Unitat 1 Lorigen de lUnivers i de la

Unitat 1. L’origen de l’Univers i de la vida 1. 1. L’origen i l’evolució de l’univers 1. 2. Formació i dinàmica de la Terra 1. 3. L’origen de la vida i dels primers organismes Objectius: 1) Conèixer les teories sobre l’origen i l’evolució de l’Univers. 2) Descriure algunes característiques rellevants de l’Univers. 3) Descriure el procés de formació de la Terra i la seva diferenciació en capes. 4) Identificar els processos geològics en el marc de la tectònica global. 5) Definir el concepte d’ésser viu. 6) Conèixer les teories sobre l’origen de la vida.

2 1. 1 L’origen i l’evolució de l’Univers. L’Univers és el conjunt de tota la matèria i energia existent i l’espai en què es troben. La part que podem observar s’anomena univers observable. Antiguitat de l’Univers: 13 700 m. a. (milions d'anys). Dimensions de l’Univers observable: 46 000 m. anys llum. Composició de l’Univers:

Activitat 1 pàgina 10 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Quina és la diferència entre univers i cosmos? Quins són els elements més abundants a l’Univers? Què és la via làctia? Què és la matèria fosca? Quina és la unitat de mesura de l’univers? Quina edat té l’univers? Quina és la velocitat de la llum? Quina distància ha recorregut la llum que va sortir del sol en el moment del teu naixement? En què es diferencia la matèria atòmica de la matèria fosca? 10. Què és l’energia fosca? 3

Deures: Activitat 2 (1 a part individual i 2 a en grup) Pàg 11 Trobar una explicació senzilla, clara, entenedora i fàcil de recordar que doni resposta a les següents qüestions: 1. Què postula l’heliocentrisme? En què el diferencia del geocentrisme? 2. Què és una galàxia? Exemples 3. Què és una estrella? Exemples 4. Com es pot diferenciar un planeta d’una estrella? 5. Quins són i en quin ordre es situen els planetes del Sistema Solar? 6. Què és un forat negre? 7. Què és un telescopi? I un accelerador de partícules? 4

1905. Un any per recordar • • • • En Rusia tenía lugar el motín del acorazado Potemkin que años después Sergei Einsenstein inmortalizaría para el cine. Noruega se independizó de Suecia en Irlanda nacia el Sinn Fein, un partido que defendía la independencia de Gran Bretaña y que luego se convertiría en el brazo político del grupo terrorista IRA. Richard Willstätter descubrió la estructura de la clorofila, Percival Lowell predijo la existencia de Plutón (que no se detectó hasta 1930) y Ernest Starling acuñó el término “hormona”. El Nobel de Medicina fue para Robert Koch, descubridor del bacilo de la tuberculosis. Se inventó el celofán, otras novedades fueron el extintor de incendios y la crema Vicks Vapo. Rub, presentada entonces como un ungüento de propiedades mágicas. Sigmund Freud realizó notables avances en su teoría de la sexualidad. París era el centro artístico del mundo. Allí el compositor Claude Debussy estrenó su obra maestra La mer, que tuvo una acogida discreta. Eran los años de la Belle Epoque; las comedias musicales llenaban los teatros La sensación del año fue el debut parisino de Mata Hari. También en París se celebró la exposición seminal del fauvismo y Picasso iniciaba su “período rosa” En España reinaba Alfonso XIII, la crisis política, y de identidad, se había instalado en España desde la pérdida de Cuba, Filipinas y Puerto Rico en 1898. En medio de ese panorama, el poeta modernista Rubén Darío publicaba sus Cantos de vida y esperanza, mientras que Ramón y Cajal comenzaba a estudiar la regeneración del sistema nervioso, justo un año antes de recibir el Nobel por sus anteriores trabajos. El otro científico español premiado con un Nobel, Severo Ochoa, nació precisamente en 1905. También vinieron al mundo la actriz Greta Garbo, el actor Henry Fonda, el aviador y magnate del cine Howard Hughes y el filósofo Jean-Paul Sartre. Y el mes de marzo moría uno de los grandes soñadores, el escritor Julio Verne. 5

6 1905 Albert Einstein publicava diversos articles on proposava la seva Teoria de la relativitat especial 1915 publicaria la teoria de la relativitat general, que va fer aparèixer la Cosmologia com la nova ciència de l’estudi de l’origen i l’evolució de l’univers i l’explicació del Big-bang

Teoria de la relativitat especial Les afirmacions d’Einstein desafien el sentit comú, però el sentit comú es fonamenta en la nostra experiència que es limita a objectes no gaire grans que es mouen a velocitats petites. En aquets casos la mecànica de Newton és aplicable. Però quan s’estudien les profunditats de l’àtom o de l’univers el sentit comú no serveix de guia. La llum es propaga en el buit sempre a la mateixa velocitat. Demostrat amb experiències molt diverses La c de l’equació d’Einstein ve del llatí celeritas (que vol dir velocitat) Tot és relatiu, res és absolut. 7

8 Teoria de la relativitat especial • A l’espai no existeix cap sistema de referència absolut respecte al qual mesurar els moviments. I per tant: A) La distància entre dos punts depèn del sistema de referència, per tant l’espai (la longitud) es relatiu. Els objectes són més curts quan es mouen. B) No existeix un temps absolut. Cada sistema de referència té el seu propi temps. La velocitat a la que passa el temps varia amb la velocitat del sistema de referència. • Només són simultanis els esdeveniments que succeeixen en el mateix lloc al mateix moment. (la llum que entra per la finestra, és la que està produint el sol? ) • Quan un objecte absorbeix energia la seva massa augmenta per tant la massa d’un cos augmenta amb la seva velocitat, per això no es poden assolir velocitats properes a la de la llum.

La paradoxa dels bessons Una nau espacial, una benzinera a l’espai i dos germans bessons, un a dins de la nau i l’altre a la benzinera. Si en passar per davant de la benzinera es projecta un raig làser verticalment dins de la nau: Visió des de la benzinera Visió dins de la nau Com que la velocitat del raig és el mateix i v =e/t (la velocitat és igual a l’espai recorregut dividit entre el temps) si l’espai que es veu des de la benzinera és més gran el temps també ha d’haver passat més de pressa per tal que la velocitat no variï. Conseqüència: el temps dins de la nau és més lent: el bessó pilot envelleix més lentament. No hi ha naus espacials que vagin prou de pressa però l’experimentació és possible amb acceleradors de partícules 9

La pèrdua de la simultaneïtat Percepció de l’arribada d’un senyal lluminós per a un observador de fora del sistema Suposem una flotilla de 3 naus, equidistants i a la mateixa velocitat. Un observador en la benzinera. Un senyal lluminós emès per la nau central arriba a les dues naus al mateix temps ja que la velocitat de la llum és constant. Però per l’observador de la benzinera arriba abans per a la nau que viatja en darrer lloc. Si fos el senyal de començar a esmorzar per l’observador aliè comencen abans a la darrera nau. Dos esdeveniments només són simultanis si es produeixen en el mateix moment al mateix lloc 10

Teoria de la relativitat general • Afegeix els efectes de la força d’atracció de la gravetat sobre la llum. • Els rajos de llum experimenten una atracció gravitatòria quan passen prop d’objectes de gran massa (per exemple el sol) i es corben, ja no viatgen en línia recta i això modifica també el temps i l’espai (longitud) • Un objecte és més gran en els llocs en que la gravetat és major (un astronauta és més alt a la Terra que a la Lluna) • El temps es dilata en presència d’un camp gravitatori gran, de manera que un rellotge a la Terra va més a poc que un a la Lluna. • La força de la gravetat és el resultat de la curvatura de l’espai-temps. Una massa deforma l’espai-temps del seu entorn, fent que els objectes caiguin cap a ella. Utilitzat a totes les pel·lícules de ciència-ficció: star-treck, viatge al futur, el planeta dels simis • En un camp gravitatori molt intens l’espectre de llum es desplaça cap al vermell (radiació vermella de l’espai) • L’univers té 4 dimensions: tres relatives a l’espai i una quarta relativa al temps. Los efectos de la Relatividad no son ilusiones visuales, sino consecuencias reales de las leyes del universo que podemos medir siempre y cuando las velocidades implicadas sean lo suficientemente cercanas a la de la luz. 11

Conseqüències de la teoria de la relativitat 12 • El temps absolut no existeix ja que la durada d’un succés depèn de la velocitat del sistema en què es realitza. (l’espai, el temps i la massa són relatius). Només és absoluta la velocitat de la llum. • L’espai i el temps constitueixen una mateixa realitat denominada espai-temps. Hi ha 4 dimensions. • La massa i l’energia son dos aspectes d’una mateixa realitat física i són intercanviables E = m · c 2 La matèria és energia condensada, en ser c 2 un número molt gran hi ha molta energia en qualsevol trosset de matèria (bomba atòmica) La llum està constituïda per fotons i la seva velocitat és la més gran que es pot assolir. Albert Einstein (1879 -1955)

Teoria de la gran explosió (Big Bang) 13 L’Univers es va originar a partir de gran explosió d’una singularitat inicial (ou còsmic o àtom primitiu format per neutrons (que van donar lloc a protons i electrons) Una gran explosió que va projectar tota la matèria i energia. Segons la teoria de la relativitat, l’energia i la matèria són intercanviables i, si la matèria viatja a velocitats grans augmenta la massa Al cap de 3 segon els únics àtoms existents eren H i He, després es van formar els altres. Activitat 3 pàgina 11

Al cap de… Evolució de l’Univers 10 -43 s L’Univers va començar a refredar-se i a dilatar-se a una velocitat superior a la de la llum. Se separa la força gravitatòria. 10 -32 s Se separa la força d’interacció nuclear forta. Es formen les partícules elementals (quarks i leptons). L’Univers es va fer homogeni i pla. 10 -12 s Se separen la força electromagnètica i la força dèbil. S’uneixen els quarks per formar protons i neutrons. 10 -6 s Una gran quantitat protons i de neutrons van xocar entre si i es van transformar en energia. 102 s Els protons i neutrons van formar nuclis d’heli. L’Univers es va fer fosc (opac). 1013 s 200 m. a. Es van formar els primers àtoms d’hidrògen i d’heli. Els fotons es van dispersar i van recórrer grans distàncies (radiació de fons). Els fotons, en separar-se de la matèria, van originar la llum. L’Univers es va fer transparent. Es van formar les primeres galàxies i estrelles. 14

Evidències de la gran explosió • Les galàxies s’allunyen • Els elements més abundants a l’univers són l’H i l’He (99%) • L’existència de la radiació de fons (igual en totes les direccions de l’espai) que serien restes de la radiació emesa pels cossos inicials. Altres teories: Teoria de l’estat estacionari o de la creació contínua. L’univers és uniforme i encara que s’expandeix la densitat és constant per que contínuament s’està creant matèria. Imatge de la radiació de fons. EAC 1 pàgina 20 15

16 Evolució futura de l’Univers S’han proposat dos models possibles: • Univers obert. En expansió indefinida. Es considera el model més encertat. • Univers tancat. Successives expansions i contraccions (univers polsant). Galàxia Andròmeda.

La forma de l’Univers La seva densitat hauria de ser superior a la crítica. Univers tancat i finit. La seva densitat hauria de ser inferior a la crítica. Univers obert i infinit. La seva densitat hauria de ser igual a la crítica. Univers obert. Segons les darreres observacions l’univers és pla (segons la geometria de l’espai. . . Tot és relatiu) EAC 2 en grup: La teoria de cordes. 17

1. 2. Formació i dinàmica de la Terra • La via làctia és la galàxia on es troba el nostre sistema solar (sistema format per una estrella al voltant de la qual orbiten diversos planetes. • Té una edat de 12. 800 milions d’anys però es va formar en dues fases, la primera va donar lloc a la majoria de la galàxia la segona va englobar petites galàxies que s’havien format fa uns 5. 000 milions d’anys (un d’ells el que contenia el nostre sistema solar) • Segons la mitologia grega, Hera (esposa de Zeus) va donar lloc a la via làctia quan va derramar llet en treure del seu pit, de manera brusca, al fill de Zeus amb una mortal. Li havien posat el nen mentre ella dormia per a que fos immortal. Via làctia 18

19 Formació del sistema solar 1. Contracció de la gran nebulosa inicial. 2. Formació d’una estrella o protosol. 3. Formació dels planetes del sistema solar. Els planetes es van formar a partir d’uns núvols de pols còsmica que no van “sucumbir” a la gravetat solar. El cinturó d’asteroides que hi ha entre Mart i Júpiter serien les restes d’un planeta que no es va arribar a formar

L’estructura interna de la Terra 19 -1

20 Teoria de la tectònica global o de plaques • La litosfera està fragmentada en plaques tectòniques o litosfèriques. • Les plaques es generen pels corrents de magma que ascendeixen a la superfície. • El moviment de les plaques origina: serralades, sismes i volcans.

Teoria de la tectònica global o de plaques 20 -1 • Hi ha tres tipus de límits entre plaques: • Convergents (constructius), • Divergents (destructius) • Transformants Serralada dels Andes Marge destructiu=convergent Rift Islàndia Marge constructiu=divergent Falla de Sant Andreu Marge transformant Límits de plaques

Teoria de la tectònica global o de plaques • Hi ha tres tipus de límits entre plaques: Convergents (constructius), Divergents (destructius) Transformants 21

Pangea i la tectònica de plaques 21 -1

• Situeu les principals plaques tectòniques en el mapa • Completeu la taula dels marges de plaques Activitat 4 pàgina 12 22

Marges de placa Divergent, expansiva o constructiva Convergent (destructiva) Transformant neutra o conservadora Movime nt entre plaques Les plaques es separen entre elles Les plaques s’ajunten entre elles Les plaques llisquen lateralment Litosfer es en contacte Oceànica amb oceànica Continental amb continental Oceànica amb oceànica Oceànica amb continen. . Contin amb continental Oceànica amb oceànica o bé continental amb continental Formes de relleu Rifts oceànics (dorsals oceàniques Rifts continentals Arcs insulars Serralad es tipus andí Serralades --------- (falles) tipus alpí Grans processo s que hi tenen lloc Creació de litosfera (Acreció) Destrucció de litosfera Vulcani sme associat Molt elevat però suau Important i elevat Sismicit at associad a Poc important i poc profunda Molt elevat, de molta magnitud Molt elevat Molt important i de molta i profunds magnitud Exempl es Dorsal del centre de l’atlàntic Mar Roig Japó, filipines cinturó asiàtic L’Himalaia i els Alps La separació de la banya d’Àfrica (grans llacs i cataractes Victòria Molt important i elevat Els Andes Creixeme nt vertical Conservació de litosfera Cap (inexistent La falla de Sant Andrés a Califòrnia

24 1. 3 L’origen de la vida i dels primers organismes. Els éssers vius són capaços de fer les tres funcions vitals: nodrir-se, relacionar-se i reproduir-se. Omni cellula ex cellula Tots els éssers vius estan fets de cèl·lules, és el que es coneix com a teoria cel·lular. Dos tipus de cèl·lules: Procariotes i Eucariotes Teoria de la generació espontània Segons aquesta teoria, alguns éssers vius podrien originar-se a partir de materials inerts, com el fang, la suor, la carn en descomposició, etc. Pasteur va demostrar experimentalment que «tots els éssers vius procedeixen d’altres éssers vius» i que la generació espontània no es produïa. Mètode científic: Problema Hipòtesis Disseny de l’experiment: Identificació de variables dependent i independent i control de les variables pertorbadores EAC 4 l’explosió del Tunguska. Pàg 23

Experiment de Pasteur Identificació del problema, hipòtesi, variables Activitat 5. Experiments de Redi. Pàg 14 Identificació de les parts del mètode científic 25

L’origen de la vida teoria dels coacervats d’Oparin • Composició de l’atmosfera primitiva : H 2, H 2 O, amoníac (NH 3), metà (CH 4). • Formació del brou primitiu: molècules orgàniques petites (monòmers). • Combinació de monòmers per formar polímers. • Unió de polímers per constituir els coacervats. • Oparin va proposar que els coacervats devien ser els precursors dels éssers vius a la Terra. 26

27 Síntesi de matèria orgànica senzilla Experiment de Miller • Miller va simular en un matràs les condicions que se suposava que tenia l’atmosfera primitiva. • En el recipient es van formar molècules orgàniques senzilles com glúcids, àcids grassos i aminoàcids.

28 Síntesi de matèria orgànica complexa Experiment de Fox • Fox va simular les condicions de les zones volcàniques pròximes al mar de la Terra primitiva. • Va introduir en un forn una porció de lava amb una barreja de 18 tipus d’aminoàcids i els va mantenir a 170 ºC durant unes quantes hores. • Va obtenir proteïnoides termals (polímers similars a les proteïnes), que formaven petites gotetes (microesferes). Aquestes podrien captar energia del medi extern i dividir-se. Síntesi d’aminoàcids i àcids nuclèics Experiments de Joan Oró va simular condicions de les zones volcàniques, en una atmosfera primitiva i va aconseguir la síntesi in vitro de molts aminoàcids (les peces de les que estan formades les proteïnes i de petits àcids nuclèics)

29 L’aparició dels éssers vius Dels “Coacervats” d’Oparin es passari a l’aparició de la primera cèl·lula que havia de ser procariota. 3. 600 ma El metabolisme era per fermentació (manca d’oxigen) Quan els nutrients van començar a escassejar van aparèixer els primers organismes fotosintetitzadors 3000 ma Això va comportar un canvi radical de la composició de l’atmosfera. (de reductora a oxidant i aparició de l’ozò). Va aparèixer el metabolisme per respiració. Eucariotes, pluricel·lulars, . . Activitat 6 pàgina 14 L’evolució, des de llavors, ja no s’ha aturat

Activitat 7. Interpretació de gràfics. Pàgina 15 a- A partir de la gràfica, assenyala les diferències entre la composició de l’atmosfera inicial i l'actual. b- Descriu l’evolució dels components atmosfèrics a partir del moment de l’aparició de la vida: Quins augmenten? Quins disminueixen'? Apareix algun de nou? En quin moment? Emet una hipòtesi explicativa sobre les causes i conseqüències d’aquesta aparició? 30

31 La classificació dels éssers vius • Concepte biològic d’espècie: Dos individus són de la mateix espècie si es poden reproduir entre ells i la descendència és fèrtil • La classificació en 5 regnes: Animals o metazous, quimioheteròtrofs, pluricel·lulars amb teixits diferenciats i reproducció sexual Vegetals o metafites, fotoautòtrofs, pluricel·lulars amb teixits diferenciats i reproducció sexual Fongs, quimioheteròtrofs, unicel·lulars o pluricel·lulars sense teixits diferenciats amb reproducció sexual Protoctistes (algues i protozous): Algues pluricel·lulars sense teixits diferenciats i fotoautòtrofes. Protozous unicel·lulars i quimioheteròtrofs Móneres (bacteris) unicel·lulars, tots els tipus de metabolisme, els únics procariotes • El nom científic Dues paraules escrites en llatí subratllades o en cursiva, la primera lletra de la primera paraula (que correspon al gènere) en majúscula, totes les altres lletres en minúscula EAC 3 Interpretació de textos. Pàg 22

Activitat 8. Pàgina 15 (1 r individual, després posada en comú en el grup) Activitat 9 Pàgina 16 Activitat 10 Pàgina 18. El mètode científic Activitat 11 Pàg 18 EAC 5 El mètode científic i el disseny d’experiments. Pàg 25