المناهج

نظرية التطور الكوني

عبر القرون ، بحث الإنسان باستمرار في السماء عن أدلة على مصيره ، وقد أسرت النجوم خياله ، وتحدى عقله لغز أصلها ومداها ، وروحه مشبعة بالعطش لفهم دوره في الكون ، ولقد قربتنا الاكتشافات العلمية في مجالات متنوعة مثل علم الفلك ، والبيولوجيا الجزيئية ، خلال السنوات الخمس عشرة الماضية فقط ، من حل ثلاثة ألغاز خالدة حاولت العديد من الثقافات تفسيرها : كيف بدأ الكون وتطور، وكيف نشأت الحياة وتطورت ، ما هو مكاننا ومصيرنا في الكون.

فلقد أدى هذا الانفجار من الاكتشافات متعددة التخصصات ، إلى ظهور مفاهيم جديدة لأصل الحياة ، من المواد الجامدة على الأرض البدائية ، وتشكيل الكواكب والنجوم ، وتوليف الجسيمات الأساسية للمادة ، وبدايات الكون نفسه.

فيبدو أن الجميع قد تأسس على نفس القوانين الأساسية للكيمياء والفيزياء ، والاستنتاج القائل بأن أصل وتطور الحياة متشابكان بشكل لا ينفصم مع أصل وتطور الكون ، يبدو لا مفر منه ، حيث يشكل هذا المسار ، من مجمله ، من الجسيمات الأساسية إلى الحضارات المتقدمة ، جوهر مفهوم التطور الكوني.

ومن المؤكد أن التسلسل من كرة النار البدائية ، إلى المادة ، إلى النجوم إلى الكواكب ، إلى كيمياء ما قبل الحيوية ، إلى الحياة والذكاء ، غير كامل بل ومثير للجدل في بعض تفاصيله ، ومع ذلك ، تظهر صورة واسعة ، صورة خيالية ومضيئة.

بدايات التطور الكوني

يبدو أن الكون قد بدأ ككرة نارية رائعة من الإشعاع النقي ، والتي يشار إليها عادة باسم ( الانفجار العظيم)، قبل حوالي 15 مليار سنة ، مجموع المادة في الكون ، ربما في شكل الجسيمات الأساسية في الطبيعة ، وهي الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات ، تم تفتيتها بسرعة هائلة.

ومع توسع كرة النار وتبريدها ، أنتجت التفاعلات الحرارية النووية نوى هيليوم ، لا يزال التوسع الإضافي يخفض درجة الحرارة إلى النقطة التي تتكون فيها ذرات الهيدروجين ، والهيليوم التي تتكون من مزيج من الإلكترونات مع البروتونات ، ونوى الهيليوم ، ولكن العناصر الأثقل من الهيليوم ، لم يتم إنتاجها بكميات كبيرة.

وخلال المراحل اللاحقة من التوسع ، من المحتمل أن قوى الجاذبية ، عملت على تعزيز أي تماثل في الكثافة قد يكون موجودًا ، وبالتالي بدأت التسلسل الهرمي للتكثيف ، الذي أدى إلى المجرات والنجوم ، وفي النهاية ، الكواكب.

التطور الكوني للمجرات

يبدو أن المجرات أصلها في غيوم كروية تقريبًا ، وتدور ببطء ، قبلية من الهيدروجين والهيليوم التي انهارت تحت جاذبيتها ، وعندما بدأ الانكماش بشكل كافٍ ، بدأت النجوم تتشكل ، وزاد معدل تكوينها بسرعة ، كما  يتوافق التوزيع المرصود لمجموعات النجوم ، بشكل نوعي مع هذه الصورة العامة ، لانكماش سحابة غاز المجرة المتطورة.

والنجوم ، مثل الكائنات الحية ، ليست ثابتة ، ويولدون ويتطورون ويموتون ، فيبدأ النجم على شكل جزء كروي من سحابة غاز أكبر ، ثم  ينقبض الكُرْب تحت جاذبيته الخاصة ، ويضغط ويسخن الغاز حتى يتوهج ، ويزداد اللمعان بشكل مطرد مع تحويل طاقة الجاذبية الكامنة إلى حرارة.

وعندما تصبح درجة الحرارة الداخلية مرتفعة بما يكفي ، لبدء التفاعلات النووية ، يتوقف الانقباض : يدخل النجم التسلسل الرئيسي ، عندما يحترق كل وقوده ، ويموت النجم على شكل قزم أبيض ، أو ينفجر على شكل مستعر أعظم ، اعتمادًا على كتلته.

تابع التطور الكوني للمجرات

وعلى الرغم من أن الهيدروجين والهيليوم تم إنشاؤهما في الانفجار العظيم ، إلا أن بقية العناصر تشكلت داخل النجوم والانفجارات النجمية ، وهكذا ، فإن كل ذرة من أثقل أجسامنا ، بما في ذلك الأكسجين الذي نتنفسه ، والكربون والنيتروجين في أنسجتنا ، والكالسيوم في عظامنا ، والحديد في دمنا ، تشكلت من خلال اندماج الذرات الأخف ، في مركز النجم أو أثناء انفجار النجم.

ويقضي النجوم 99 بالمائة من حياتهم النشطة في حرق الهيدروجين ، عندما يتم تحويل الهيدروجين في القلب إلى الهيليوم ، يبدأ الانقباض ، ويطلق الانكماش الأساسي طاقة كافية لإشعال الهيليوم ، الذي يحترق بعد ذلك إلى الكربون.

وفي حين أن جميع النجوم قد تساهم في نهاية المطاف ، في إنتاج الكربون والنيتروجين والأكسجين ، وعناصر أخرى تصل إلى الحديد وتشمله ، فإن العناصر الأثقل ربما تكون مصنوعة من التقاط النيوترون ، وتحلل بيتا داخل النجوم الضخمة ، خلال مراحل تطورها النهائية ، أو عندما تنفجر النجوم على شكل مستعرات أعظمية.

لذلك قد تكون المستعرات الأعظمية الوسيلة الأساسية ، التي يتم من خلالها إعادة تدوير العناصر التي يتم إنشاؤها في النجوم ، إلى الوسط النجمي ، ومن المواد التي يتم رشها حول المجرة بواسطة هذه الانفجارات ، في مكان آخر يمكن أن يتشكل نجم جديد مع كواكب صخرية.

تطور مجرة درب التبانة

مجرة درب التبانة هي واحدة من حوالي 10 مليار مجرة ​​في الكون المرئي حاليًا ، وشمسنا هي واحدة من حوالي 300 مليار نجم في المجرة ، والحقيقة المذهلة هي أن مجرتنا وشمسنا ، التي ندين لها بوجودنا ، ليست غير عادية بأي طريقة أساسية مقارنة بالمجرات الأخرى.

حيث تشير البيانات الفلكية ، إلى عدم وجود خصوصيات في الأصل ، أو الموقع ، أو الكتلة أو السطوع ، أو العمر أو خصائص أخرى ، لذا فإن شمسنا عبارة عن نجمة قزمة شائعة نسبيًا ، تقع في جزء نموذجي من قرص مجرة ​​حلزونية نموذجية.

وقد أدت الاكتشافات التي تم إجراؤها خلال السنوات الثلاثين الماضية ، إلى زيادة الدعم للنظرية السديمية لتشكيل أنظمة الكواكب ، ووفقًا لهذه النظرية ، كان تطور السديم الشمسي ناتجًا عن انهيار سحابة كبيرة بين النجوم تدور ، بعد ذلك يتم تسخين الجزء الداخلي ، من خلال امتصاص الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من الشمس الأولية.

تابع تطور مجرة درب التبانة

وفي هذه المرحلة ، سيتم تسوية السحابة بشكل كبير من خلال دورانها ، وستتكون من قرص مع منطقة مركزية أكثر كثافة ، وأسرع  دوران ، كما يعتقد أن توزيعات الكثافة غير المنتظمة في القرص ، قد أنتجت مراكز تنوي لتراكم المواد في الكواكب ، وفي المناطق الخارجية للقرص ، ربما تكون معظم الغازات البدائية للقرص ، قد شكلت لتشكيل الأجواء الكثيفة للكواكب من نوع المشتري.

وفي الجزء الداخلي من القرص ، ربما تكون الكواكب الأرضية ، قد شكلت أجواء مبكرة تم تبديدها بعد ذلك بواسطة النجم المركزي ، واستبدالها بالغاز من الكواكب الداخلية ، أو ربما تكونوا قد تشكلوا بدون أجواء ، بعد أن تم إخراج الهيدروجين والهيليوم من السديم الشمسي الداخلي ، بواسطة الشمس الصغيرة.

وإذا كانت الكواكب تتكثف من القرص الشمسي الأولي ، فمن المتوقع أن يعكس تكوينها الأولي تكوين الشمس ، وتكون الوفرة الذرية لبعض العناصر الموجودة في الشمس ، بالترتيب : الهيدروجين (87.0 في المائة) ، والهليوم (12.9 في المائة) ، والأكسجين (0.025 في المائة) ، والنيتروجين (0.02 في المائة) ، وتجدر الإشارة إلى أن هذه العناصر هي ، باستثناء الهليوم ، العناصر ذاتها التي تشكل 99٪ من المواد الحية.

التطور الكوني والكواكب العملاقة

يبدو أن الكواكب العملاقة لها تركيبة مماثلة ، أي أقل من 1٪ من العناصر الثقيلة ، والهيدروجين والهيليوم المتبقي ، علاوة على ذلك ، يحتوي المشتري على الميثان والماء والأمونيا ، والأشكال المخفضة للكربون ، والأكسجين والنيتروجين ، كما هو متوقع بناءً على الخصائص الديناميكية الحرارية ، لهذه العناصر في وجود فائض كبير من الهيدروجين.

وبالتالي ، قد يكون الغلاف الجوي جوفيان الحالي هو الغلاف الجوي البدائي ، وقد تم الاحتفاظ به لمليارات السنين ، بسبب كتلة الكوكب ، ومن ناحية أخرى ، تتكون الكواكب الداخلية بالكامل تقريبًا من عناصر ثقيلة ، وبهذه الكتل الحالية ، لا تستطيع هذه الكواكب منع هيدروجين ، أو هليوم من الهروب.

وبالتالي ، قد يكون الغلاف الجوي البدائي للأرض عابرًا ، مع ظهور جو أكثر استقرارًا ، نتيجة لغاز القشرة بفعل البراكين ، وتفرغ البراكين كميات كبيرة من بخار الماء ، وثاني أكسيد الكربون ، وبعض النيتروجين والغازات الأخرى.

تابع التطور الكوني والكواكب العملاقة

كما يمكن اختزال ثاني أكسيد الكربون والماء إلى هيدروجين وميثان ، بواسطة الحديد الحر الموجود في القشرة المبكرة ، ويمكن أن يتحد الهيدروجين والنيتروجين لتكوين الأمونيا ، لذلك ربما يكون الغلاف الجوي المبكر للأرض يتكون بشكل أساسي ، من الهيدروجين والنيتروجين والميثان والأمونيا والمياه وثاني أكسيد الكربون ، مع كميات صغيرة من الغازات الأخرى ، ويعتقد أن التطور الكيميائي المؤدي إلى الحياة على الأرض ، بدأ في مثل هذه البيئة منذ حوالي 4.5 مليار سنة.

كما تم التفكير في نظرية التطور الكيميائي ، من قبل داروين ، وتم تصورها من قبل Oparin و Haldane ، واختبارها تجريبيًا من قبل Miller و Urey ، وببساطة ، تقترح النظرية أن إطلاق الطاقة في الغلاف الجوي البدائي للأرض ، بواسطة آليات مختلفة أدى إلى تخليق جزيئات عضوية بسيطة ، والتي بدورها تم تحويلها إلى جزيئات ذات تعقيد أكبر.

وظهرت التفاعلات الكيميائية الجديدة تدريجياً ، نتيجة التعقيد المتزايد ، وفرض ترتيب كيميائي جديد على العلاقات الكيميائية العضوية الأكثر بساطة ، وفي مرحلة ما من هذه العملية ، ظهرت أول الجزيئات ذاتية التكاثر.

ومصادر الطاقة المتاحة لتركيب المركبات العضوية ، تحت ظروف ما قبل الحيوية كانت ضوء الأشعة فوق البنفسجية من الشمس ، والصرف الكهربائي ، والإشعاع المؤين ، والحرارة ، وقد تم استخدام معظمها الآن في المحاكاة المختبرية ، لإنتاج مجموعة واسعة من الجزيئات العضوية ، من الغلاف الجوي البدائي المفترض للميثان والأمونيا والمياه والهيدروجين.

نتيجة تجدد النظرية السديمية

هذا الدعم العلمي المتجدد للنظرية السديمية ، لتكوين الكواكب أعاد الاهتمام إلى وجود حياة خارج كوكب الأرض ، لأنه يتنبأ بأن النجوم ذات الأنظمة الكواكب يجب أن تكون القاعدة وليس الاستثناء ، على عكس النظريات الأخرى ، التي تنسب تكوين الكواكب إلى أحداث كارثية مثل انفجارات النجوم ، أو التصادمات ، تقترح نظرية السديم ، أن تكوين الكواكب عادة ما يصاحب تكوين النجم ، وهذا يعني أن المجرة والكون يجب أن تكون مليئة بالمواقع الكواكب ، التي يمكن أن تدعم الحياة.

ولم تتم ملاحظة الكواكب حول النجوم الأخرى ، بشكل مباشر مع التلسكوبات ، بسبب اختلاف السطوع الكبير بين النجم والكوكب ، وقرب صورها ، وقد تم الحصول على دليل غير مباشر على وجود نظام كوكبي آخر ، من خلال مراقبة حركة نجم بارنارد على مدى 30 عامًا ، ولكنه غير حاسم.

وقد يكون التذبذب في حركته ، إذا كان حقيقيًا ، ويمكن تفسيره من خلال وجود كوكب بحجم كوكب المشتري تقريبًا فقط ، وفي الوقت الحاضر ، يتم تطوير تقنيات قد تسمح في المستقبل القريب ، بالمراقبة المباشرة للكواكب التي تعمل بالطاقة الشمسية.

المحاكاة ونظرية التطور الكوني

تنتج تفاعلات المحاكاة هذه بعض المركبات المتطابقة ، مع تلك الموجودة في الهياكل البيوكيميائية المعقدة للكائنات الحية الحالية ، ومن بين المركبات التي يتم تصنيعها في هذه التجارب الأحماض الأمينية (السلائف لبروتينات الأنظمة الحية) ، البيورين والبيريميدين (وحدات مونومر من المواد الوراثية للأحماض النووية) ، الكربوهيدرات ، الهيدروكربونات ، الأحماض الدهنية ، والمركبات الأخرى ذات الأهمية الهيكلية والتمثيل الغذائي.

وقد أنتجت المزيد من المحاكاة البريبايوتك مركبات ذات خصائص مذهلة ، على سبيل المثال ، تم تكثيف الأحماض الأمينية لتشكيل بروتينات بروتينية تظهر مستويات منخفضة من النشاط الإنزيمي ، وأيضا ، فقد ثبت أن المركبات العضوية ، التي تشكلت في ظروف ما قبل البكتيريا ، يمكن أن تتراكم في هياكل أكثر تعقيدًا تعرض خصائص كيميائية وهيكلية وفيزيائية مشابهة ، بشكل ملحوظ لتلك الموجودة في الخلايا الحية.

هذه الاكتشافات مثيرة لأنها توفر نماذج للبيئات الدقيقة ، التي يمكن أن تتركز فيها مركبات معينة ، ويمكن أن تحدث تفاعلات ذات أهمية للأنظمة البيولوجية بسهولة أكبر.

أدلة تدعم نظرية التطور الكوني

وإلى جانب تجارب المحاكاة هذه ، هناك خطان آخران من الأدلة يدعمان نظرية التطور الكيميائي ، ويشيران إلى أن هذه التركيبات عالمية بالفعل ، كشفت الملاحظات الفلكية الراديوية الحديثة عن وجود الأمونيا ، وبخار الماء ، والفورمالديهايد ، وأول أكسيد الكربون ، وسيانيد الهيدروجين ، وسيانو أسيتيلين ، وأسيتالديهيد ، وحمض الفورميك ، والميثانول ، ومجموعة من المركبات الأخرى المعروفة في البيئة غير الصالحة للفضاء بين النجوم ، وسيطة في تجارب محاكاة التطور الكيميائي.

حتى أن هناك اقتراحًا بمواد بوليمرية عالية ، مثل البورفيرينات أو الهيدروكربونات العطرية المتعددة ، ويشير الأطياف الكونية إلى وجود مجموعة متنوعة من المركبات العضوية ، بما أن المذنبات تعتبر متشابهة في التكوين ، مع المواد البدائية للسديم الشمسي ، فإن هذا يشكل دليلاً على المادة العضوية في المادة نفسها التي تشكل منها النظام الشمسي.

وقد أشار تحليل النيازك بوضوح شديد إلى وجود مادة عضوية ، حيث تحتوي الكوندريتات الكربونية على ما يصل إلى 5% ، وقد حددت التحليلات الكيميائية العضوية المتطورة الأحماض الأمينية ، والمركبات الأخرى المهمة بيولوجيًا في عينات النيازك ، وإن طبيعة المركبات ، وخصائصها البصرية ، وتوزيع النظائر داخل الجزيئات كلها تجادل بشكل قاطع لكونها أصلية في النيزك ، وبالتالي من أصل بيولوجي ، خارج الأرض ، ويبدو أن المادة العضوية شائعة في الكون.

تابع أدلة تدعم نظرية التطور الكوني

إلى هذه النقطة ، فنظرية التطور الكيميائي معقولة ومفهومة ومدعومة جيدًا بأدلة تجريبية ، ومع ذلك ، فإن تسلسل الأحداث بين الوقت الذي لم يكن فيه سوى مزيج من السلائف العضوية ، موجودًا في البحار البدائية للأرض ، والوقت الذي وفقًا للسجل الجيولوجي ، ظهرت أول خلية حية منذ حوالي 3 مليارات سنة ، لا يزال لغزًا.

فإنه الجزء الوحيد من سلسلة الأحداث بأكملها ، التي بلغت ذروتها في الإنسان ، والتي تفتقر إلى النظريات والبيانات الموضوعية.

وهي خطوة حاسمة لأنها تشير إلى الانتقال من غير الحية إلى الأنظمة الحية ، وبطريقة ما تم تجميع الجزيئات العضوية ، في المحيط البدائي في تلك الوحدة المعقدة من الحياة ، الخلية ، ومع ذلك ، فإن تجارب المحاكاة البريبايوتكية وسجل الأحفوريات الأرضية ، توفر استنتاجًا هامًا واحدًا : قد تتم العمليات التي تؤدي من المواد الكيميائية العضوية ، إلى الأنظمة الحية خلال فترة زمنية قصيرة نسبيًا في عمر الكوكب.

وعلى مدى 3 مليارات سنة ، تطورت الكائنات البدائية على الأرض ببطء ، إلى مجموعة واسعة من الأنظمة الحية التي نراها اليوم ، وكان حجر الزاوية في تطور الحياة ، وهما تطوير قدرة التمثيل الضوئي، والتي يعتقد أنها أدت إلى تحويل الغلاف الجوي إلى حالته المؤكسدة الحالية ، والتي سمحت للخلايا باشتقاق قدر أكبر من الطاقة من الجزيئات المغذية ، والتكاثر الجنسي ، الذي سمحت بجمع طفرات مفيدة في فرد واحد.

الآلية الأساسية لنظرية التطور الكوني

الآلية الأساسية الكامنة وراء التطور البيولوجي هي الطفرة ، وتعديل بنية المادة الوراثية ، والاحتفاظ في مجموعة الجينات من الصفات المواتية ، وتوفر الطفرة المواتية فرصة أكبر للبقاء على قيد الحياة ، حيث يمكن للخلية أو الكائن الحي الآن التنافس بنجاح أكبر على مصادر الطاقة ، ويمكنه تحمل الضغوط البيئية بشكل أفضل.

على مدى أجيال عديدة ، فإن الكائنات الحية التي تمتلك طفرات مواتية ، ستحل محل تلك التي بدونها تدريجيًا ، وهذا هو جوهر الانتقاء الطبيعي ، الذي اقترحه في الأصل داروين ووالاس كتفسير منطقي للتاريخ الكامل ، لتطور الأنواع المختلفة على نطاق واسع التي تشكل الممالك النباتية والحيوانية.

كما تدعم الأدلة التجريبية من البحث الجيني ، والسجل الأحفوري ، والكيمياء الحيوية المقارنة للأنواع الحالية ، النظرية تمامًا لدرجة أن قلة لديها أي تحفظات كبيرة على صحتها.

تابع الآلية الأساسية لنظرية التطور الكوني

وقد ظهر الإنسان في وقت متأخر جدًا في هذا التسلسل من الأحداث ، ومع ذكائه المتزايد ، جاءت الحضارة والعلوم والتكنولوجيا ، كما بدأ التطور الثقافي وسار بسرعة كبيرة في آلاف السنين القليلة الماضية ، وتم تحويل جزء لا متناهي الصغر من مادة الكون إلى المادة العضوية للدماغ البشري.

ونتيجة لذلك ، يمكن لجزء واحد من الكون أن ينعكس الآن على كامل عملية التطور الكوني التي تؤدي إلى وجود الفكر البشري ، ونتساءل عما إذا كانت هذه العملية هي حدث متكرر في الكون : من خلال القيام بذلك نفترض أن الحياة منتشرة في الكون ، وعلى الأقل في بعض الحالات ، قد تكون هذه الحياة قد تطورت إلى مرحلة الذكاء ، والحضارات التكنولوجية التي فعلتها على الأرض.

وقد تكون بعض هذه الحضارات أكثر تقدمًا من أنفسنا ، وربما تعلموا التواصل مع بعضهم البعض ، وحققوا تقدمًا كبيرًا في تطورهم نتيجة لذلك ، وعلى الرغم من وجود العديد من الثغرات والألغاز والشكوك التي لا تزال باقية ، فإن هذا المفهوم الموحِّد ، الذي يتم فيه شرح توسع الكون ، وولادة وموت المجرات والنجوم ، وتكوين الكواكب ، وأصول الحياة ، وصعود البشر.

من خلال السمات المختلفة لعملية التطور الكوني ، يوفر الأساس المنطقي العلمي السليم الذي يقوم على أساسه برنامج للبحث عن الذكاء خارج الأرض.

السابق
حل فيزياء 2 الفصل الخامس الطاقة الحرارية مقررات
التالي
حل فيزياء 2 الفصل السادس حالات المادة مقررات