru “cauze” ale lui Aristotel.

Grecia antica

Trecerea la o intelegere rationala a naturii a inceput cel putin in Grecia antica (650 – 480 i.En.) cu filozofii pre-socrati. Filozoful Thales din Milet, numit “tatal stiintei” pentru refuzul de a accepta diferite explicatii supranaturale, religioase sau mitologice ale fenomenelor naturale, a sustinut ca fiecare eveniment are o cauza fireasca. Thales a facut, de asemenea, progrese in 580 i.en., sugerand ca apa este elementul de baza, experimentand cu atractia dintre magneti si chihlimbarul frecat si formuland primele idei despre cosmologie.

In Grecia, in secolele VI, V si IV i.en., si in vremurile elenistice, filozofia naturala s-a transformat incet intr-un camp de studiu interesant si controversat. Aristotel (384 – 322 i.en.), student al lui Platon, a promovat ideea ca observarea fenomenelor fizice ar putea duce, in cele din urma, la descoperirea legilor naturale ce guverneaza lumea. Scrierile lui Aristotel se refera la fizica, metafizica, poezie, teatru, logica, lingvistica, politica, etica, biologie si zoologie. Aristotel a fondat sistemul cunoscut sub numele de fizica aristoteliana. El a incercat sa explice idei precum miscarea (si gravitatia) cu teoria a patru elemente. Aristotel credea ca toata materia este alcatuita din eter sau o combinatie de patru elemente: pamant, apa, aer si foc. Potrivit lui Aristotel, aceste patru elemente sunt capabile de inter-transformare, astfel ca o piatra cade in jos spre centrul pamantului, dar flacarile se ridica in sus spre circumferinta. Teoria sa a ramas paradigma stiintifica in Europa pana in epoca lui Galileo Galilei si a lui Isaac Newton.

Hiparh (190 – 120 i.en.), s-a axat pe astronomie si matematica si a folosit tehnici geometrice sofisticate pentru a cartografia miscarea stelelor si a planetelor, chiar si prezicand vremurile in care s-ar produce eclipsele solare. In plus, el a adaugat calcule privind distanta dintre Soare si Luna, pe baza imbunatatirilor aduse instrumentelor observationale folosite la vremea respectiva.

Un alt fizician renumit al acelor vremuri a fost Ptolemeu (90 – 168 i.en.), unul dintre mintile conducatoare in timpul Imperiului Roman. Ptolemeu a fost autorul a mai multor tratate stiintifice.

O mare parte din cunostintele acumulate din lumea antica au fost pierdute. Chiar si din lucrarile celor mai cunoscuti ganditori, doar cateva fragmente au supravietuit. Desi Hiparh a scris cel putin 14 carti, aproape nimic din lucrarea sa a supravietuit. Din cele 150 de lucrari aristotelice reputate, exista doar 30, iar unele dintre acestea sunt putin mai mult decat note de curs.

Europa medievala

Operele antice au reintrat in Occident prin traducerile din araba in latina. Reintroducerea lor, combinata cu comentariile teologice iudeo-islamice, a avut o mare influenta asupra filozofilor medievali precum Toma de Aquino. Acestia au cautat sa reconcilieze filozofia clasicilor antici cu teologia crestina.

Revolutia stiintifica

In secolele XVI si XVII, in Europa a avut loc o revolutie importanta a progresului stiintific. Nemultumirea fata de abordarile filozofice mai vechi a produs multe schimbari in societate, cum ar fi reforma protestanta, dar revolutia in stiinta a inceput atunci cand filozofii naturali au inceput sa atace sustinut programul filozofic scolastic si presupunea ca schemele descriptive matematice adoptate de astfel de domenii precum mecanica si astronomia ar putea sa dea de fapt caracterizari universale valide ale miscarii si ale altor concepte.

Nicolaus Coperic (1473 – 1543) a oferit argumente puternice pentru modelul heliocentric al sistemului solar. In modelele heliocentrice ale sistemului solar, Pamantul orbiteaza Soarele impreuna cu alte corpuri, o contradictie conform astronomului Ptolemeu, cel care a plasat Pamantul in centrul Universului – idee ce acceptata de peste 1400 de ani.

Noua perspectiva a lui Copernic, impreuna cu observatiile exacte ale lui Tycho Brahe, au permis astronomului german Johannes Kepler (1571 – 1630) sa formuleze legile privind miscarea planetara – legi ce sunt in uz si astazi.

Matematicianul italian, astronom si fizician, Galileo Galilei (1564 – 1642) a fost figura centrala in revolutia stiintifica si renumit pentru ca sustinea ideile lui Copernic, pentru descoperirile sale astronomice, experimente empirice si pentru imbunatatirea telescopului.

Ca matematician, rolul lui Galileo in cultura universitara a erei sale a fost subordonat celor trei teme majore de studiu: drept, medicina si teologie.

Galileo a fost numit  de catre Stephen Hawking “tatal atronomiei observationale moderne”, “tatal fizicii moderne” si poate mai mult decat orice alta persoana, a fost responsabil pentru nasterea stiintei moderne. A provocat controverse, a fost judecat de Inchizitie si a fost gasit vinovat de erezie. A fost fortat sa se retraga si a petrecut restul vietii sub arest la domiciliu.

Contributiile sale includ confirmarea fazelor lui Venus; descoperirea celor patru sateliti ale lui Jupiter, observarea si analiza petelor solare. Galileo a urmarit, de asemenea, stiinta si tehnologia aplicata, inventand, printre alte instrumente, o busola militara.

La sfarsitul secolului al XVII-lea si inceputul secolului al XVIII-lea s-au vazut realizarile celei mai mari figuri ale revolutiei stiintifice: fizicianul si matematicianul universitar din Cambridge, Isaac Newton (1642 – 1727), considerat de multi ca cel mai mare si mai influent om de stiinta care a trait vreodata. Newton, membru al Societatii Regale din Anglia, si-a combinat propriile descoperiri in mecanica si astronomie cu cele anterioare pentru a crea un singur sistem de descriere a Universului. Newton a formulat trei legi ale miscarii si legea gravitatiei universale, aceasta din urma putand fi folosita pentru a explica comportamentul obiectelor ce cad pe pamant, dar si a planetelor si a altor corpuri ceresti. Pentru a ajunge la rezultatele sale, Newton a inventat o forma a unei ramuri complet noi de matematica. Constatarile lui Newton au fost expuse in “Principiile matematice ale filozofiei naturale”, publicata in 1687 si a marcat inceputul perioadei moderne de mecanica si astronomie.

Secolul XVII

In timpul secolului al XVIII-lea, mecanica fondata de Newton a fost dezvoltata si mai mult de catre oamenii de stiinta.

Au urmat apoi nenumarate inventii. In 1800, Alessandro Volta a inventat bateria electrica. Un an mai tarziu, Thomas Young a demonstrat natura luminii, iar in 1813, Peter Ewart a sustinut ideea de conservare a energiei. In 1821, Michael Faraday a construit un motor electric, in timp ce Georg Ohm a postulat legea rezistentei electrice, in 1826, exprimand relatia dintre tensiune, curent si rezistenta intr-un circuit electric.

In 1831, Faraday descopera inductia electromagnetica, reusind sa realizeze conversia electromecanica a energiei si sa enunte Legea inductiei electromagnetice.

In 1842, Christian Doppler a propus efectul Doppler, iar in 1847, Hermann von Helmholtz a declarat in mod oficial legea conservarii energiei.

In secolul al XIX-lea, legatura dintre caldura si energie mecanica a fost stabilita de Julius Robert von Mayer si James Prescott Joule, in 1840. In 1849, Joule a publicat rezultate care aratau cum caldura este o forma de energie, fapt acceptat in anii 1850. Relatia dintre caldura si energie a fost importanta pentru dezvoltarea motoarelor cu aburi.

Fizica moderna

Pe masura ce secolul al XIX-lea se apropia de final, oamenii de stiinta puteau privi inapoi si constata cu satisfactie ca dadusera de cap celor mai multe dintre misterele lumii fizice: electricitatea, magnetismul, gazele, optica, acustica, cinetica, mecanica statistica. S-au descoperit razele X, razele catodice, electronul, radioactivitatea. Daca ceva putea fi oscilat, accelerat, perturbat, distilat, combinat, cantarit sau transformat in gaz, o facusera deja, iar pe parcurs descoperisera un corp de legi universale cu atata greutate si maretie, incat noi inca avem tendinta sa le scriem cu majuscule: Legea Gay-Lussac, Conceptul de Valenta, Legile Actiunii Masei si multe altele. Intreaga lume era entuziasmata de ingeniozitatea umana, iar multi intelepti credeau ca stiintei nu-i mai ramasese mare lucru de descoperit.

In 1875, un tanar neamt pe nume Max Planck incerca sa se hotarasca daca sa-si dedice viata matematicii sau a fizicii. Desi a fost asigurat ca urmatorul secol nu era unul al revolutiilor ci unul al consolidarilor si a cizelarii, Max Plank n-a ascultat si si-a continuat drumul. A studiat fizica teoretica si s-a cufundat in studiul entropiei, proces care sta la baza termodinamicii si care parea sa promite multe. In 1891 a venit cu propriile sale rezultate si spre marea sa dezamagire a aflat ca cercetarile importante asupra entropiei fusesera intr-adevar facute de catre un om de stiinta de la Universitatea Yale, J. Willard Gibbs.

Gibbs a reusit sa demonstreze ca termodinamica nu se aplica pur si simplu caldurii si energiei, ci este prezenta si isi exercita influenta la nivelul atomic al reactiilor chimice.

Zorii unei noi ere in fizica s-a produs in anul 1905, cand in publicatia germana de fizica “Annalen der Physik” au aparut o serie de lucrari ale unui tanar elvetian care nu avea nicio legatura cu lumea universitara, niciun acces la laboratoare si nicio intrare la vreo biblioteca impozanta, alta decat cea a biroului national de patente din Berna, unde era angajat pe postul de examinator tehnic.

Numele lui era Albert Einstein si, in acelasi an a trimis publicatiei 5 lucrari. Trei dintre ele “se numarau printre cele mai valoroase din istoria fizicii”, dupa spusele lui C.P. Snow; una analiza efectul fotoelectric prin prisma noii teorii cuantice a lui Planck, una se ocupa de comportamentul particulelor mici aflate in suspensie (cunoscut drept miscare browniana), iar cealalta schita o Teorie Speciala a Relativitatii.

Prima dintre acestea, care a explicat natura luminii si de asemenea, a contribuit la aparitia televiziunii, printre altele, i-a adus autorului Premiul Nobel. Cea de-a doua lucrare a oferit dovada ca atomii exista – lucru care, in mod surprinzator, fusese contestat. Iar a treia lucrare, n-a facut decat sa schimbe lumea.

La zece ani dupa Einstein, se naste Edwin Hubble in 1889. Viata lui Hubble a fost plina de recunoasteri reale. Intr-o perioada in care se stiau foarte putine despre cosmos, Hubble a atacat doua dintre intrebarile fundamentale ale universului: cat de batran este si cat de mare? Pentru a raspunde la amandoua, e necesar sa cunoastem cat de departe se afla anumite galaxii si cat de repede se indeparteaza de noi.

Norocul lui Hubble a fost acela ca a intrat in peisaj la putin timp dupa ce o femeie ingenioasa, pe nume Henrietta Swan Leavitt, a descoperit o cale de a marca stelele de pe cer. Leavitt lucra la Harward College Observatory pe postul de calculator, dupa cum se spunea pe atunci. Calculatoarele isi petreceau viata studiind placi fotografice ale stelelor si facand calcule – de unde si numele. Era doar cu o treapta mai sus de roboteala, dar era postul cel mai apropiat de astronomia adevarata pe care o femeie il putea ocupa la Harward.

Un calculator de la Harward, Annie Jump Cannon a pus la punct un sistem de clasificare a acestora atat de practic, incat mai este folosit si astazi. Ea a remarcat ca un anume tip de stea cu stralucire variabila, cunoscuta drept o cefeida, pulsa intr-un ritm regulat – un fel de bataie a inimii stelara. Cefeidele sunt destul de rare, dar cel putin una dintre ele este bine cunoscuta de cei mai multi dintre noi. Polaris, sau Steaua Polara, este o cefeida.

Acum stim ca cefeidele pulseaza in acest ritm deoarece sunt stele mai in varsta, care au trecut de stadiul de secventa principala si devin giganti rosii. Prin compararea magnitudinii relative a cefeidelor in puncte diferite pe cer, si-a dat seama ca se poate calcula unde se situeaza unele in raport cu celelalte. Metoda oferea distante relative, nu absolute, dar chiar si asa, era prima data cand cineva propunea o metoda viabila de a masura universul la scara larga.

In 1924 Hubble a scris o lucrare de referinta, “Cefeidele in nebuloasele spirale”, aratand ca Universul era format nu numai din Calea Lactee, ci dintr-o multime de galaxii independente – multe dintre aceseta mai mari decat Calea Lactee si mult mai indepartate.

Dupa ce a masurat spectrele galaxiilor indepartate si-a dat seama ca Universul se afla intr-o expansiune rapida si egala in toate directiile. Nu era nevoie de o imaginatie debordanta pentru a face o interpretare inversa si a intelege ca totul trebuie sa fi pornit de la un punct central. Departe de a fi vidul stabil, fix si etern pe care toata lumea il presupusese dintotdeauna, acest Univers avusese un inceput. Prin urmare, ar putea avea si un sfarsit.

Bibliografie:

Despre toate, pe scurt – De la Big Bang la ADN, Bill Bryson, editura Polirom.
Stephen Hawking, „Galileo and the Birth of Modern Science”

O retea recent descoperita de canale umplute cu lichid ar putea ajuta la transportul celulelor canceroase in intreg corpul.

Aceasta descoperire a fost facuta intamplator, in timpul unei endoscopii de rutina (o procedura care implica introducerea unei camere subtiri in tractul gastro-intestinal al unei persoane).

Echipa se astepta sa gaseasca canalul biliar inconjurat de un tesut dens si dur. In schimb, au vazut modele ciudate, inexplicabile. Acestia au aratat descoperirea lui Neil Theise, un patolog si cercetator din New York.

Cand Theise a folosit acelasi dispozitiv endomicroscopic pentru a privi sub pielea sa, a observat un rezultat similar. Investigarea ulterioara a altor organe a sugerat ca aceste modele sunt facute dintr-un fel de fluid care se deplaseaza prin canale peste tot in organism.

Theise considera ca fiecare tesut din corp poate fi inconjurat de o retea de astfel de canale, care in esenta formeaza un organ.

Acest organ nu a mai fost probabil vazut niciodata inainte, deoarece abordarile standard pentru prelucrarea si vizualizarea tesuturilor umane cauzeaza scurgerea fluidelor, iar fibrele de colagen care confera o structura retelei, colapseaza. Acest lucru ar fi facut ca aceste canale sa para ca un zid tare de tesut dens de protectie si nu o perna cu lichid.

In imagine – spatiul interstitial. (A) Microscopia electronica prezinta fascicule de colagen compuse din fibre bine organizate. (B) Marirea arata ca celulele nu prezinta caracteristici endoteliului sau altor tipuri de celule si nu au membrana de baza. Scara 1 μm (C) Colagen – albastru inchis. Fibrele de culoarea cyan sunt probabil elastina. (40 x) (D) Fibre de elastina (negru) alaturi de colagen (roz) (40 x).

Pe langa protectia organelor, reteaua poate, de asemenea, ajuta la raspandirea cancerului. Cand echipa lui Theise a analizat monstrele prelevate de la persoane cu cancer invaziv, au descoperit ca celulele canceroase care au iesit din tesuturile originale ar putea gasi drumul in aceste canale, ceea ce le-a dus direct in sistemul limfatic. „Odata ce intra, sunt ca si cum ar fi pe un tobogan”, spune Theise. Avem o fereastra noua asupra mecanismului de raspandire a tumorii.

Theise si colegii sai investigheaza acum daca analizarea fluidului din aceste nou descoperite canale ar putea duce la diagnosticarea mai din timp a cancerelor. Acestia cred ca organul ar putea fi, de asemenea, implicat si in alte probleme, inclusiv endem, o boala hepatica rara si alte tulburari inflamatorii.

Surse:
https://www.newscientist.com
https://www.nature.com

Microglia este un ansamblu de celule microgliale si compun aproximativ 5% din sistemul nervos central. Microglia are capacitatea de a se deplasa si de a fagocita celulele nervoase degenerate (neuronofage).

Creierul, la fel precum dormitorul nostru, are tendinta de a deveni dezordonat. Spre deosebire de dormitor, creierul are propriile celule specializate care vin in ajutor. Acestea se numesc celule gliale.

Stim teoretic cu ce se ocupa aceste celule insa nu le-am vazut niciodata in actiune. Cel putin, nu pana de curand.

Cercetatorii din cadrul Laboratorului European de Biologie Moleculara au reusit sa le surprinda in actiune.

Neuronii sunt cei ce proceseaza informatiile si par a fi cele mai importante celule din creier, insa munca grea o duc celulele gliale. Si ele sunt destul de prolefice: In cortexul cerebral, celulele gliale sunt oligodendroglii in procent de 75,6%, astrocite 17,3% si microglii 6,5%.

In imagine, mai multe sinapse (verde) converg pe o microglie (rosu) asa cum a fost vazut cu ajutorul microscopiei electronice cu scanare cu fascicul de ioni.

Microgliile sunt situate in mod predominant in substanta cenusie, ca satelit al neuronilor si al vaselor sangvine. In substanta alba, microglia este un satelit prefibrilar. Corpul acestor celule este mic, dens si alungit aparand foarte polimorf. Nucleul lor prezinta o cromatina foarte condensata aparand alungit in axul mare al celulei. Prelungirile microgliei sunt scurte, dar cu aspect spinos. Sunt prezente in substanta alba, in substanta cenusie dar si in substanta cenusie a SNC.

Microgliile sunt precum macrofagii – celulele bune care mananca „baietii rai”. Microglia este o componenta activa principala a sistemului imunitar. Atunci cand nu se lupta cu nimeni, microglia elimina sinapsele neuronilor care si-au depasit utilitatea pentru a face loc unor sinapse mai noi si eficiente.

Avand in vedere rolul lor important, este de inteles de ce cercetatorii au incercat sa observe microgliile in actiune. Cercetatorii de la EMBL Heidelberg sunt primii care reusesc acest lucru. Ei au creat un studiu de imagistica pentru a capta procesul in actiune intr-un creier de soarece.

Echipa a combinat doua tehnici de imagistica a creierului pentru a surprinde primele imagini ale microgliei mancand o sinapsa.

O constatare surprinzatoare a fost ca aproximativ jumatate din interactiunile dintre microglie si sinapsa erau atingeri, ca si cum incerca sa salute celula.
„Descoperirile noastre arata ca microgliile fac sinapsele mai degraba mai puternice decat slabe” spune Cornelius Gross.

„In timp ce am incercat sa vedem cum microglia elimina sinapsele, am realizat ca microglia, de cele mai multe ori, de fapt induce cresterea lor” spune Laetitia Weinhard.
O alta descoperire importanta este ca microglia ar putea explica formarea sinapselor duble si este profund implicata in plasticitatea neuronilor, iar uneori poate induce rearanjarea sinapselor – proces care sta la baza invatatarii si a memoriei.

Observatiile sunt rezultatul a cinci ani de dezvoltare tehnologica. In acest timp, echipa a lucrat cu 3 sisteme de imagistica de ultima generatie pentru a obtine imaginile.
„Asta-i ceea ce oamenii de neurostiinta si-au imaginat ani de zile, dar nimeni nu a vazut pana acum”, spune Cornelius Gross. „Aceste constatari ne permit sa propunem un mecanism pentru rolul microgliei in remodelarea si evolutia circuitelor neuronale in timpul dezvoltarii”.

Studiul poate fi citit in revista Nature:
https://www.nature.com/articles/s41467-018-03566-5

Supervulcanii sunt cele mai terifiante forme ale furiei naturii, o astfel de forta distructiva fiind depasita, poate, doar de impactul unor asteroizi de mari dimensiuni. Frecventa lor este insa de 10 ori mai mare. Nimeni nu poate spune cu exactitate care sunt semnele premergatoare ale unui asemenea fenomen si asta pentru ca nimeni nu a apucat sa vada unul si sa povesteasca.

Un supervulcan a trimis omenirea in pragul extinctiei, si era doar un fenomen redus fata de ceea ce s-a intamplat in trecut planetei noastre sau… de ceea ce se poate intampla. Ziua in care marile au murit in urma cu 251 de milioane de ani, Pamantul s-a cutremurat asa cum nu a mai facut-o niciodata. Nordul a ceea ce pe atunci era supercontinentul Pangeea a fost cuprins de flacari ce nu aveau sa se mai stinga pentru o buna perioada de timp. Pe o suprafata considerabila, sute de guri vulcanice au aruncat fluvii de lava, insumand milioane de kilometri cubi de materie incandescenta, si au eliberat cantitati inimaginabile de gaze, aducand Terra in pragul a ceea ce oamenii de stiinta au numit la unison “Marea Moarte” sau Mama tuturor extinctiilor”. Ca o comparatie, eruptia vulcanului islandez Laki, din anul 1783, una dintre cele mai distrugatoare eruptii vulcanice din istoria consemnata, a eliberat circa 14 milioane cubi de lava iar gazele degajate in atmosfera au racit temperatura globala cu aproximativ un grad. Iar daca un astfel de cataclism a putut influenta clima de pe intreaga planeta, efectele unui eveniment de genul celui petrecut acum 251 de milioane de ani au fost, fara exagerare, incomprehensibile.

Siberian Traps – in imagine – (traps este un termen derivat din suedezul trappa, termen ce defineste dealurile in trepte ce impanzesc aceasta regiune din nordul Siberiei) a fost cel mai puternic supervulcan din ultimii 500 de milioane de ani. Atat de puternic incat vietii i-a trebuit aproximativ 20-30 de milioane de ani sa revina in regiunile pustiite de cantitatile de-a dreptul uriase de cenusa bazaltica, de milioane cubi de lava si de gaze toxice care au transformat atmosfera si oceanele Pamantului intr-un adevarat iad.

A fost cea mai dura si mai distrugatoare demonstratie de forta a planetei, o demonstratie a ceea ce se poate intampla oricand intr-un viitor mai mult sau mai putin indepartat. Pentru Dimetrodoni, Listrozauri sau Protorozauri, cateva cateva dintre bizarele creaturi care dominau Terra in Permian, cel putin pentru cei care s-au aflat la o distanta suficienta pentru a scapa de valurile piroclastice, cerul a aparut initial in culori, galbene, apoi de un rosu aprins, primele indicii ale unei eruptii catastrofale si ale unei lungi ierni vulcanice ce avea sa cuprinda planeta. Si era doar primul semn al distrugerilor ce urmau sa vina.

Un nor urias format din gaze si cenusa s-a ridicat pana la 50 de kilometri in stratosfera, blocand lumina soarelui pe o suprafata de cel putin 200 de kilometri in jurul supervulcanului, in timp ce caderea solului in camera gigantica in care se afla magma provoca un val de cenusa si lava cu temperatura ce depasea 700 de grade Celsius, si care se deplasa cu aproximativ 400 kilometri pe ora, arzand si ingropand totul pe distante de sute de kilometri. Pe alocuri, stratul de cenusa vulcanica a atins 6000 de metri grosime, iar planeta a fost curand acoperita de o cenusa sterila, cu grosimi ce variau de la cativa milimetri la cativa kilometri.

Dintre gazele eliberate atunci in atmosfera, dioxidul de sulf (SO2) a fost, poate unul dintre cele mai periculoase. Reactionand cu oxigenul si cu apa, acesta a dat nastere unor ploi de acid sulfuric (picaturile de acid sunt printre cele mai importante elemente care blocheaza lumina soarelui in cazul unei supereruptii) care au aruncat Pamantul intr-o mini-era glaciara.

Acelasi proces a avut loc si in urma cu 74.000 de ani, moment in care supervulcanul Toba, din Sumatra, a determinat o scadere a temperaturilor globale cu 5 pana la 10 grade Celsius suficient cat sa duca la aparitia unei ierni vulcanice care sa reduca intreaga populatie umana a planetei la maxim 10000. Dar pana si Toba nu a fost mai mult decat o adiere pe langa ceea ce s-a intamplat in urma cu 251 de milioane de ani.

Recent, o echipa de cercetatori de la Universitatea din Oslo, condusa de geologul Henrik Svenson, a efectuat o serie de experimente legate de Siberian Traps, demonstrand ca iarna vulcanica a reprezentat doar primul val de distrugeri care a cuprins Terra la sfarsitul erei geologice cunoscuta sub numele de Permian. Data fiind durata uriasa a eruptiei (intre 200.000 si 1 milion de ani), cantitatea de lava eliberata a fost una enorma, acoperind o suprafata echivalanta cu cea a Australiei. Ea ajungea pana in ceea ce azi este bazinul Tunguska din estul Siberiei, o zona bogata in zacaminte de carbine, petrol si gaze naturale.

Se estimeza ca temperatura degajata de lava a transformat aceasta parte a planetei in cea mai mare “fabrica” de gaze cu efect de sera, calculele specialistilor aratand ca atunci au fost eliberate in atmosfera peste 100.000 de gigatone de dioxid de carbon (intreaga populatie a planetei elibereaza “doar” 8 gigatone de dioxid de carbon anual). Temperaturile au inceput sa creasca, sa atinga valori de dinaintea eruptiei si chiar sa le depaseasca cu aproape 5 grade Celsius… o veritabila apocalipsa. Dar echipa condusa de Henrik Svenson nu s-a oprit aici, ci a vrut sa afle si ce s-a intamplat atunci cand lava a patruns in depozitele naturale de sare din Siberia de acum 251 milioane de ani.

Incalzita in laborator la temperatura de 275 de grade Celsius, sarea a degajat o serie de gaze toxice, cel mai periculos dintre ele fiind clorura de metil, un ucigas extrem de eficient al stratului de ozon. A fost, practic, prima dovada ca Terra s-ar fi confruntat atunci cu un colaps al stratului de ozon iar radiatiile ultraviolete (UV) s-au numarat si ele printre ucigasii florei si a faunei din Permian-Triasic. Insa ultimul si cel mai cumplit val de distrugeri de-abia incepea. Incalzirea globala extrema cuprinsese incet-incet si uriasul ocean planetar din jurul supercontinentului Pangeea. Incalzindu-se din ce in ce mai mult, apele au inceput sa piarda din oxigen, iar viata sa dispara intr-un ritm accelerat. A fost momentul in care din “adancuri” s-a eliberat un alt “ucigas” de temut, metanul. Cantitati inimaginabile de gaz metan au fost degajate in atmosfera, ridicand temperatura globala cu inca 5 grade Celsius. Oceanul planetar a devenit anoxic, iar viata a disparut din apele Terrei in proportie de 96%. Cele mai multe specii au disparut, doar organismele cele mai rezistente reusit sa supravietuiasca acestui val de cataclisme. Practic, singurile vietati marine care au scapat dezastrului din Permian au fost doar cele s-au refugiat in ochiurile de apa dulce si in golfurile cu apa putina din zonele de coasta.

Pe uscat, circa 70% dintre vietuitoare si aproximativ 50% dintre plante disparusera deja pentru totdeauna. A fost singura data in istoria Terrei cand pana si insectele au suferit o extinctie in masa.

Cand, cum si ce s-ar intampla daca Yellowstone va erupe?

Nu exista niciun secret. Problema cu supervulcanul Yellowstone nu este daca el va erupe, ci doar cand o va face. Timpul sau a trecut deja cu peste 40000 de ani, mai precis cu 42000 de ani, iar mass-media ultimilor ani da ca iminenta o viitoare supereruptie. Ce ar insemna un astfel de eveniment pentru Statele Unite Ale Americii si pentru restul planetei?

Liderul echipei de specialisti de la Observatorul Vulcanologie de la Yellowstone (YVO) spune ca „Parcul National Yellowstone este, intr-adevar, un sistem urias, foarte activ, cu o intensa activitate hidrotermala si magmatica. Anual, se inregistreaza circa 3000 de cutremure, o cifra mai mare decat in trecut, fapt speculat intens de reprezentantii care lucreaza acolo si intensitatii acestor miscari seismice nu este mai mare de 3,9 grade pe scara Richter. Dupa supereruptia de acum 642.000 de ani au fost unele non-vulcanice, mai precis, nu a fost eliminata lava. Cea mai recenta dintre scurgerile de lava s-a petrecut in urma cu 70.000 de ani. Cu siguranta eruptiile viitoare vor fi tot de mica intensitate, fara efecte notabile in afara Parcului National Yellowstone. Cele mai posibile sunt exploziile hidrotermale de mica intensitate, cu o probabilitate anuala de 0,5 (mai exact, asteptam sa se produca una la fiecare doi ani). O explozie hidrotermala de mare intensitate, capabila sa formeze un crater de pana la 100 de metri diametru, se produce doar odata la 200 de ani, iar una care sa prezinte pericol pentru vizitatorii Parcului Yellowstone se produce, in medie odata la 10 ani. Riscul de a asista la o explozie vulcanica este mult mai mic decat in cazul celor hidrotermale.”

Probabil ca multi care speculeaza pe tema unui supervulcan, vor fi dezamagiti dar probibilitatea unei astfe de eruptii, de mica intensitate, este de doar una la 16.000 de ani. O eruptie medie, care sa produca in interiorul calderei de la Yellowstone este de una la 20.000 de ani, in timp ce o eruptie majora, care sa iasa din aria calderei, are o probabilitate de cel mult una la 50.000 de ani.

Nimeni nu poate spune exact care sunt semnele care anunta un supervulcan, mai ales ca ultimul s-a produs cu cel putin 20.000 de ani.

La ultima supereruptie, stratul de cenusa vulcanica atingea 400 de metri grosime la 1000 de kilometri distanta de locul eruptiei si vorbim de o cantitate de material piriclastic de cel putin de doua ori mai mica decat in cazul primei supereruptii, cea de acum 2,1 milioane de ani. Nu se stie daca ne vom confrunta cu o iarna vulcanica sau cu o noua era glaciara, dar exista multe variabile pe care noi nu le cunoastem inca. Cu siguranta, totusi, ca depunerile de cenusa de la sol, precum si cele din atmosfera, vor crea dificultati majore pentru transportul aerian si terestru. S-au vazut deja efectele pe care le-a avut vulcanul islandez Eyjafjallajokull. Iar consecintele din punct de vedere economic vor fi considerabile si vor depasi granitele Statelor Unite Ale Americii.

Bacteriile sunt microorganisme procariote monocelulare si sunt cele mai vechi forme de viata, raspandite in aer, apa, sol si in organisme. Bacteriile s-au descurcat fara noi miliarde de ani, insa noi n-am rezista nicio zi fara ele.

Bacteriile transforma reziduurile noastre si le fac refolosibile. Ele purifica apa si pastreaza solurile productive. Sintetizeaza vitaminele din digestia noastra, transforma alimentele in zaharuri folositoare si pornesc razboiul impotriva microbilor straini.

Depindem de bacterii pentru a extrage azotul din aer si a-l transforma in nucleotide si aminoacizi utili pentru noi. Si nu numai atat, bacteriile sunt foarte prolifice. Unele pot da nastere unei noi generatii in mai putin de 10 minute. La o asemenea viteza, mutatiile pot fi observate mult mai usor. Cam la un milion de divizari apare un mutant. De obicei, mutatia inseamna ghinion pentru acesta – dar ocazional, noua bacterie este dotata cu cate un avantaj, cum ar fi abilitatea de a evita sau a tine piept atacului antibioticelor.

Bacteriile nu doar ca se inmultesc rapid, mai au o abilitate mai inspaimantatoare. Acestea pot schimba intre ele informatii. Orice bacterie poate prelua fragmente de informatie genetica de la oricare alta. Practic, toate bacteriile inoata intr-o piscina genetica unica. Orice adaptare ce apare intr-o zona a universului bacterian se poate raspandi in orice alta zona. Este ca si cum o fiinta umana s-ar putea duce la o insecta pentru a-i creste aripi sau pentru a merge pe tavan.

Bacteriile sunt foarte diversificate si au preferinte alimentare diferite. Unele bacterii, numite Thiobacillus concretivorans, nu pot supravietui fara concentratii de acid sulfuric suficient de mari pentru a dizolva metalul. Micrococcus radiophilus duce o viata fericita in recipientele cu reziduri din reactoarele nucleare, indopandu-se cu plutoniu si cu tot ce mai gaseste pe acolo.

S-au descoperit ca traiesc in lacuri cu soda caustica, in bazine de apa inghetata sau in vulcani noroiosi, iar unele bacterii par indestructibile. Sub picioarele noastre, in Pamant, traiesc probabil miliarde de tone de bacterii, formand ceea ce se numeste ecosistem microbian litoautotrof subteran. La adancime, microbii isi restrang dimensiunile si devin foarte lenesi. Cele mai active bacterii abia daca se divizeaza o data pe secol. Se pare ca secretul unei vieti lungi este sa nu faci mare lucru. Cand situatia devine neprielnica, bacteriile sunt pregatite sa isi inchida toate sistemele si sa astepte vremuri mai bune.

Bacteriile patogene

Aproximativ o bacterie dintr-o mie este un agent patogen pentru oameni. Organismul cel mai infectios de pe Pamant, o bacterie numita wolbachia, nu afecteaza deloc oamenii – si nicio alta vertebrata – dar daca esti un crevete, un vierme sau o musculita de otet, te poate face sa iti doresti sa nu te fi nascut.

Dar ce satisfactie ar avea bacteriile sa ne faca rau? Pana la urma, o gazda moarta n-are cum sa ofere ospitalitate pe termen lung. Probabil si din acest motiv majoritatea microorganismelor sunt neutre sau chiar benefice.

Microbul obtine unele beneficii daca isi imbolnaveste gazda. Simptomele unei boli ajuta de multe ori la raspandirea acesteia. Vomitatul, stranutul si diareea sunt metode excelente de a parasi o gazda si de a se pozitiona pentru a invada o alta.

Poate cea mai eficienta strategie este sa isi asigure ajutorul unei terte parti mobile, cum ar fi tantarii. Intepatura acestora le trimite direct in fluxul sangvin, unde se pot apuca imediat de treaba, inainte ca mecanismele de aparare ale victimei sa-si dea seama ce le-a lovit. Iata de ce multe boli din grupa A – malaria, febra Dengue, encefalita, incep de la o intepatura de tantar.

Evident ca bacteriile nu sunt capabile de premeditare, nu sunt organisme inteligente. Nu le pasa ca fac rau gazdei dar in acelasi timp majoritatea nu au dezvoltat unelte distructive. Daca ne elimina inainte sa treaca intr-o alta gazda, atunci ar putea sa moara si bacteria. De-a lungul istoriei au fost cazuri de boli care au provocat epidemii terifiante si apoi au disparut la fel de misterios cum au aparut.

Boala engleza a transpiratiei care s-a manifestat brutal intre 1485 si 1552 a omorat zeci de mii de oameni inainte sa se stinga. O eficienta prea mare nu aduce nimic bun pentru niciun organism infectios si bacteriile, in cele din urma, ajung sa dispara. Putem convietui cu acestea fara sa ne omoare, iar daca capatam un mic orgainsm daunator, de cele mai multe ori, sistemul imunitar il va distruge.

Starea de rau atunci cand ne imbolnavim nu este o consecinta a virusurilor, ci o consecinta a ceea ce corpul nostru incearca sa-i faca acestuia. In incercarea de a elibera organismul de agentii patogeni, sistemul imunitar distruge uneori celule sau afecteaza tesuturi vitale, prin urmare, atunci cand nu ne simtim bine, ceea ce simtim nu sunt agentii patogeni, ci raspunsul propriului sistem imunitar.

In lupta impotriva bacteriilor au aparut antibioticele, insa cea mai buna arma a noastra este risipita in ferme. Potrivit unei estimari, 70% dintre antibioticele folosite in lumea dezvoltata sunt date animalelor de ferma, de multe ori odata cu hrana, pentru a incuraja cresterea sau ca precautie contra infectiilor. Aceasta folosire le ofera pe tava bacteriilor conditii ideale pentru a-si dezvolta imunitatea la ele.

In 1952 penicilina era pe deplin eficienta impotriva tuturor tulpinilor de stafilococi. In 1960, presedintele colegiului medicilor din SUA se simtea suficient de increzator incat sa declare ca am eradicat infectiile din Statele Unite, si chiar in timp ce vorbea, cam 90% dintre tulpinile de stafilococi erau pe cale de a-si dezvolta imunitatea la penicilina.

Unele bacterii pot provoca chiar si cancer. In 1983, Barry Marshall, un doctor din Australia, a constatat ca numeroase forme de cancer de stomac si ulcer stomacal sunt provocate de o bacterie numita Helicobacter pylori.

Dar chiar si bacteriile se pot imbolnavi – uneori se pot infecta cu bacteriofagi, un tip de virus. Virusurile nu sunt entitati vii, sunt practic fragmente de acid nucleic. In izolare, este inert si benign. Acestia aduc gripa, variola, turbarea, Ebola sau SIDA.

Cum functioneaza antibioticele?

Antibioticele actioneaza impotriva infectiilor bacteriene insa n-au niciun efect bun impotriva unei infectii virale, cum ar fi raceala, gripa sau gastroenterita. In timp ce toate antibioticele vor ucide sau opri cresterea bacteriilor, nu toate sunt eficiente impotriva aceleiasi bacterii si nu toate lupta cu bacteriile in acelasi mod.

Tipul de antibiotic pe care medicul il perscrie pentru tratarea infectiei depinde de tipul de bacterii care provoaca aceasta infectie. Majoritatea bacteriilor se incadreaza in doua tipuri: Gram-pozitive si Gram-negative. Aceasta clasificare se bazeaza, in principiu, pe tipul de perete celular pe care il are bacteria. Bacteriile Gram-pozitive – cum ar fi Streptococcus – au pereti celulari subtiri, usor permeabili, cu un singur strat. Bacteriile Gram-negative – cum ar fi E. coli – au pereti celulari mai grosi, mai putin penetrabili si sunt dispusi in doua straturi. Pentru ca un antibiotic sa trateze cu succes o infectie bacteriana, trebuie sa fie capabil sa patrunda in peretii celulelor bacteriene.

Antibioticele lucreaza fie interferand cu capacitatea bacteriilor de a-si repara AND-ul deteriorat, oprindu-i capacitatea bacteriei de a se inmulti, sau prin slabirea peretelui celular.

Majoritatea antibioticelor de pe piata sunt eficiente impotriva a numeroase tipuri diferite de bacterii, atat Gram-pozitive cat si Gram-negative.

In loc sa distruga o celula din interior, precum penicilina, unele antibiotice blocheaza capacitatea celulei de a prolifera. Antibioticele macrolide sunt inhibitori ai sintezei proteinelor; de exemplu, eritromicina macrolidica functioneaza prin legarea la molecule specifice, distrugand capacitatea celulei de a forma proteinele de care are nevoie pentru a se inmulti.

Sulfonamidele au fost folosite pentru prima data in lupta impotriva infectiilor in anii 1930. Acestea se leaga la o enzima numita dihidropteroat sintetaza, care blocheaza capacitatea bacteriilor de a sintetiza acidul dihidriofolic. Atunci cand bacteria nu mai poate metaboliza acidul folic, bacteria nu mai poate creste si nu se mai poate multiplica.

Problema antibioticelor

Antibioticele sunt asociate cu unele efecte secundare neplacute; in timp ce sunt facute pentru a ucide bacteriile care cauzeaza infectii, ele pot provoca si probleme cand ucid bacteriile bune ce traiesc in corpul nostru.

Excesul de antibiotice are efecte negative. De exemplu, 68% dintre persoanele cu infectii ale tractului respirator (cum ar fi infectiile sinusurilor) carora li se prescriu antibiotice, doar 20% au nevoie de prescriptii. Daca luam antibiotice atunci cand nu avem nevoie de ele nu numai ca poate provoca efecte secundare, dar poate contribui, de asemenea, la o problema mai mare: bacteriile pot deveni rezistente la antibiotice.

Antibioticele pot sa nu mai functioneze atunci cand bacteriile vin cu diverse modalitati de combatere. Bacteriile isi pot schimba impermeabiliatea membranei sau isi schimba structura complet astfel incat incat antibioticul sa n-o mai recunoasca si sa se lege de ea.

Unele bacterii pot chiar anihila antibioticul realizand blocaje moleculare sau pot produce enzime numite beta-lactamaze care practic dezactiveaza penicilina.

Rezultatul firesc al descoperirii acestor fenomene a fost continua cautare de antibiotice noi, capabile sa inactiveze microorganismele rezistente la antibioticele deja existente. Totusi s-a constatat ca dupa un anumit timp de la introducerea unui nou antibiotic de semi-sinteza, sau a unei noi clase de antibiotice, este posibila aparitia tulpinilor bacteriene rezistente la acestea, tocmai datorita faptului ca rezistenta la antibiotice este un fenomen evolutiv.

Bibliografie:

Despre toate, pe scurt – De la Big Bang la ADN, Bill Bryson, editura Polirom.
http://www.healthychildren.org/English/health-issues/conditions/treatments/pages/How-Do-Antibiotics-Work.aspx
http://www.cdc.gov/drugresistance/threat-report-2013/

Foto: http://nuemedicalsolutions.com/adhesive-tape-potential-source-of-nosocomial-bacteria/

Din spatiul uscat al planetei, o parte este prea calda, alta prea rece, prea uscata sau prea arida; prea abrupta sau prea inalta pentru a ne fi de vreun folos. Trebuie sa recunoastem ca, in mare parte, este vina noastra. In termeni de adaptabilitate, oamenii sunt putin neajutorati.

Nu agream locurile fierbinti si suntem mult mai sensibili decat alte specii. In cele mai vitrege conditii, pe jos, fara apa intr-un desert fierbinte, majoritatea oamenilor intra in delir si se prabusesc la pamant. Suntem la fel de nepregatiti si pentru a face fata frigului. Generam caldura, dar pentru ca avem atat de putin par, nu suntem capabili sa o conservam. Chiar si pe o vreme relativ temperata, jumatate dintre caloriile pe care le ardem se duc pe mentinerea temperaturii corpului. Si avem o toleranta foarte mica – corpul trebuie mentinut in permanenta la o temperatura de 36-37°C – iar pentru asta e nevoie de energie.

Norocul nostru este ca avem atmosfera si ne tine de cald si ne protejeaza. Fara ea, Pamantul ar fi o bila inghetata, lipsita de viata, cu o temperatura medie de -50°C. In plus, atmosfera absoarbe sau respinge razele cosmice, particulele cu sarcina electrica si razele ultraviolete.

Atmosfera planetei noastre este practic 100% gazoasa si contine azot (nitrogen) in proportie de 78,2%, oxigen molecular diatomic (20,5%), argon (0,92%), dioxid de carbon (0,03%), ozon, oxigen monoatomic, azot monoatomic si alte gaze, praf si alte particule in suspensie.

De-a lungul timpului compozitia atmosferei s-a schimbat foarte mult, trecand prin mai multe faze intermediare. Nu doar compozitia chimica s-a schimbat ci si alte caracteristici precum densitate, grosime sau transparenta.

Compozitia chimica a influentat procesele climatice. In urma cu 4,56 miliarde de ani, hidrogenul si heliul erau deja prezente. Datorita densitatii si greutatii specifice scazute a acestor gaze, ele nu au mai putut fi atrase si retinute de planeta, disipandu-se treptat in spatiul cosmic.

Datorita racirii planetei si datorita activitatii vulcanice au fost aduse la suprafata diverse gaze, rezultate din reactiile chimice ale straturilor interne.

Lipsa precipitatiilor din acea perioada de formare se explica prin faptul ca in ciuda prezentei apei, inclusiv in stare de vapori de apa, suprafata fierbinte a Pamantului nu permitea condensarea acestora.

Radiatia ultravioleta a determinat o descompunere fotochimica a moleculelor de apa, a metanului si amoniacului, astfel acumulandu-se dioxid de carbon si azot. Gazele mai usoare, precum heliul si hidrogenul au urcat in straturile superioare ale atmosferei, ulterior disipandu-se in spatiu.

Gazele mai grele, precum dioxidul de carbon s-au dizolvat in mare parte in apa oceanelor. Oxigenul a aparut in urma cu 3,5 miliarde de ani, eliberat datorita activitatii de fotosinteza a bacteriilor.

Atmosfera are o masa de aproximativ 5,15 x 1018 kg, dintre care trei sferturi se afla in primii 11 km de suprafata. O data cu altitudinea, atmosfera devine mai subtire fara o limita precisa intre atmosfera si spatiul cosmic. Linia Karman, la 100 km sau 1,57% din raza Pamantului, este adesea folosita drept granita dintre atmosfera si spatiul cosmic.

Efectele atmosferice devin vizibile in timpul reintrarii navelor spatiale la o altitudine de aproximativ 120 km. Se pot distinge mai multe straturi in atmosfera, pe baza unor caracteristici precum temperatura si compozitia.

Straturile atmosferei

Atmosfera este impartita in cinci straturi inegale: troposfera, stratosfera, mezosfera, termosfera si exosfera.

Troposfera contine suficienta caldura si oxigen pentru a ne permite sa traim, dar pe masura ce urcam in straturile ei superioare, ea devine tot mai ostila vietii. Troposfera are la ecuator o grosime de 16 km iar in zonele temperate, doar 10 – 11 km. La o altitudine de 10 km, temperatura poate scadea si pana la -57°C.

Urmatorul strat este stratosfera. Atunci cand vedeti varful unui nor de aplatizandu-se, observati de fapt granita dintre troposfera si stratosfera. Dupa ce am parasit troposfera, temperatura urca din nou pana la circa 4°C, datorita efectelor absorbante ale ozonului, apoi scade brusc pana la -90°C in mezosfera inainte sa urce la 1500°C. Temperatura poate varia cu peste 500°C intre zi si noapte, desi trebuie mentionat ca la o asemenea altitudine “temperatura” devine un concept oarecum teoretic. Temperatura este in realitate doar o masura a activitatii moleculelor. La nivelul marii, moleculele de aer sunt atat de grele, incat o molecula se poate misca pe o distanta infima – cam a opta milioana parte dintr-un centimetru inainte sa se ciocneasca de alta. Pentru ca acestea se ciocnesc in permanenta, acestea transfera cantitati mari de caldura. Dar la o altitudine de 80 km aerul este atat de rarefiat incat oricare doua molecule nu intra aproape niciodata in contact. Astfel ca, desi fiecare molecula este foarte calda, interactiunile lor sunt putine si transferul de caldura este mic.

Termosfera este urmatorul strat si este situat intre 80 si 400-800 km. Mai este numita si ionosfera. Denumirea de „termo-” este legata de cresterea relativ brusca a temperaturii cu altitudinea, iar cea de „iono-” de fenomenul de ionizare a atomilor de oxigen si azot existenti, care astfel devin buni conducatori de electricitate si au influenta asupra transmisiilor radio. In partea superioara, temperatura ajunge pana la 1000°C.

Exosfera este ultimul strat, aflat la inaltimi mai mari de 800 km, unde aerul este extrem de rarefiat. Prin acest strat se face treptat trecerea spre vidul interplanetar, in care mai exista doar atomi de heliu si hidrogen.

Ce face ca Pamantul sa-si pastreze atmosfera?

Raspunsul este gravitatia – aceeasi forta care ne pastreaza ancorati pe Pamant. Si totusi, Pamantul pierde in permanenta atmosfera in spatiu. Moleculele din atmosfera noastra se misca constant, stimulare de lumina energizanta a Soarelui. Viteza de scapare gravitationala pe Pamant este putin peste 11 kilometri pe secunda. Daca Pamantul ar fi mai putin masiv, precum Marte, gravitatia ar fi mai slaba. Acesta este si un motiv pentru care Marte a pierdut cea mai mare parte a atmosferei sale.

Cu toate acestea, atmosfera Pamantului este aici pentru a ramane. Si asta este un lucru bun pentru ca ne protejeaza de radiatiile ultraviolete si ajuta la mentinerea unei temperaturi potrivite vietii, reducand extremele de temperatura intre zi si noapte.

Bibliografie:

Despre toate, pe scurt – De la Big Bang la ADN, Bill Bryson, editura Polirom.
https://www.nasa.gov/mission_pages/sunearth/science/atmosphere-layers2.html
https://www.space.com/17683-earth-atmosphere.html
http://earthsky.org/earth/what-keeps-earths-atmosphere-on-earth

La inceputul anilor 1950, in timp ce lucra in domeniul chimiei pentru descoperirea hidrogenului greu, un cercetator pe nume Stanley Miller, avea sa descopere cum compusii organici pot fi sintetizati prin procese chimice destul de simple din substante anorganice. Miller era interesat de chimia originii vietii pe Pamant si a conditiilor care permit aparitia moleculelor care compun proteinele si ADN-ul.

Experimentul lui Stanley Miller din 1953 a aratat cum se pot obtine in laborator aminoacizii, pietrele de temelie ale vietii. Miller a luat doua retorte – una continand putina apa care sa reprezinte oceanul primitiv, iar cealalta un amestec de gaze din metan, amoniac si sulfura de hidrogen, care sa reprezinte atmosfera timpurie a Pamantului – le-a legat prin tuburi de cauciuc si a introdus cateva scantei electrice care sa simuleze un fulger. Dupa cateva zile, apa s-a facut verde si galbena, un bors consistent de aminoacizi, acizi grasi, zaharuri si alti compusi chimici. Aproximativ 2% din compusii organici aparuti erau amino acizi primitivi, baza tuturor lanturilor proteice care exista pe Terra, prin urmare… o posibila teorie asupra cum a aparut viata pe Pamant.

In pofida faptului ca teoria “supei primordiale” a suscitat multe dezbateri si a dat nastere multor lucrari stiintifice, Stanley Miller nu a primit niciodata Premiul Nobel.

De atunci, repetarea experimentelor lui Miller nu ne-a dus prea departe. Si oricum, nu producerea aminoacizilor este de fapt problema. Problema sunt proteinele.

Proteinele sunt compuse din aminoacizi asezati intr-o ordine anume, precum literele intr-un cuvant. Pentru a forma cuvantul “colagen”, numele unui tip frecvent de proteina, trebuie sa aranjezi sapte litere in ordinea corecta. Pentru a obtine colagen, trebuie sa aranjezi 1055 de aminoacizi intr-o anumita ordine, iar aici intervine improbabilitatea ca acest lucru sa se fi intamplat singur, spontan si fara indicatii.

Sansele ca o molecula cu asa de multi aminoacizi sa se reuneasca singura in mod spontan este practic nula.

Proteinele sunt entitati complexe. Hemoglobina are o insiruire de numai 146 aminoacizi si totusi ofera 10¹⁹⁰ combinatii posibile. Deci sansele sunt extrem de mici ca evenimente aleatorii sa poata produce o singura proteina. Si totusi, vorbim de sute de mii de tipuri de proteine, fiecare unica si vitale pentru sanatatea noastra.

Proteinele sunt critice pentru functionarea normala a corpului uman. Sunt esentiale pentru structura, functia si reglarea tesuturilor si organelor organismului. Va puteti gandi la o proteina ca un sir de margele in care fiecare margea este un aminoacid.

Pentru ca proteinele sa ne fie de folos, e nevoie ca acestea sa se reproduca. Doar ca… proteinele nu pot face asta singure. Aici intervine ADN-ul, un maestru al replicarii. Avem asadar o situatie paradoxala. Proteinele nu pot exista fara ADN, iar ADN-ul n-are niciun rost fara proteine.

Pentru a obtine viata, nu avem nevoie doar de ADN si proteine. Proteinele si alti compusi ai vietii nu ar putea prospera fara o membrana care sa le cuprinda. Niciun atom si nicio molecula nu poate sa traiasca independent. Daca am decupla un atom din corpul nostru, n-ar fi cu nimic mai viu decat un fir de nisip. In lipsa unei celule, acestea sunt doar niste substante interesante.

Avand in vedere dependenta lor, cum au aparut acestea daca nu pot “trai” unele fara altele? E ca si cum toate ingredientele din bucataria noastra s-ar aduna cumva si s-ar fi copt singure, formand o prajitura – o prajitura care, pe deasupra, se poate diviza ori de cate ori este nevoie pentru a produce mai multe prajituri.

Avand in vedere complexitatea vietii de pe Pamant am putea spune ca este un miracol ca existam. Dar poate ca nu este chiar atat de miraculos cum pare.

Reactiile chimice pe care le asociem cu viata sunt ceva deja banal. O multime de molecule din natura se reunesc pentru a forma lanturi lungi, numite polimeri. Zaharurile se reunesc in mod constant pentru a forma amidonul. Cristalele pot face cateva trucuri asemanatoare vietii – sa se multiplice, sa raspunda unor stimuli din mediu, sa dezvolte o complexitate bazata pe tipare. N-au ajuns la stadiul de viata, dar, complexitatea este o stare fireasca, spontana si perfect previzibila.

Nu stim daca viata abunda in Univers, dar Universul nu duce lipsa de autostructurare spontana, ordonata, sub toate formele, de la simetria fulgilor de zapada pana la inelele lui Saturn.

Procesul acesta de reunire si organizare a materiei ne face sa ne gandim daca nu cumva viata e mai inevitabila decat am crezut. Pare a fi o manifestare obligatorie a materiei, care apare automat oriunde se indeplinesc conditiile necesare.

Substantele chimice din care suntem facuti nu au nimic special. Practic orice fiinta vie, fie ca este vorba de o furnica sau un om, este facuta din patru elemente principale: carbon, hidrogen, oxigen si azot plus cateva mici cantitati de sulf, fosfor, calciu sau fier.

Nu stim inca ce a declansat aparitia vietii, insa toate plantele si animalele isi au originile in zvacnirea primordiala. Intr-un anumit moment, o mana de substante chimice au inceput sa prinda viata, au absorbit ceva substante nutritive dupa care au murit. Poate ca acest lucru se mai intamplase de multe ori inainte. Dar acest pachet ancestral a facut ceva in plus, ceva extraordinar: s-a divizat si a produs un mostenitor. O cantitate minuscula de material genetic a trecut de la o entitate vie la alta si de atunci incoace isi continua neintrerupt drumul. Acela a fost momentul creatiei pentru noi toti si inceputul evolutiei.

Matt Ridley spune ca “oriunde te-ai duce in lume, orice animal sau planta, daca este vie, foloseste acelasi dictionar si stie acelasi cod. Viata este una peste tot”.

Suntem cu totii rezultatul unui truc genetic, transmis din generatie in generatie de cateva miliarde de ani. Din acest motiv putem lua un fragment de informatie genetica umana si-l putem introduce intr-o celula de drojdie incompleta, iar celula il va folosi de parca i-ar apartine. Si, in sensul cel mai strict, chiar ii apartine.

Terra, la inceputul vietii

Daca am avea o masina a timpului, n-am vrea sa ne intoarcem in momentul in care a aparut viata pe Pamant. Oxigenul respirabil era la fel de mult cat exista azi pe Marte, iar vaporii toxici ar fi suficient de puternici cat sa raneasca pielea. Tocanita chimica din care era alcatuita atmosfera ar fi lasat sa treaca prea putina lumina solara. Putinul pe care l-am vedea ar fi fost iluminat in scurte reprize de scanteile frecvente ale fulgerelor.

Vreme de 2 miliarde de ani, bacteriile s-au inmultit, au format colonii, insa fara sa prezinte un interes de a evolua in ceva mai complex. La un moment dat, cianobacteria, a invatat sa foloseasca o resursa disponibila la discretie: hidrogenul care abunda in apa. Absorbea molecule de apa, inghitea hidrogenul si elibera oxigenul ca reziduu, iar prin aceasta a inventat fotosinteza. Deci nu plantele au inventat fotosinteza, ci bacteriile.

Cianobacteriile s-au inmultit iar atmosfera se umplea de oxigen, spre consternarea acelor organisme pentru care acesta era otravitor. Globulele albe din sangele nostru chiar folosesc oxigenul pentru a ucide bacteriile invadatoare.

Oxigenul este in realitate toxic, dar noi il agream numai pentru ca am invatat prin evolutie sa il exploatam. Din cauza lui rancezeste untul iar fierul rugineste.

Pana acum 3,5 miliarde de ani, nu s-a intamplat mare lucru. Daca ne-am intoarce in acea perioada timpurie, n-am descoperi prea multe semne promitatoare ale vietii viitoare pe Pamant. Poate pe ici pe colo, prin iazuri ascunse, am descoperi vreun strat de spuma vie sau vreo pojghita stralucitoare de alge verzi si maronii pe rocile de la mal, dar, in afara de astea, viata ar ramane invizibila.

Acum 3,5 miliarde de ani, in apele mai putin adanci, au aparut structuri vizibile. Cianobacteriile au devenit lipicioase, iar in acest stadiu s-au prins microparticule de nisip, care s-au reunit pentru a forma structuri bizare: stromatolitele. Uneori acestea luau forma unor coloane si se ridicau pana la zeci de metri de-asupra apei. Acestea erau practic un fel de roci vii si au reprezentat prima initiativa de cooperare, in care unele varietati de organisme primitive traiau doar la suprafata, iar altele doar in subteran, dar fiecare se bucura de conditiile create de celelalte.

Astazi, stromatolitele se pot gasi in Golful Rechinului, in Australia unde turistii pot privi ramasitele vii ale Pamantului asa cum era acum 3,5 miliarde de ani. Este posibil ca aceste cianobacterii sa fie organismele cu cea mai lenta evolutie de pe Pamant, iar acum sunt cu siguranta printre cele mai rare. Dupa ce au pregatit terenul pentru forme de viata mai complexe, ele s-au stins aproape peste tot, consumate pana la epuizare tocmai de organismele a caror existenta a fost posibila gratie lor. Ar fi disparut complet daca organismele care in mod normal s-ar hrani cu acestea ar putea supravietui in apele puternic sarate din Golful Rechinului.

Evolutia vietii spre complexitate a fost lenta deoarece lumea a trebuit sa astepte pana cand organismele mai simple au oxigenat suficient atmosfera. Probabil complexitatea a aparut o data cu prima bacterie ce a fost capturata de o alta, favorizandu-le pe amandoua. Aceasta invazie mitocondrica a facut posibila viata complexa. La plante, o invazie similara a produs cloroplastele, care fac posibila fotosinteza.

 (sursa foto: http://anatomie.romedic.ro/celula) Mitocondria foloseste oxigenul astfel incat sa elibereze energie din substantele nutritive. Si sunt foarte flamande – aproape fiecare substanta hranitoare pe care o absorbim se duce sa le hraneasca pe ele. Fara acestea n-am putea trai. Chiar dupa un miliard de ani, mitocondriile se poarta ca si cum si-ar imagina ca intre noi lucrurile nu merg prea bine. Isi pastreaza propriul ADN, ARN si ribozomii proprii. Se reproduc in momente diferite fata de celulele lor gazda. Arata ca bacteriile, se divizeaza precum bacteriile si uneori raspund la antibiotice la fel ca bacteriile. Nici macar nu vorbesc acelasi limbaj genetic cu celula in care traiesc. Pe scurt, isi tin bagajele gata facute. Este ca si cum am avea un strain in casa, dar unul care sta acolo de un miliard de ani.

Aceste tipuri noi de celule sunt cunoscute sub numele de eucariote si sunt cele responsabile pentru transformarea Pamantului intr-o planeta interesanta. Le-a mai luat inca 1 miliard de ani pana au invatat un truc, dar atunci cand au invatat sa-l stapaneasca le-a fost de mare folos. S-au desprins sa se adune in fiinte complexe, pluricelulare. Gratie acestei inovatii au fost posibile aparitia fiintelor mari si complexe.

De la aparitia vietii pe Pamant formele de viata au suferit nenumarate transformari. Au aparut specii noi in timp ce altele au disparut. Peste 99% din speciile care au trait pe Pamant, adica aproximativ 5 miliarde de specii, au disparut. Unele estimari privind numarul de specii actuale variaza de la 10 la 14 milioane, dintre care aproximativ 1,2 milioane au fost documentate.

In 2017 au fost descoperite microorganisme fosilizate in gurile hidrotermale din Quebec, Canada si sunt cele mai vechi forme de viata descoperite pana acum. Microorganismele au trait acum 4,28 miliarde de ani, nu dupa mult timp dupa formarea Pamantului, cu 4,54 miliarde de ani in urma.

Bibliografie

Despre toate, pe scurt – De la Big Bang la ADN, Bill Bryson, editura Polirom.
https://www.khanacademy.org/test-prep/mcat/biomolecules/amino-acids-and-proteins1/a/chemistry-of-amino-acids-and-protein-structure
https://en.wikipedia.org/wiki/Earliest_known_life_forms
http://nature.com/articles/doi:10.1038/nature21377

Prin natura noastra, suntem inclinati sa credem ca viata are un scop. Avem planuri, dorinte si aspiratii. Vrem sa profitam permanent, la maximum, de existenta ce ne-a fost daruita. Dar ce inseamna viata pentru un lichen sau o bacterie?

Toate formele de viata au o puternica dorinta de a exista, de a supravietui, insa desi viata a avut mult timp la dispozitie ca sa-si formeze ambitii, doar noi am ajuns la concluzia ca suntem speciali si ne dorim mai mult. Nu degeaba mult timp am crezut ca totul se invarte in jurul Pamantului.

Homo sapiens a aparut foarte tarziu in acest tablou de 4,5 miliarde de ani de existenta a Pamantului. Daca intindem bratele si ne imaginam ca distanta dintre extemitatile lor reprezinta intreaga istorie a Pamantului, distanta de la varfurile degetelor unei maini pana la incheietura celeilalte reprezinta precambrianul. Toata viata complexa e cuprinsa de o palma, iar istoria umana doar de varful unei unghii.

Insa viata pe Pamant este una dinamica iar ca sa privim acest subiect dintr-un punct de vedere mai putin individualist, trebuie sa vorbim mai inainte despre disparitia vietii. Deci sa incepem cu sfarsitul.

Sfarsitul vietii

De la aparitia vietii pe Pamant formele de viata au suferit nenumarate transformari. Au aparut specii noi in timp ce altele au renuntat la viata si o data cu ele, s-a pierdut si materialul genetic dobandit de-a lungul evolutiei lor. Peste 99% din speciile care au trait pe Pamant au disparut, adica aproximativ 5 miliarde de specii. Unele estimari privind numarul de specii actuale variaza de la 10 la 14 milioane, dintre care aproximativ 1,2 milioane au fost documentate.

Disparitia vietii este intotdeauna o veste proasta pentru victime, dar este un lucru pozitiv pentru o planeta dinamica. Crizele din istoria Pamantului sunt invariabil asociate cu salturile dramatice care le urmeaza. Disparitia faunei din ediacaran a fost urmata de explozia creatoare a perioadei cambriene. Extinctia ordoviciana de acum 440 milioane de ani a curatat oceanele de o multime de fiinte imobile care se hraneau prin filtrare si, cumva, a creat conditiile care au favorizat pestii inotatori si reptilele acvatice gigantice.

Extinctia din ordovician si extinctia din devonian (acum 365 milioane de ani) au eliminat fiecare circa 80-85% dintre specii. Extinctia din triasic (acum 210 milioane de ani) si cea din cretacic (acum 65 milioane de ani) au eliminat fiecare circa 70-75% dintre specii. Cea mai mare extinctie a avut loc in permian, acum circa 245 milioane de ani unde cel putin 95% dintre animale au disparut pentru a nu mai reveni niciodata. Au disparut pana si aproximativ o treime dintre speciile de insecte – singura situatie in care acestea au disparut in masa. Acesta a fost punctul in care ne-am apropiat cel mai tare de disparitia definitiva.

Intre aceste maceluri au existat multe alte episoade mai mici si mai putin cunoscute, insa desi noi stim de existenta lor pe baza fosilelor descoperite, sau mai bine zis, datorita prezentei fosilelor doar in anumite straturi geologice, nu stim care au fost adevaratele cauze ale disparitiei lor.

Chiar si asa, cand vine vorba de extinctii ne confruntam cu saracia urmelor de fosile. Scheletele de dinozauri si alte animale din muzee sunt in marea majoritate realizate din mortar. Din intreaga era a dinozaurilor au fost identificate mai putin de o mie de specii si aproape jumate dintre ele fiind cunoscute in urma unui specimen unic. Chiar daca dinozaurii au dominat Pamantul o perioada de aproape trei ori mai lunga decat mamiferele, fosilele conservate si descoperite sunt extrem de putine.

Datorita extinctiei dinozaurilor probabil existam si noi astazi. Suntem aici pentru ca exact linia noastra de descendenta nu s-a fracturat niciodata – nici macar o data in niciunul dintre miliardele de puncte de cotitura in care am fi putut fi stersi din istorie. Cumva, intamplarea a facut ca vreme de aproape 4 miliarde de ani, stramosii nostri sa reuseasca sa se strecoare printr-o serie de usi ce se inchideau in spatele lor de fiecare data cand era nevoie.

Noua ni se pare incredibil acest lucru acum, la fel cum i s-ar parea oricarei alte specii ce ar fi ajuns sa domine Pamantul in locul nostru.

Care este scopul vietii?

Din punct de vedere filozofic, au existat numeroase raspunsuri la aceasta intrebare din mai multe medii culturale si ideologice diferite. Cautarea sensului vietii a generat speculatii filozofice, stiintifice, teologice si metafizice, insa fiecare cu un raspuns diferit.

Semnificatia vietii pe care o percepem este derivata din contemplarea filozofica si religioasa, de legaturile sociale, de constiinta si fericire. Sunt implicate si alte lucruri precum sensul simbolic, ontologia, valoarea, etica, binele si raul, conceptul de Dumnezeu, sufletul sau viata de apoi.

Contributiile stiintifice la aceasta plaja larga de opinii diferite se rezuma in primul rand pe descrierea faptelor empirice legate de univers, explorand contextul si parametrii modului de functionare a vietii.

Pentru ca viata sa existe nu este necesar ca acel organism sa aibe constiinta, deci a da un alt sens vietii, decat cel stiintific, este pura metafizica si filozofie.

Procesul prin care diferite forme de viata s-au dezvoltat de-a lungul timpului prin mutatii genetice si selectie naturala este explicat prin evolutie. La sfarsitul secolului al XX-lea, biologii George C. Williams, Richard Dawkins si David Haig, au concluzionat ca, daca exista o functie primara a vietii, e cea a replicarii ADN-ului pentru a-si transmite mai departe genele.

Chiar daca oamenii de stiinta au studiat intens viata pe Pamant, definirea vietii este inca o provocare. Din punct de vedere fizic, se poate spune ca viata “se hraneste cu entropia negativa” care se refera la procesul prin care entitatile vii isi reduc entropia interna in detrimentul unei anumite forme de energie preluata din mediul inconjurator. Biologii sunt, in general, de acord ca formele de viata sunt sisteme de auto-organizare care regleaza mediile lor interne, pentru a mentine aceasta stare organizata, metabolismul pentru a furniza energie, iar reproducerea face ca viata sa continue pentru mai multe generatii.

Organismele sunt receptive la stimuli si schimbari de informatii genetice de la generatie la generatie, rezultand adaptarea prin evolutie; acest lucru optimizeaza sansele de supravietuire pentru organismul individual si, respectiv, pentru descendentii sai.

Suntem intr-o permanenta cursa de supravietuire, desi riscurile au fost diminuate mult datorita medicinei si a stiintei. Scopul vietii nu este unul artificial, metafizic sau religios, ci este legat de supravietuire. De asta existam. Datorita acestei dorinte traim.

Istoria chimiei reprezinta o perioada lunga de timp, incepand din antichitate si pana in prezent. Pana in anul 1000 i.e.n., oamenii au folosit tehnologii care in cele din urma au stat la baza diverselor ramuri ale chimiei. Oamenii au invatat sa extraga metalele din minereuri, sa fabrice ceramica, sa inteleaga fermentarea berii si sa extraga substante chimice din plante pentru medicina si parfumuri.

Predecesorul chimiei, alchimia, nu a reusit sa explice natura materiei si transformarile ei. Cu toate acestea, alchimistii au pregatit terenul pentru aparitia chimiei moderne.

Stiinta chimiei a parcurs un drum lung si sovaielnic. In anul 1661, Robert Boyle a publicat lucrarea “The Sceptical Chymist” – prima lucrare care face distinctia intre chimisti si alchimisti.

Poate nimic nu intruchipeaza mai bine natura ciudata si adesea accidentala a chimiei de atunci decat o descoperire facuta de un german pe nume Hennig Brand in 1675. Brand ajunsese la convingerea ca aurul putea fi distilat cumva din urina umana. A adunat cincizeci de galeti de urina, pe care le-a tinut vreme de mai multe luni in beci. Prin diverse procedee a transformat urina intr-o pasta toxica si apoi intr-o substanta ceroasa, translucida. Niciuna dintre acestea n-a devenit aur, fireste, dar s-a intamplat totusi ceva interesant. Dupa o vreme, substanta a inceput sa straluceasca. Mai mult, cand era expusa la aer, de multe ori facea combustie spontana.

Potentialul comercial al acestui material – care curand a devenit cunoscut sub numele de fosfor, nu a trecut neobservat de oamenii de afaceri dornici de castig, dar intrucat era greu de obtinut, exploatarea sa s-a dovedit mult prea costisitoare. Un gram de fosfor se vindea cu amanuntul pentru 4 silingi si jumatate – circa zece lire sterline in banii de astazi, adica mai mult decat aurul.

In anul 1750, Karl Scheele (in imagine) a descoperit o cale mai simpla de a produce fosfor si asta, fara murdarie sau miros de urina. Scheele era, in acelasi timp, un individ extraordinar si extrem de ghinionist. A descoperit opt elemente, clorul, fluorul, manganul, bariul, molibdenul, tungstenul, azotul si oxigenul – si nu a primit recunoastere pentru niciunul din ele. De fiecare data, descoperirile sale erau fie ignorate, fie ajungeau sa fie publicate dupa ce altcineva facuse aceeasi descoperire pe alta cale.

Defectul remarcabil al lui Scheele era insistenta sa ciudata de a gusta cate putin din absolut toate substantele cu care lucra, inclusiv mercur, acidul prusic si acidul cianhidric. Nesabuinta lui Scheele i-a venit in cele din urma de hac. In 1786, la varsta de numai 43 de ani a fost gasit mort la masa de lucru.

In secolul al XVIII-lea se presupunea ca undeva in toate acestea exista si misteriosul “elan vital”, forta care putea aduce la viata obiectele inanimate. Nimeni nu stia unde se afla aceasta substanta eterica, dar doua lucruri pareau foarte probabile: ca putea fi trezita la viata cu un soc electric (o notiune pe care Mary Sheeley a exploatat-o din plin in romanul sau Frankenstein); si ca exista in unele substante, iar in altele nu, motiv pentru care noi am ajuns sa avem doua ramuri ale chimiei: organica si anorganica.

Cineva trebuia sa impinga chimia catre epoca moderna, iar cei care aveau sa-l dea pe acest om au fost francezii. Antoine-Laurent Lavoisier, nascut in 1743, apartinea micii nobilimi.

Desi nu a descoperit niciun element nou, el avea acces la cel mai bine dotat laborator existent pe atunci. A reusit sa ia descoperirile altora si sa le puna intr-o forma inteligibila. A identificat oxigenul si hidrogenul si le-a dat amandurora nume moderne. Pe scurt, a introdus in chimie rigoarea, claritatea si metoda.

Un chimist suedez si discipol al lui Dalton, Jons Jacob Berzelius, a inceput un program sistematic pentru a face masuratori cantitative precise si sa asigure puritatea substantelor chimice. Impreuna cu Lavoiser, Boyle si Dalton, Berzelius este unul dintre parintii chimiei moderne. In 1828 a complilat un tabel cu toate elementele chimice cunoscute la acea vreme.

In ciuda unor curatenii ocazionale, pana la jumatatea secolului al XIX-lea, chimia era un fel de talmes-balmes, motiv pentru care toata lumea fost fericita atunci cand, in 1869, s-a ivit figura unui profesor cu aer nebun de la Universitatea din Sankt-Petersburg, pe nume Dmitri Ivanovici Mendeleev.

Mendeleev a publicat tabelul periodic al elementelor asemanator cu cel actual. Tabelul sau era o reprezentare mai completa a relatiei complexe dintre elementele chimice, si, pe de alta parte, cu ajutorul acestui tabel a putut prezice atat existenta altor elemente nici macar banuite de existenta pe vremea sa, precum si a proprietatilor lor generale. Majoritatea previziunilor sale au fost confirmate de descoperirile ulterioare.

Mendeleev a plasat elementele in grupuri de cate sapte, dar a brodat practic in jurul aceleiasi premise fundamentale. Si deodata, aceeasi idee a devenit geniala, capatand o spectaculoasa valoare instructiva. Intrucat proprietatile se repetau periodic, inventia a devenit cunoscuta sub numele de Tabelul periodic.

Se spune ca Mendeleev s-ar fi inspirat din jocul de carti Solitaire, in care cartile sunt aranjate orizontal dupa culoare si vertical dupa numar. Folosind un concept similar, el a aranjat elementele in siruri orizontale, numite perioade, si in coloane verticale, numite grupe. Astfel se reliefau imediat un set de relatii atunci cand erau citite de sus in jos si de jos in sus si un alt set de relatii atunci cand erau citite de la stanga la dreapta sau invers. Mai exact, coloanele verticale reunesc elemente chimice cu proprietati similare. Astfel, aurul sta sub argint, iar argintul sta sub cupru datorita asemanarilor lor chimice ca metale, in vreme ce heliul, neonul si argonul apartin unei coloane continand gaze.

Secolul al XIX-lea mai pregatea o mare surpriza pentru chimisti. A inceput in 1896, cand Henri Becquerel din Paris, a uitat un pachet cu saruri de uraniu pe o placheta fotografica impachetata, intr-un sertar. Mai tarziu, cand a scos placuta a observat ca sarurile lasasera o marca imprimata pe ea, ca si cum placuta a fost expusa la lumina. Sarurile emiteau un fel de gaze.

Avand in vedere importanta descoperirii, Becquerel a incredintat-o unui student de la cursurile postuniversitare sa o studieze. Din fericire, studentul era o emigranta nou venita din Polonia, pe nume Marie Curie. Aceasta, lucrand alaturi de sotul ei, Pierre, a descoperit ca anumite tipuri de roci emiteau constant cantitati extraordinare de energie, fara sa isi diminueze dimensiunile sau sa se schimbe intr-un mod evident. Ceea ce nu stiau ei, si n-avea sa stie nimeni pana in deceniul urmator, cand Einstein urma sa explice cum stau lucrurile – era faptul ca rocile transformau masa in energie.

Marie Curie a botezat acest efect “radioactivitate”. In decursul vietii lor, sotii Curie au descoperit si doua elemente noi – poloniul, pe care l-au denumit dupa tara lor natala, si radiul.

Bibliografie:

Despre toate, pe scurt – De la Big Bang la ADN, Bill Bryson, editura Polirom.

Isaac Asimov spunea ca „atunci cand oamenii au crezut ca Pamantul e plat, s-au inselat. Cand oamenii au crezut ca Pamantul e sferic, s-au inselat. Dar daca tu crezi ca a considera Pamantul sferic e la fel de gresit ca a-l considera plat, atunci viziunea ta e mai gresita decat cele doua laolalta.”

Mai exact, planetele sunt sferoide, adica turtite la poli si bombate la ecuator. Asta se datoreaza fortei centrifuge, datorita rotatiei planetelor. Cea mai sferica planeta din Sistemul Solar este Venus. Ea se invarte atat de incet incat nu exista forta centrifuga atat de mare incat sa o bombeze la ecuator si sa o turteasca la poli. Pe de alta parte, cea mai „plata” planeta din Sistemul Solar este Saturn: datorita densitatii sale mici si a vitezei mari de rotatie, diametrul ecuatorial e cu 10% mai mare decat cel polar.

De aici se poate naste urmatoarea intrebare: ar putea o planeta sa se invarta destul de rapid incat sa devina plata, precum un disc? Foarte improbabil. Pana sa ajunga la forma respectiva, planeta pur si simplu s-ar dezintegra.

Forta gravitationala a unei planete trage materia spre centru. Materia atrasa de gravitatia unui obiect va cauta mereu sa ajunga cat mai aproape de centrul de greutate al acelui obiect, iar singura modalitate de a aduce toata masa cat mai aproape de centrul de greutate al planetei, este de a forma o sfera. Acest proces se numeste „ajustare izostatica”. Insa multe dintre corpurile mici ale sistemului solar (precum cometele sau asteroizii) nu sunt rotunde, deoarece forta lor gravitationala este prea mica.

Pentru a scapa de gravitatia Pamantului (care are o masa de 6 x 10 ^ 24 kg), trebuie sa zburam cu aproximativ 11 km / secunda, sau aproximativ 40.000 km / ora. Pentru a scapa de gravitatia lui Comet 67P este nevoie de o viteza de doar 1 metru / secunda. Cometa 67P (in imagine) nu este deloc rotunda si are un diametru de 4,1 km x 3,3 km x 1,8 km.

Un corp mai mare de cateva sute de kilometri in diametru devine mai rotund.

Legile mecanicii clasice ale lui Newton afirma ca un corp in miscare tinde sa ramana in miscare, iar cat de rotunda este o planeta depinde de masa, dimensiune si viteza ei de rotatie.

Bibliografie:
https://www.britannica.com/story/why-are-planets-round
https://alexdoppelganger.com/planete-sferice/
https://www.livescience.com/32185-why-are-planets-round.html

Foto: https://nasa.tumblr.com/

Daca atomii sunt in mare parte spatiu gol, de ce obiectele arata si se simt solide?

Acum doua secole, chimistul John Dalton a propus ideea ca toate corpurile sunt alcatuite din particule numite atomi. Fiecare atom este compus dintr-un nucleu incredibil de mic si din electroni, care sunt chiar si mai mici.

Daca va imaginati o masa normala, dar de 1 miliard de ori mai mare, atunci atomii sai ar fi de dimensiunea pepenilor. Dar chiar si asa, nucleul din centrul atomilor ar fi in continuare mult prea mic pentru a fi observat cu ochiul liber. Iar restul, spatiu gol. Imaginati-va ca va sprijiniti cu mana de masa. De ce nu trec degetele noastre prin atomi daca majoritatea spatiului ce formeaza atomul este gol? Ei bine, in primul rand, atomii nu sunt goi. Potrivit electrodinamicii cuantice, spatiul este umplut de un camp de electroni in jurul nucleului care neutralizeaza sarcina si umple spatiul care defineste dimensiunea atomului.

Pentru a explica de ce obiectele se simt solide la atingere, trebuie sa ne uitam la electroni. Din pacate, o mare parte din ceea ce este predat in scoala generala este simplificat – electronii nu orbiteaza centrul unui atom asa cum planetele orbiteaza in jurul Soarelui. Trebuie sa ne gandim la electroni ca la un roi de albine sau pasari, unde miscarile individuale sunt prea rapide pentru a le urmari, insa putem vedea urmele lasate, precum in imaginea de mai sus.

Dansul electronilor

Electronii practic danseaza in jurul atomului. Insa nu danseaza intr-un mod haotic, ci seamana mai mult cu un dans in sala de bal, urmand sabloane si pasi precisi, stabiliti de o ecuatie matematica, numita dupa Erwin Schrodinger.

Aceste sabloane pot varia – unele sunt lente, precum un vals, in timp ce altele sunt rapide si energice. Fiecare electron pastreaza acelasi sablon, dar din cand in cand si-l poate schimba, atata timp cat niciun alt electron nu danseaza deja dupa acel sablon. Doi electroni dintr-un atom nu pot dansa in acelasi pas, iar aceasta regula se numeste Principiul de excluziune.

Principiul de excluziune, numit si Principiul Pauli, este un principiu din mecanica cuantica, formulat de Wolfgang Pauli in 1925. Acesta afirma ca doi fermioni identici nu pot ocupa aceeasi stare cuantica simultan. Pentru electronii dintr-un singur atom, inseamna ca doi electroni nu pot avea aceleasi patru numere cuantice. Deoarece electronii sunt fermioni, acest principiu le interzice sa ocupe aceeasi stare cuantica, astfel ca electronii trebuie sa “se adune unii peste altii” in cadrul unui atom.

Desi electronii nu obosesc niciodata, trecerea la un pas mai rapid necesita energie.

Rezistenta la atingere

De ce o masa se simte solida la atingere? Multe site-uri web va vor spune ca acest lucru se datoreaza respingerii – ca doua lucruri incarcate negativ trebuie sa se respinga reciproc. O explicatie mai realista este ca masa se simte solida datorita dansului electronilor despre care am mentionat mai sus.

Atunci cand atingi masa, electronii din degetele tale se apropie de electronii din atomii mesei. Pe masura ce electronii dintr-un atom se apropie destul de mult de nucleul celuilalt, dansul se schimba. Un electron aflat pe un nivel energetic inferior nu se poate afla pe acelasi nivel energetic in jurul unui alt nucleu, dat fiind ca acest nivel este deja ocupat de unul dintre electronii celuilalt atom. Asadar, electronul primului atom trebuie sa ocupe un nivel energetic mai ridicat in jurul celui de-al doilea. Aceasta energie suplimentara este generata de forta de respingere a degetului asupra atomilor mesei.

Asadar, pentru a impinge doi atomi aproape unul de celalalt necesita energie pentru ca toti electronii lor trebuie sa treaca pe un nivel energetic superior neocupat. Incercarea de a apropia atomii din deget de masa necesita o cantitate mult mai mare decat cea furnizata de muschii nostri.

Ceea ce atingem este de fapt un camp creat de electroni si a carei masa este creata de nuclee. Masa, in general, se datoreaza fortei nucleare tari, generata prin ruperea simetriei.

Cand se ating doi atomi sau doua molecule, se ating campurile lor de electroni si se resping reciproc. Intr-o mica masura se si atrag, numita atractia van der Walls, responsabila de formarea lichidelor. Astfel, atingerea este un efect real.

Traducere si adaptare dupa:
https://theconversation.com
https://www.mat.univie.ac.at

Universul este alcatuit din materie si energie. Materia este alcatuita din atomi si molecule, iar energia pune atomii si moleculele in miscare.

Miscarea atomilor si a moleculelor creeaza o forma de energie denumita energie termica. Energia termica este prezenta chiar si in cele mai reci locuri din Univers, chiar daca cantitatea de energie este foarte mica.

Energia nu este mai misterioasa decat miscarea. Lucrurile care se misca au energie.

Sa presupunem ca multimea de atomi care formeaza un obiect se agita cu o oarecare frecventa, fiecare atom miscandu-se aleator intr-o directie sau alta. Daca atomii se misca, acestia au energie. Iar atunci cand atomii se agita suficient de tare, noi spunem despre acel obiect ca este cald.

Oamenii de stiinta au cuvinte tehnice pentru caldura, precum “energia termica interna”. Atomii pot vibra, se rotesc sau chiar se ratacesc (daca este vorba de un lichid sau gaz).

Aceasta energie nu este foarte diferita de energia necesara unui autovehicul. Doar ca este mai mica si mai dificil de masurat. In loc sa folosim un vitezometru, pentru masurarea energiei termice folosim un termometru. Temperatura ne indica viteza medie a atomilor pusi in miscare. Cu cat este mai mare temperatura, cu atat creste viteza medie si, prin urmare, cu atat gasim mai multa energie acolo.

Dar daca toti atomii s-ar opri brusc, in acelasi timp, ce temperatura ar avea acel corp? Raspunsul: -273 grade C. Aceasta este temperatura zero absolut, sau 0 Kelvin.

Energia poate lua mai multe forme. Multe tipuri de energie pot fi transformate in energie termica. Energia electrica, mecanica, chimica, nucleara sau sonora, poate provoca substantelor o incalzire prin agitarea moleculelor din acea substanta. De exemplu, cuptorul cu microunde functioneaza la fel – agita moleculele. Radiatia produsa de un cuptor cu microunde este neionizata – prin urmare, nu are riscul de cancer asociat cu radiatiile ionizate, precum razele X sau razele cosmice de energie inalta.

Pe scurt, caldura este energie, iar temperatura este o metoda de masurare a cat de cald sau rece este un obiect.

Transferul de caldura

Un lucru pe care l-ati observat probabil despre caldura este ca nu ramane constanta. Lucrurile fierbinti tind sa devina mai reci, iar lucrurile reci devin mai calde. Exista o lege fundamentala a fizicii numita “cea de-a doua lege a termodinamicii” care spune ca, o ceasca de cafea fierbinte intotdeauna se raceste iar inghetata se topeste: caldura curge de la lucrurile fierbinti spre cele reci, pana ce vor ajunge la un echilibru termic cu mediul inconjurator.

Cea de-a doua lege a termodinamicii este, de asemenea, responsabila pentru facturile din perioada iernii. Pe scurt, cu cat este mai rece afara, cu atat vom avea nevoie de mai multa energie pentru a o incalzi. Pentru a rezolva problema, trebuie sa intelegem cele 3 moduri diferite prin care caldura poate calatori: prin conductie, convectie si radiatie.

Prin conductia termica, caldura se transfera la atingere (picioarele ni se racesc daca mergem desculti pe gresie).

Convectia este modul prin care oala cu supa se incalzeste pe foc. Supa de pe fundul vasului, cea mai apropiata de caldura, se incalzeste rapid si devine mai putin densa (mai usoara) decat supa rece de deasupra. Supa mai calda se ridica, iar cea rece ii ia locul. Astfel, datorita acestei circulatii, obtinem un “transportator de caldura invizibil”. Treptat, intreaga supa se va incalzi.

Radiatia este cea de-a treia metoda – conductia transporta caldura prin corpuri solide, convectia transporta caldura prin lichide si gaze, insa radiatia poate transporta caldura si prin spatiul gol. Aproape tot ceea ce facem pe Pamant este alimentat de radiatiile solare. Daca stati langa un foc si simtiti caldura pe suprafata obrazului, toata caldura o simtiti datorita radiatiei – in linii drepte, la viteza luminii, purtata de un tip de electromagnetism numit radiatie infrarosie.

De ce unele lucruri se incalzesc mai greu decat altele?

Diferite materiale pot stoca mai multa sau mai putina caldura in functie de structura atomica interna sau moleculara. Apa, de exemplu, poate stoca cantitati uriase de caldura – este unul dintre motivele pentru care o folosim in sistemele de incalzire – desi se incalzeste mai greu. Metalele permit caldurii sa treaca prin ele foarte bine si se incalzesc rapid, dar nu sunt atat de bune pentru a stoca caldura.

Bibliografie:
http://science-is-easy.blogspot.com/2009/10/what-exactly-is-heat.html
http://coolcosmos.ipac.caltech.edu/cosmic_classroom/light_lessons/thermal/heat.html
https://www.explainthatstuff.com/heat.html

Foto: Nasa, https://archive.org/details/sdomultimediagallery

Genele sunt in primul rand instructiuni pentru crearea proteinelor. Si indeplinesc bine aceasta sarcina. Genele seamana oarecum cu clapele unui pian, fiecare cantand o singura nota si nimic altceva, ceea ce, evident, suna putin cam monoton. Dar, atunci cand combinam genele asa cum combinam notele clapelor pianului, putem crea o infinitate de acorduri si melodii. Reunind toate aceste gene, obtinem simfonia existentei cunoscuta sub numele de genom uman.

Genomul uman este stocat pe 23 de perechi de cromozomi. 22 dintre acestea sunt perechi de cromozomi autozomali, in timp ce ultima determina sexul. Genomul uman haploid ocupa putin mai mult de 3 miliarde de perechi de baza de ADN (acid deoxiribonucleic).

Genomul uman haploid contine circa 20.000 de gene codificante. Doar 1,5% din genom codifica proteine, restul fiind gene ARN necodificante, siruri de reglare, introni, si ceea ce se numeste “junk” ADN.

Fiecare celula din corp are acelasi set complet de gene. O gena este formata din ADN si este, in principiu, un tip de instructiune genetica. Aceste instructiuni pot fi folosite pentru a realiza proteine si pentru a controla reactia chimica a vietii.

Unele gene sunt active in unele tesuturi si organe, dar nu si in altele. De asta un plaman este diferit de un ficat. Genele sunt activate sau dezactivate in timpul dezvoltarii, dar si ca raspuns la schimbarile de mediu, de metabolism sau de infectii.

Human Genome Project a produs o secventa de referinta a genomului uman eucromatic, utilizata in toata lumea in stiintele biomedicale.

Proiectul genomul uman

Proiectul genomul uman a produs primele secvente complete ale genomilor umani, iar prima analiza a fost publicata in anul 2001. Datele rezultate sunt utilizate in intreaga lume in domeniul stiintei biomedicale, antropologiei si alte ramuri ale stiintei. Exista o asteptare ca studiile genomice vor conduce la progrese in diagnosticarea si tratamentul bolilor dar si ca vor oferi noi perspective in multe domenii ale biologiei, inclusiv evolutia umana.

 (Sursa foto) Desi secventa genomului uman a fost (aproape) complet determinata de secventierea ADN-ului, nu este inca pe deplin inteleasa. Cele mai multe gene au fost identificate printr-o combinatie de abordari experimentale folosind mijloace bioinformatice si necesita mult efort pentru elucidarea functiilor lor biologice. Rezultatele recente arata ca o mare parte din ADN-ul necodant din genom prezinta activitati biochimice, inclusiv reglarea expresiei genelor, organizarea arhitecturii cromozomiale si poate controla mostenirea epigenetica.

Exista aproximativ 19.000 – 20.000 de gene care codifica proteine. Estimarea numarului de gene a fost revizuita in mod repetat fata de predictiile initiale estimate la 100.000. Secventele de codificare a proteinelor reprezinta doar o fractiune mica in comparatie cu dimensiunea genomului (aproximativ 1,5%), iar restul de gene sunt asociate cu moleculele de ARN necodante sau secvente de ADN de reglare.

Lungimea totala a genomului uman este de peste 3 miliarde de perechi de baze. Genomul uman include, de asemenea, ADN-ul mitocondrial, o molecula prezenta in fiecare mitocondrion.

Stabilitatea genetica

Genele pot suferi mutatii, insa se intampla destul de rar. O mutatie reprezinta o schimbare permanenta a ADN-ului. Dar avand in vedere ca suntem facuti din trilioane de celule, mutatiile par mai frecvente. In timp ce unele sunt daunatoare, altele pot sa nu aibe niciun efect, sau pot chiar sa fie benefice.

Corpul nostru recunoaste si distruge celulele care prezinta mutatii daunatoare, dar asta nu se intampla intotdeauna. Astfel apare cancerul. In general, genomul este destul de stabil si structura genetica se pastreaza pe parcursul vietii.

Mark Stoeckle de la Universitatea Rockefeller din New York si David Thaler de la Universitatea din Basel, Elvetia, au publicat o lucrare interesanta in jurnalul Human Evolution. Stim ca populatiile mari care se deplaseaza mult, precum furnicile, sobolanii si oamenii, vor deveni mai diversificate cu timpul din punct de vedere genetic. Insa este adevarat? Stoeckle spune ca nu.

Poate cel mai surprinzator rezultat al studiului este ca 9 din 10 specii existente azi pe Pamant, inclusiv oamenii, au aparut in urma cu 100.000 – 200.000 de ani. Cum explicam faptul ca 90% din viata de pe Pamant, are aproape aceeasi varsta? (in imagine, Truganini, in anul 1866 – ultima femeie aborigen din Tasmania).

Ultimul cataclism major care a facut sa dispara multe specii de pe Pamant s-a intamplat acum 65,5 milioane de ani, deci explicatia trebuie sa fie alta. Stoeckle spune ca poate “cea mai simpla interpretare este ca viata este intr-o permanenta evolutie”. Privind din aceasta perspectiva, o specie are o durata limitata de timp inainte ca aceasta sa evolueze in ceva nou sau sa dispara.

Evolutia

Genomul uman prezinta urme ale evolutiei. Progresele in secventierea ADN-ului, genomica functionala si modelarea genetica a populatiei ne-au imbunatatit intelegerea istoriei si a dinamicii populatiilor umane. Aceste progrese au dezvaluit, de asemenea, multi factori anterior subapreciati care influenteaza evolutia genomului uman, inclusiv schimbari functionale ale ADN-ului si histonei (proteine alcaline), mutatiile eterogene sau variatiile structurale.

Studiul evolutiei genomului uman este interesant pentru ca dezvaluie raspunsuri la intrebarile fundamentale despre originea umana si ne arata baza genetica ce ne da trasaturile specifice umane. (Sursa foto)

In ciuda unor progrese imense de la secventierea primului genom uman, exista inca multe lucruri pe care nu le intelegem despre evolutia genomului uman. Progresele recente statistice si experimentale si secventierea a mii de genomuri umane din diverse populatii au dezvaluit o complexitate semnificativa.

Poate ca cel mai dramatic rezultat in acest domeniu in ultimii ani a fost secventierea ADN-ului din hominidele arhaice, precum Neanderthalienii si Denisovienii. (In imagine, om cu turban din India – Sursa foto)

Suntem o specie tanara. Cele mai recente dovezi genetice si fosile sugereaza ca oamenii moderni au aparut in Africa de Est acum 200.000 de ani in urma, ceea ce inseamna extrem de putin, avand in vedere ca ne-am separat de genul Pan (din care fac parte cimpanzeii de azi) acum 6 milioane de ani. In doar 200.000 de ani oamenii s-au raspandit pe tot globul, depasind cu mult toate celelalte specii umane arhaice. Succesul nostru se datoreaza in mare parte caracteristicilor biologice complexe, incluzand un creier mai mare, mersul in doua picioare si modificarile morfologice craniofaciale si ale membrelor, care au aparut pe linia umana cu mult inainte de aparitia oamenilor moderni. Aceste adaptari au facilitat evolutia trasaturilor comportamentale unice ale omului, precum limbajul, care se datoreaza modificarilor secventei ADN aparute pe linie umana de la divizarea om-cimpanzeu. Identificarea acestor schimbari a devenit o prioritate majora a studiului geneticii si a genomicii umane.

Secventierea genomului cimpanzeului, macacus rhesus, dar si a altor genomuri de primate a facut posibila identificarea schimbarilor din ADN-ul uman folosind metode comparative.

Studii recente au incercat sa diferentieze schimbarile functionale critice utilizand diferite metode statistice pentru a identifica genele umane si secventele de reglare ale genei care prezinta o evolutie neasteptat de rapida. Rezultatele acestor analize cuprind un catalog al evolutiei specific umane la nivel molecular. Avand in vedere originea noastra recenta, diferentele care disting oamenii moderni de specia umana arhaica vor fi probabil un mic subset al tuturor diferentelor de secvente om-cimpanzeu.

Neanderthalienii au fost tinta primara a unor astfel de studii din mai multe motive. Neanderthalienii sunt rude apropiate ale oamenilor moderni si ambele specii au trait in Europa acum 40.000 de ani, indicand posibilitatea de imperechere. Mai multe studii recente au folosit o metoda de abordare metagenomica cuplata cu secventierea paralela pentru a obtine secventa genomica.

Au existat speculatii despre cea ce va dezvalui acest proiect, multe chiar fanteziste, cum ca s-ar putea folosi o secventa a genomului neanderthalian pentru a aduce specia la viata.

Suntem singura specie din genul Homo ramasa in viata si prin urmare, nu stim daca Neanderthalienii sau celelalte rude disparute impartasesc capacitatea noastra de inovatie, rationament abstract sau limba. A trebuit sa facem speculatii pe baza anatomiei, a asezarilor si a artefactelor lasate in urma. (Sursa foto)

Datorita similitudinii biologice intre oamenii moderni si neanderthalieni s-a ajuns la concluzia ca stramosul comun al celor doua specii a trait acum 300.000 – 700.000 de ani in urma. Liniile moderne umane si neanderthale au continuat pe traiectorii evolutive paralele dupa divergenta lor, cu decensentii unei ramuri migrand spre Europa si dand nastere Neandetalienilor, iar cealalta ramura ramanand in Africa – ramura din care avea sa aparem noi.

Colonizarea umana a Europei – acum circa 40.000 de ani – a adus din nou in contact aceste doua specii.

Insa cat de mult au avut in comun? Au fost oamenii moderni si neanderthalienii capabili sa se imperecheze? Si daca da, cat de mult a influentat felul in care noi aratam astazi?

Primii oameni moderni care au colonizat Europa aveau aceleasi capacitate cognitiva ca si oamenii de azi: au realizat picturi in pesteri, figurine si instrumente muzicale. Au avut cel mai probabil si capacitatea de a comunica verbal, indicand o capacitate umana moderna de abstractizare. Acest comportament simbolic nu era un fenomen nou; exista dovezi ca oamenii moderni faceau decoratiuni si au sculptat reprezentari abstracte in Africa cu cel putin 75.000 de ani in urma.

Nu stim daca Neanderthalienii aveau talente similare, insa au facut cu siguranta unelte si aveau creiere mai mari decat oamenii moderni. Nu stim nici daca comunicau prin limbaj, desi trasaturile anatomice ar fi permis vorbirea articulata.

Toate studiile privind ADN-ul de Neanderthal folosesc material obtinut din oase. Dupa cum este de asteptat, calitatea materialului genetic care poate fi recuperat din astfel de specimene este foarte slaba, deoarece ADN-ul se degradeaza in timp. In consecinta, majoritatea fosilelor descoperite nu ofera un ADN utilizabil.

Cand este prezent, ADN-ul genomic este recuperat in fragmente scurte iar continutul este degradat. Leziunile ADN-ului si contaminarea microbiana depind de conditiile ambientale: probele care au furnizat cel mai intact ADN sunt resturile de mamut recuperate din permafrost (din solurile inghetate). Niciunul dintre specimenele de Neanderthal descoperite pana acum nu se apropie de acest nivel de conservare.

Pe langa aceste provocari, specimenele devin frecvent contaminate cu ADN uman in timpul manipularii si extractiei a ADN-ului.

Neanderthalienii (in imagine – impresie artistica) sunt doar o mica parte din povestea noastra si poate distorsioneaza modul in care privim trecutul. S-a discutat daca Neanderthalienii sunt o specie separata. Avand in vedere complexitatea evenimentelor ar trebui mentinuta prudenta atunci cand se cauta legaturi intre populatia vie si cea fosila. In esenta, avem nevoie de modele bazate pe populatie – nu pe specii. Istoria biologica umana recenta este in centrul unei chestiuni de “microevolutie”.

Durata noastra de viata este mica si nu putem observa efectele evolutiei pe o perioada asa scurta de timp. Insa semnele evolutiei recente sunt raspandite in intreaga lume. Exista peste 700 de regiuni din ADN-ul uman care au avut parte de o selectie puternica, conducand la raspandirea unor gene legate de diferite caracteristici. Aceste mutatii s-au produs in ultimii 5.000 – 10.000 de ani, a spus Jonathan Pritchard, genetician implicat in realizarea unui studiu. Rezultatele sugereaza ca oamenii din diferite regiuni au continuat sa se adapteze in numeroase moduri la schimbarile de mediu si la inovatiile culturale.

Multe dintre modificarile genetice identificate de grupul Pritchard au aparut in timpul sau dupa aparitia agriculturii, incepand cu aproximativ 10.000 de ani in urma. Unele dintre genele cele mai puternic afectate de selectie au fost cele asociate cu culoarea pielii, structura osoasa si metabolismul.

Folosind datele recent disponibile, oamenii de stiinta au analizat la nivel genomic pentru a descoperi dovezi ale selectiei naturale in populatiile europene, asiatice si africane. Majoritatea genelor selectate au variat puternic intre cele 3 grupuri, sugerand ca oamenii s-au adaptat la presiuni specifice diferitelor parti ale lumii.

Istoria umana a trecut printr-o perioada de schimare destul de rapida. Dieta s-a schimbat considerabil, iar o data cu explorarea de noi lumi, expunerea la diferiti agenti patogeni dar si a unui nou climat, toti acesti parametri au contribuit la selectia naturala. De exemplu, schimbarile majore in dieta au avut loc in timp ce vanatorii-culegatori nomazi au asezat omenirea catre prosperitate si progres. Si anume, au decis sa creeze asezatii permanente si sa dezvolte agricultura.

(In imagine, aborigen din Tasmania). Primii agricultori traiau in niste insule umane artificiale pe care le izolau laborios de salbaticia din jur. Taiau paduri, sapau canale, curatau campuri, construiau case etc. Habitatul artificial rezultat era menit doar oamenilor si animalelor “lor”. Oamenilor le era dificil sa-si paraseasca insulele lor artificiale. Si pe buna dreptate, pentru ca pe atunci, majoritatea oamenilor erau inca nomazi si oricand produsele agriculturii sau animalele puteau fi furate.

Pritchard spune ca aceasta tranzitie a lasat o mostenire puternica asupra genelor asociate procesarii carbohidratilor si acizilor grasi. Cel mai clar exemplu este gena care permite digestia laptelui la varsta adulta. Printre europeni, ai carori stramosi s-au bazat pe produsele lactate, aceasta gena a devenit larg raspandita. Insa in cele mai multe alte populatii, gena este rara.

Evolutia continua

Oare specia umana se va desparti in mai multe specii? Raspunsul pare a fi negativ, deoarece omul a ocupat toate nisele ecologice posibile, din Antarctica pana la tropice si in plus, nu exista izolare geografica intre populatiile umane. Populatiile umane, oriunde s-au dezvoltat in ultimii 100 000 de ani, s-au imperecheat imediat cu alte populatii o data ce contactul a fost restabilit. Insa asta nu inseamna ca evolutia a incetat.

Bibliografie:
Despre toate, pe scurt – De la Big Bang la ADN, Bill Bryson, editura Polirom.
https://www.genome.gov/sequencingcosts/
http://mbe.oxfordjournals.org/cgi/content/abstract/msp197v1
https://www.ashg.org/education/everyone_1.shtml
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4695266/
https://genome.cshlp.org/content/20/5/547.full.html

Foto: https://geneticliteracyproject.org, Filmul documentar „Human”.