Θέμα 1

Θέμα 1ο 1

Θέμα 1ο: « Κύριοι σταθμοί μετάβασης από το μακρόκοσμο στο μικρόκοσμο και γένεσης των σύγχρονων βιοεπιστημών»

Όλοι έχουμε ακούσει κάτι από την ιστορία της επιστήμης. Για παράδειγμα, όλοι

έχουμε ακούσει πως ο Αρχιμήδης βγήκε από το λουτρό και έτρεχε στους δρόμους των

Συρακουσών φωνάζοντας «Εύρηκα», πως ο Γαλιλαίος, αφού ομολόγησε μπροστά στην Ιερά

Εξέταση ότι δεν πιστεύει, στην κίνηση της γης, σιγοψιθύρισε «Κι όμως κινείται», πως ο

Νεύτων ανακάλυψε το νόμο της παγκόσμιας έλξης, όταν είδε να πέφτει ένα μήλο, πως ο

Αϊνστάιν δεν πέτυχε στις εισαγωγικές εξετάσεις για το πανεπιστήμιο κτλ. Και όμως, τίποτα

από τα παραπάνω δεν ανταποκρίνεται στην αλήθεια. Αλλά ακόμα κι αν ανταποκρινόταν,

τέτοιου τύπου ανεκδοτολογικές αναφορές στη ζωή των μεγάλων επιστημόνων δεν είναι

ιστορία της επιστήμης. Η ιστορία της επιστήμης είναι η ιστορία των ανθρώπων που

προσπαθούν να κατανοήσουν τη φύση (έμβια και μη), και στην προσπάθεια τους αυτή

διατυπώνουν νέες έννοιες και νέους συλλογισμούς, χρησιμοποιούν τα κατάλληλα εργαλεία

της λογικής και των μαθηματικών, αναπτύσσουν τεχνικές μέτρησης και παρατήρησης,

διαμορφώνουν νέες θεωρίες, επινοούν νέες υπολογιστικές μεθόδους και προτείνουν νέα

πειράματα. Βεβαίως, με τα σημερινά κριτήρια και με τις σύγχρονες γνώσεις θα λέγαμε ότι

σχεδόν όλες αυτές οι προσπάθειες οδήγησαν στο παρελθόν σε λανθασμένες ή ατελείς

θεωρίες. Τι νόημα έχει τότε να μάθουμε την ιστορία λανθασμένων θεωριών, μεθόδων και

τεχνικών; Πιστεύουμε πως έχει μεγάλη σημασία να μελετήσουμε τις προσπάθειες που έγιναν

στο παρελθόν για την κατανόηση της φύσης, για να καταλάβουμε τι ακριβώς πίστευαν οι

άνθρωποι σε κάθε εποχή, ασχέτως εάν αυτά που πίστευαν θεωρούνται για εμάς σήμερα

σωστά ή λανθασμένα.

Πρωταγωνιστές στην ιστορία της επιστήμης, δεν είναι μόνο οι ιδέες αλλά κυρίως οι

άνθρωποι με τις αδυναμίες και τις αντιφάσεις τους, με το πείσμα και την απόλυτη αφοσίωση

τους σε αυτό που κάνουν, με τη μικροψυχία αλλά και με τη μεγαλοψυχία τους, με τον

εγωισμό τους αλλά και με την ανιδιοτέλειά τους, αυτοί που με τις μεγαλειώδεις συλλήψεις

τους μας βοήθησαν να κατανοήσουμε καλύτερα το φυσικό κόσμο μέσα στον οποίο ζούμε, το

σώμα μας αλλά και τα άλλα έμβια όντα.[1]

Βλέπουμε και ερμηνεύουμε τον κόσμο γύρω μας, τόσο τον φυσικό όσο και τον

πολιτιστικό, μέσα από αναπαραστάσεις δικής μας κατασκευής, φτιαγμένες σύμφωνα με την

αντίληψη και τη νόηση του καθενός μας. Οι φυσικές επιστήμες υποστηρίζουν ότι οι μέθοδοι

που χρησιμοποιούν, η διατύπωση υπόθεσης, η παρατήρηση και το πείραμα, μπορούν να

προσεγγίσουν μια πιστή αναπαράσταση της υλικής πραγματικότητας. Παρ' όλα αυτά, εδώ και

πολλές δεκαετίες, φιλόσοφοι, ιστορικοί και κοινωνιολόγοι επισημαίνουν ότι η επιστημονική

μας γνώση στηρίζεται, ουσιαστικά, σε κοινωνικά, πολιτιστικά και ιστορικά δεδομένα.

Υποστηρίζουν δηλαδή ότι η επιστήμη προσφέρει μια περιορισμένη ερμηνεία του υλικού

Κώστας Μπακολίτσας

Θέμα 1ο 2

κόσμου. Ο πρώτος περιορισμός τίθεται από την ίδια την κατασκευή του εγκεφάλου μας και

από τη βιολογία των μηχανισμών που διαθέτουμε για την αντίληψη του περιβάλλοντος. Σε

αυτό προσθέτουμε ότι ο εγκέφαλος δεν λειτουργεί ανεξάρτητα από το σώμα: η αντίληψη μας

επηρεάζεται από την ορμονική, ανοσοβιολογική και γενική φυσιολογική κατάσταση του

οργανισμού μας. Ο τρόπος με τον οποίο αντιλαμβανόμαστε τον κόσμο οφείλεται στο ότι το

οπτικό μας σύστημα διεγείρεται από ένα συγκεκριμένο εύρος ακτινοβολίας, η σχέση μας με

τη βαρυτική δύναμη καθορίζεται από τη μάζα και τον όγκο μας. Η αίσθηση που έχουμε για

τη χρονική διάρκεια των γεγονότων έχει διαμορφωθεί με βάση το γεγονός ότι ζούμε το πολύ

εκατό χρόνια. Ο άνθρωπος, χάρη στην τεχνολογία, κατόρθωσε να υπερβεί αυτούς τους

δομικούς και χρονικούς περιορισμούς. Έχουμε πλέον τη δυνατότητα παρατήρησης στο

υπεριώδες και το υπέρυθρο τμήμα του φάσματος (και όχι μόνο), υπολογισμού της μάζας

μικροσκοπικών (υποατομικών) σωματιδίων και μέτρησης του χρόνου σε κλίμακα που

εκτείνεται από τα νανοδευτερόλεπτα έως τα έτη φωτός. Και όμως, ακόμη και όταν

ασχολούμαστε με το ασύλληπτα μικρό (μικρόκοσμος) ή το ασύλληπτα μακρινό

(μακρόκοσμος), αυτό γίνεται με βάση κλίμακες που σχετίζονται με την ανθρώπινη

κατάσταση: το μέτρο του ανθρώπου είναι ο άνθρωπος.

Υπάρχουν όμως και άλλοι περιορισμοί εκτός από τα όρια των βιολογικών μας

προδιαγραφών. Ένας από αυτούς είναι ότι οι ερμηνείες τις οποίες αποδίδουμε στον κόσμο

που μας περιβάλλει πρέπει, απαράβατα να συμφωνούν με τις παρατηρήσεις και τα πειράματα

μας. Ο δεύτερος περιορισμός έγκειται στο γεγονός ότι οι δυνατότητες που μας προσφέρουν οι

τεχνολογίες τις οποίες έχουμε στη διάθεση μας είναι περιορισμένες. Για όσο διάστημα δεν

ήμασταν σε θέση να κάνουμε τον γύρο της Γης, πιστεύαμε πως η Γη ήταν επίπεδη και αυτή η

προσέγγιση ήταν αποδεκτή.[2]

Η σφαιρικότητα του πλανήτη μας δεν είναι προφανής με γυμνό μάτι και παρόλο που το

σχήμα του συμπεραίνεται «εύκολα» από τις εκλείψεις της σελήνης, καθώς πάνω της

προβάλλεται η «φιγούρα» του, ούτε έτσι μπορεί κανείς να είναι σίγουρος, αν δεν υπάρχει μια

προηγούμενη γνώση. Τα πρώτα σωστά επιχειρήματα για τη σφαιρικότητα της Γης

προέρχονται περισσότερο από την παρατήρηση των ουρανίων σωμάτων. Τη μεγαλύτερη

συνεισφορά μας προσέφερε ο Ίωνας φιλόσοφος Αναξίμανδρος (611 – 545 π.χ.) ο οποίος

αναγνώρισε ότι η Γη είναι ένα ουράνιο σώμα, κυλινδρικού σχήματος, απομονωμένο στο

διάστημα. Με άλλα λόγια διατύπωσε για πρώτη φορά την άποψη ότι η Γη είναι μετέωρη στο

διάστημα. Τον 4ο αιώνα ο Αριστοτέλης (384 – 322 π.χ.) συνόψισε τους λόγους που οδηγούν

στο σωστό συμπέρασμα της σφαιρικότητας της Γης. Έτσι, η ιδέα της επίπεδης Γης θα έπρεπε

να απορριφθεί εφόσον δεν συμφωνούσε με τα δεδομένα της παρατήρησης από διαφορετικά

σημεία της Γης[3]

Ο Έλληνας φιλόσοφος Λεύκιππος (5ος αιώνας π.χ.) ήταν ο πρώτος που υποστήριξε

κατηγορηματικά ότι κάθε συμβάν έχει ένα φυσικό αίτιο. Αυτή η θέση απορρίπτει κάθε

Κώστας Μπακολίτσας

Θέμα 1ο 3

επέμβαση υπερφυσικών δυνάμεων και αντιπροσωπεύει την επιστημονική άποψη που

επικρατεί και σήμερα. Ο μαθητής του ο Δημόκριτος ενστερνίστηκε και επεξέτεινε τις ιδέες

του δασκάλου του. Από το 440 π.χ. περίπου ο Δημόκριτος υποστήριξε ότι η γη αποτελείται

από μικροσκοπικά σωματίδια τόσο μικρά που είναι αδύνατο να γίνει αντιληπτό κάτι

μικρότερο. Επομένως δεν μπορούν να διαιρεθούν, να τμηθούν, να κοπούν περισσότερο και γι

αυτό τα ονόμασε άτομα. [4]

Η ιδέα της ατομικής δομής της ύλης δεν είχε χαθεί εντελώς από την εποχή του

Δημόκριτου. Υπήρχαν πάντοτε στοχαστές που δεχόταν την ύπαρξη των ατόμων, όμως τα

πειράματα του Μπόϋλ ήταν η ισχυρότερη ένδειξη που είχε παρουσιαστεί μέχρι εκείνη την

εποχή για την εγκυρότητα της θεωρίας, και ο ίδιος ο Μπόϋλ την υιοθέτησε. Τα

σημαντικότερα συμπεράσματα των πειραμάτων του Μπόϋλ ήταν ότι ο αέρας, και θεωρητικά

τα άλλα αέρια, έχουν ατομική δομή και ότι τα άτομα τους βρίσκονται σε μεγάλες αποστάσεις

μεταξύ τους. Με την πίεση τα άτομα αναγκάζονται να πλησιάσουν περισσότερο, με

αποτέλεσμα να μικραίνει ο όγκος. [5]

Από την εποχή των πειραμάτων του Μπόϋλ αναφορικά με τη συμπίεση των αερίων

εξακολουθούσαν να συσσωρεύονται ενδείξεις για την ατομική σύσταση της ύλης. Το 1803 ο

Άγγλος χημικός Τζών Ντάλτον παρουσίασε μια σύνοψη της ατομικής θεωρίες

υποστηρίζοντας την με τα δεδομένα που είχαν συγκεντρωθεί και ανάμεσα στα οποία

ξεχωρίζουν ο νόμος των σταθερών αναλογιών του Προύστ και οι δικές του έρευνες πάνω

στην συμπεριφορά των αερίων. Ουσιαστικά ο Ντάλτον επέστρεψε στις απόψεις του

Δημόκριτου ο οποίος είχε υποστηρίξει ότι η ύλη αποτελείται από μικροσκοπικά σωματίδια.

Μάλιστα χρησιμοποίησε και το όνομά που είχε δώσει ο Δημόκριτος σε αυτά τα σωματίδια:

άτομα. Η διαφορά ήταν ότι η θεωρία του Δημόκριτου στηριζόταν μόνο σε υποθέσεις, ενώ του

Ντάλτον βασιζόταν σε ενάμιση αιώνα προσεκτικών χημικών παρατηρήσεων.[6]

Έκτοτε πολλοί χημικοί είχαν ασχοληθεί με τον προσδιορισμό του ατομικού βάρους

των διαφόρων στοιχείων. Από τις έρευνές τους είχαν προκύψει δύο δεδομένα. Το πρώτο ήταν

ότι το άτομο του υδρογόνου είχε τη μικρότερη μάζα από όλα τα άλλα άτομα και το δεύτερο

ότι το ειδικό βάρος των διαφόρων στοιχείων ήταν ένα πολλαπλάσιο του ατομικού βάρους του

υδρογόνου. Έτσι το 1815 ο Άγγλος χημικός Γουίλιαμ Πράουτ υποστήριξε ότι το υδρογόνο

είναι το θεμελιώδες άτομο και ότι όλα τα άλλα άτομα αποτελούνται από διαφορετικούς

αριθμούς ατόμων υδρογόνου. Εδώ έχουμε μια κλασική περίπτωση επιστήμονα που

προηγείται κατά πολύ της εποχής του. Ωστόσο έναν αιώνα αργότερα αποδείχτηκε ότι η

υπόθεση του Πράουτ είχε μια μεγάλη δόση αλήθειας, αν και όπως συμβαίνει συνήθως σε

αυτές τις περιπτώσεις η αλήθεια ήταν πιο πολύπλοκη από ότι θα μπορούσε να φανταστεί.[7]

Μέχρι τη στιγμή που ο Lavoisier κατάφερε να ζυγίσει τα προϊόντα της καύσης, η

θεωρία του φλογιστού θεωρούνταν εξίσου έγκυρη με τη θεωρία του οξυγόνου. Μέχρι τη

στιγμή που παρατηρήσαμε, χάρη στο μικροσκόπιο, τα εσωτερικά συστατικά των ζωντανών

Κώστας Μπακολίτσας

Θέμα 1ο 4

ιστών, ήταν αποδεκτό να θεωρούμε ότι τα κύτταρα αποτελούνται από ομογενές

πρωτόπλασμα. [8]

Ο πρωτοπόρος Ολλανδός επιστήμονας Άντονι Βαν Λέουενχούκ (1632-1723) σχεδίασε

και κατασκεύασε ένα μικρό μικροσκόπιο με έναν φακό. Ήταν ο πρώτος άνθρωπος που το

1683 είδε βακτήρια με αυτό το όργανο.[9]

Το πώς βλέπουμε τον κόσμο, τα πειράματα που καταστρώνουμε, τα αποτελέσματα που

δεχόμαστε ως σωστά, οι θεωρίες που διατυπώνουμε, επηρεάζονται έντονα από πολιτιστικούς

παράγοντες. Αυτό σημαίνει ότι δεν μπορούμε να κατανοήσουμε τη μορφή της βιολογικής

σκέψης αν δεν ανατρέξουμε στην ιστορία του συγκεκριμένου κλάδου. [8]

Στο δεύτερο μισό του 20ού αιώνα συνέβη στις βιοεπιστήμες μια σειρά από τις

μεγαλύτερες επιστημονικές επαναστάσεις όλων των εποχών: αυτό που αργότερα έγινε

γνωστό ως μοριακή βιολογία. Η επανάσταση αυτή συνεχίζεται ακόμη, και μπορεί πλέον να

διακριθεί σε τρεις φάσεις. Κατά την έναρξη αυτής της περιόδου η γενετική είχε ήδη

ταχτοποιήσει το γονίδιο ως μονάδα κληρονομικότητας σε διάφορους οργανισμούς: γνώριζε

ότι αποτελεί τη βάση φαινοτυπικών χαρακτηριστικών του ατόμου και ότι μεταφέρεται από

γενιά σε γενιά. [10]

Η γενετική αποτελεί τον κλάδο της βιολογίας που επιχειρεί να δώσει απαντήσεις σε

ερωτήματα γύρω από τους μηχανισμούς της κληρονομικότητας και της βιοποικιλότητας. Ο

όρος γενετική χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά από τον Άγγλο επιστήμονα Γουίλλιαμ

Μπέιτσον σε ένα γράμμα του προς τον Άνταμ Σέντζγουϊκ, με ημερομηνία 18 Απριλίου1905.

Επίσημα, πατέρας της γενετικής θεωρείται ο Γκρέγκορ Μέντελ, ο οποίος το 1865 διατύπωσε

τους νόμους που φέρουν το όνομα του. Η αλήθεια όμως είναι πως το ζήτημα της μετάδοσης

χαρακτηριστικών από γενιά σε γενιά έχει απασχολήσει τον άνθρωπο από την αρχαιότητα. Για

παράδειγμα, οι αρχαίοι Βαβυλώνιοι γνώριζαν ότι για να παραχθεί καρπός σε φοινικόδεντρα

έπρεπε να μεταφερθεί γύρη από άρρενα φυτά στους υπέρους των ανθών θηλυκών φυτών.

Επίσης ένα βαβυλωνιακό πινακίδιο, του οποίου η ηλικία χρονολογείται πάνω από 6.000 έτη,

παρουσιάζει γενεαλογίες αλόγων και υποδεικνύει πιθανά κληρονομικά χαρακτηριστικά. Στην

αρχαία Ελλάδα, ο Πυθαγόρας διατύπωσε την υπόθεση ότι η ζωή ξεκινά με την ανάμιξη

αρσενικών και θηλυκών σπερμάτων, τα οποία βρίσκονται σε τμήματα του ανθρώπινου

σώματος. Τον 4ο αιώνα π.Χ. ο Αριστοτέλης υποστήριξε ότι φορέας των κληρονομικών

χαρακτηριστικών είναι το αίμα (αρκετοί θεωρούν ότι κατάλοιπα αυτής της αντίληψης

αποτελούν εκφράσεις όπως 'γαλαζοαίματος' ή 'συγγενείς εξ αίματος' που μέχρι τις μέρες μας

χρησιμοποιούνται). Παράλληλα ο Αριστοτέλης θεωρούσε ότι η συμβολή καθενός από τους

γονείς ήταν διαφορετική: το αρσενικό προσφέρει στους απογόνους την 'κίνηση', ενώ το

θηλυκό την 'ύλη'. Το 1651, ο Άγγλος γιατρός Γουίλλιαμ Χάρβεϋ υποστήριξε μια διαφορετική

άποψη. Μελετώντας τα έμβρυα ελαφιών, διαπίστωσε ότι στα πρώτα στάδια ανάπτυξής τους

έχουν τη μορφή αυγού. Έτσι μέχρι το τέλος του 17ου αιώνα είχε διατυπωθεί η υπόθεση ότι τα

Κώστας Μπακολίτσας

Θέμα 1ο 5

'αυγά' παράγονται σε όργανα των θηλυκών (που γι'αυτό το λόγο ονομάζονται ωοθήκες) και

ότι το σπέρμα μεταφέρει το κληρονομικό υλικό του αρσενικού. Στις αρχές του 19ου αιώνα, ο

Γάλλος φυσιοδίφης Ζαν Λαμάρκ υποστήριξε ότι και τα επίκτητα χαρακτηριστικά

κληρονομούνται. Αργότερα τον ίδιο αιώνα, ο Κάρολος Δαρβίνος τόνισε τη σημασία που έχει

η κατανόηση των μηχανισμών της κληρονομικότητας για τη μελέτη της εξέλιξης των ειδών.

Γύρω στο 1865, ο Γκρέγκορ Μέντελ παρουσίασε τις δίασημες πλέον εργασίες του πάνω στην

κληρονομικότητα, οι οποίες αποτελούν κομβικό σημείο για την επιστήμη της γενετικής. Έτσι,

ο 20ος αιώνας αποτελεί τον αιώνα που η γενετική εξελίσσεται, μέσα από μία σειρά

συναρπαστικών ανακαλύψεων γύρω από τους μηχανισμούς της κληρονομικότητας. [11]

Το απλό αλλά ανατρεπτικό ερώτημα του Schrodinger, «Τί είναι ζωή;», μετέτρεψε τη

διερεύνηση των βιολογικών φαινομένων σε αναζήτηση μιας άπιαστης, ανώτερης αλήθειας:

της χημικής φύσης του γονιδίου. Στρατολογημένοι σε αυτή την προσπάθεια από φυσικούς,

μια αρχικά μικρή κοινότητα νέων βιολόγων εστίασαν την αναζήτηση τους στις απλούστερες

μορφές ζωής (τα βακτήρια και τους ιούς τους), προκειμένου να κατανοήσουν τι είναι το

γονίδιο και, συνεπώς, η ίδια η ζωή. Οι μελέτες που πραγματοποίησαν, αποτέλεσαν την πρώτη

επανάσταση στο χώρο της μοριακής βιολογίας [12]

Χάρη στις έρευνες του Μόργκαν με τη δροσόφιλα αποδείχθηκε ότι τα χρωμοσώματα

περιέχουν πολλές ¨μονάδες κληρονομικότητας ¨. Το 1909 ο Δανός βοτανολόγος Βίλχελμ

Λούντβιχ Γιόχανσεν πρότεινε να ονομαστούν γονίδια. Η πρότασή του υιοθετήθηκε. [13]

Τα γονίδια αποτελούνται από DΝΑ το δε DΝΑ είναι ένα επίμηκες, αλυσιδωτό και

δίκλωνο είδος μορίου, που συνήθως παίρνει την τρισδιάστατη μορφή διπλής έλικας. Ο

καθένας από τους δύο μοριακούς κλώνους στο DΝΑ είναι συμπληρωματικός προς τον άλλο

και άρα ορίζεται αμοιβαία από αυτόν. Η άλλη όψη του γονίδιου, η έκφραση του προς ένα

φαινοτυπικό χαρακτηριστικό, οφείλεται στην ικανότητα που έχει να υπαγορεύει την

παραγωγή μιας αντίστοιχης (προς αυτό) πρωτεΐνης, και βασίζεται στη συμπληρωματικότητα

των βάσεων και στο γενετικό κώδικα τριπλέτας Ο γενετικός κώδικας συνίσταται στους

κανόνες σύμφωνα με τους οποίους κάθε τριπλέτα βάσεων ορίζει ένα από τα 20 αμινοξέα που

μπορεί να περιέχει μια πρωτεΐνη. [12]

Ο Ζακόμπ και ο Μονό, οι βιολόγοι που είχαν διατυπώσει την ιδέα για την ύπαρξη του

αγγελιοφόρου RNA, προσπαθούσαν να εξηγήσουν το γεγονός ότι διαφορετικά κύτταρα σε

ένα σώμα παρουσιάζουν διαφορετική χημική συγκρότηση, παρ’όλο που όλα τα κύτταρα

έχουν την ίδια γενετική σύσταση. Επίσης στους απλούστερους οργανισμούς, υποστήριξαν ότι

τα γονίδια που υπάρχουν στο DΝΑ δεν εκφράζονται όλα σε πρωτεΐνες συνεχώς και

ταυτόχρονα. Η έκφραση συγκεκριμένων γονιδίων ρυθμίζεται χρονικά σύμφωνα με ένα

εγγενές πρόγραμμα, ή ως απόκριση στις αλλαγές που συμβαίνουν στο περιβάλλον. Για

παράδειγμα, ορισμένοι ιοί του κολοβακτηριδίου Εscherichia coli (βακτηριοφάγοι) μπορούν

να παραμείνουν αδρανείς, ενώ το DΝΑ τους αντιγράφεται μαζί με αυτό του βακτηρίου·

Κώστας Μπακολίτσας

Θέμα 1ο 6

διαφορετικά, μπορούν να περάσουν σε έναν ενεργό «λυτικό» κύκλο, κατά τον οποίο η

συνεχής έκφραση κάποιον ιικών γονιδίων οδηγεί σε γρήγορο πολλαπλασιασμό και

απελευθέρωση των ιών η οποία συνοδεύεται από καταστροφή του βακτηριακού κυττάρου-

ξενιστή. Σε ένα άλλο παράδειγμα, βακτήρια που υπό φυσιολογικές συνθήκες τρέφονται με

ένα απλό σάκχαρο, τη γλυκόζη, μπορεί να βρεθούν σε περιβάλλον όπου δεν υπάρχει γλυκόζη,

υπάρχει όμως ένα πιο περίπλοκο σάκχαρο του γάλακτος, η λακτόζη, που αποτελείται από

γλυκόζη και γαλακτόζη. Τότε τα βακτήρια θα σταματήσουν την έκφραση των γονιδίων που

είναι υπεύθυνα για το μεταβολισμό της γλυκόζης αλλά θα ενεργοποιήσουν την έκφραση των

γονιδίων που απαιτούνται για να τραφούν με λακτόζη. Αλλαγές όπως οι παραπάνω

προκαλούνται από ρυθμιστικές πρωτεΐνες, καθεμία εκ των οποίων μπορεί να προσδεθεί σε

ένα συγκεκριμένο είδος ρυθμιστικών αλληλουχιών του DΝΑ ενεργοποιώντας ή

απενεργοποιώντας τα προσκείμενα στις αλληλουχίες αυτές γονίδια. Πολλές ρυθμιστικές

πρωτεΐνες αλλάζουν την τρισδιάστατη δομή τους, και άρα τη λειτουργικότητα τους, με

αφορμή ερεθίσματα από το περιβάλλον. Για παράδειγμα, οι πρωτεΐνες-καταστολείς των

βακτηριοφάγων μπορούν να απενεργοποιηθούν με υπεριώδη ακτινοβολία, κάτι που επιτρέπει

την έκφραση των γονιδίων που μέχρι πρότινος τελούσαν υπό καταστολή, προκαλώντας έτσι

την έναρξη ενός λυτικού κύκλου. Επίσης, οι καταστολείς της λακτόζης στην Ε. coli μπορούν

να απενεργοποιηθούν αν προσδεθούν σε ίχνη λακτόζης γεγονός που τους αναγκάζει να

αποσπαστούν από τη ρυθμιστική περιοχή του DΝΑ και επιτρέπει την έκφραση των γονιδίων

πρόσληψης και μεταβολισμού της λακτόζης. [14]

Η κλασική μοριακή βιολογία μας έδωσε τη δυνατότητα να κατανοήσουμε τον τρόπο με

τον οποίο λειτουργούν οι απλοί οργανισμοί, σύμφωνα με τα όσα υπαγορεύει το

κληρονομούμενο γονιδίωμά τους και ανάλογα με τις συνθήκες του περιβάλλοντος. Το

εκπληκτικό αυτό επίτευγμα προέκυψε χάρη σε μια αναγωγιστική προσέγγιση, που

εστιάστηκε στα πλέον θεμελιώδη ερωτήματα και τους απλούστερους οργανισμούς.

Χρειάστηκε να ενοποιηθούν προσεγγίσεις από το χώρο της γενετικής, της μικροβιολογίας,

της βιοχημείας και της δομικής βιολογίας και να καταρρεύσουν τα σύνορα που υπήρχαν

μέχρι πρότινος ανάμεσα σε διακριτές ειδικότητες. Θα μπορούσαμε, άραγε, να εφαρμόσουμε

τις παραπάνω γνώσεις και σε ανώτερους οργανισμούς, θεωρώντας ότι ισχύουν και γι' αυτούς:

Ο Jacques Monod είχε πει πως ό,τι ισχύει για την Ε. coli ισχύει και για τον ελέφαντα. Η

ισχυρή αυτή διαισθητική πεποίθηση παρέμεινε, εντούτοις, απλώς μια τολμηρή υπόθεση, έως

ότου επεκταθεί η μοριακή βιολογία στους ανώτερους οργανισμούς, χαρακτηριστικό των

οποίων είναι το γεγονός ότι διαθέτουν πυρήνα: οργανισμοί-μοντέλα «ευκαρυωτών», από τη

μαγιά ως τα τυπικά ζώα (όπως ο νηματώδης Caenorhabditis η μύγα του ξιδιού Drosophila sp.,

το ποντίκι) και τα φυτά (όπως το μικρό αγριόχορτο Arabidopsis thaliana). Αυτή ήταν η

δεύτερη επανάσταση στο χώρο της μοριακής βιολογίας: η επέκταση της στη μελέτη των

ευκαρυωτικών οργανισμών, η οποία έλαβε χώρα από τις αρχές της δεκαετίας του 1970 ως τις

Κώστας Μπακολίτσας

Θέμα 1ο 7

αρχές της δεκαετίας του 1990. Η επανάσταση αυτή πραγματοποιήθηκε χάρη στην ανάπτυξη

νέων τεχνολογιών που επέτρεψαν στους επιστήμονες να κόβουν, να εισάγουν και να

αναπαράγουν (μοριακή κλωνοποίηση) στα βακτήρια οποιαδήποτε μόρια DΝΑ

(ανασυνδυασμένο DΝΑ) να διαβάζουν την αλληλουχία βάσεων του DΝΑ (αλληλούχηση του

DΝΑ) και να μεταφέρουν συγκεκριμένα γονίδια DΝΑ από τον ένα οργανισμό στον άλλο

(δημιουργία διαγονιδιακών οργανισμών). Οι ερευνητές απέκτησαν, συνεπώς, τη δυνατότητα

«ανάγνωσης» του DΝΑ οποιουδήποτε οργανισμού και απομόνωσης, πειραματικής

μετατροπής και επανεισαγωγής διαφόρων γονιδίων in vivo, γεγονός που αποτέλεσε ορόσημο

για τη βιολογία. Έτσι, κατέστη δυνατή η μοριακή περιγραφή των γονιδίων ανεξαρτήτως

προέλευσης, καθώς και ο λειτουργικός τους χαρακτηρισμός μέσω μιας νέας μορφής

γενετικής ανάλυσης, της αντίστροφης γενετικής (reverse genetics). Η κλασική γενετική

ξεκινά από την παρατήρηση μιας λειτουργίας ενός οργανισμού και προσπαθεί να ανακαλύψει

την αλληλουχία του γονιδίου που ευθύνεται γι’ αυτήν, ενώ η αντίστροφη γενετική ξεκινά από

την αλληλουχία ενός γονιδίου και προσπαθεί να συναγάγει τη λειτουργία του, εισάγοντας το

σε ένα κύτταρο ή έναν οργανισμό από όπου φυσιολογικά απουσιάζει. Οι σχετικές τεχνικές

μας έδωσαν τη δυνατότητα για μοριακή μελέτη ολόκληρου του δέντρου της ζωής και έτσι

προώθησαν μια κρίσιμη μετάβαση από το πιο απλό και γενικό στο πιο πολύπλοκο και ειδικό.

Η δεύτερη επανάσταση μετέτρεψε ανώτερου τομείς ειδίκευσης (όπως η κυτταρική βιολογία,

η αναπτυξιακή βιολογία, η ανοσοβιολογία, και μέρος της νευροβιολογίας) σε μοριακές

επιστήμες. Ταυτόχρονα, η μοριακή βιολογία απέκτησε συγκριτικό χαρακτήρα, καθώς

βρέθηκε ενώπιον της εκπληκτικής ποικιλομορφίας της ζωής πάνω στη Γη, αλλά και του

γεγονότος ότι όλοι οι οργανισμοί έχουν κοινή καταγωγή. Ανακαλύφθηκε μια πληθώρα

κοινών σημείων μεταξύ των διαφόρων οργανισμών, από τη μαγιά ώς τον άνθρωπο. Οι

επιστήμονες αντιλήφθηκαν ότι υπήρχαν ενδοκυτταρικά «μονοπάτια» πρωτεϊνών που

αλληλεπιδρούν μεταξύ τους ενισχύοντας και τροποποιώντας τα σήματα διακυτταρικής

επικοινωνίας, μετατρέποντας τα εξωγενή ερεθίσματα σε έκφραση ομάδων γονιδίων που

λειτουργούν διαδοχικά. Δια πίστωσαν επίσης ότι το ίδιο μονοπάτι μπορεί να ακολουθείται σε

εργασίες φαινομενικά άσχετες μεταξύ τους, όπως είναι η ανάπτυξη, η ανοσολογική απόκριση

η ο καρκίνος και άλλες παθολογικές καταστάσεις στον άνθρωπο. Εκ παραλλήλου, η βιολογία

επεκτάθηκε από το χώρο της βασικής επιστήμης στο χώρο της εφαρμοσμένης επιστήμης,

καθώς εμφανίστηκε η βιοτεχνολογία., χάρη στην οποία μπόρεσε να γίνει παραγωγή

πρωτεϊνών με ιατρική σημασία, όπως η ινσουλίνη, η ιντερφερόνη και η ερυθροποιητίνη.

Ξαφνικά, η απόσταση ανάμεσα στα εργαστήρια. τα εργοστάσια, τις κλίνες των νοσοκομείων,

και τις γεωργικές καλλιέργειες άρχισε να περιορίζεται. Η τρίτη επανάσταση εισήγαγε στη

βιολογία μεθόδους ανάλυσης μαζικής κλίμακας, υψηλής ταχύτητας και καθολικής

εφαρμογής. Ξεκίνησε κατά τη Δεκαετία του 1980 και συνεχίζεται ακόμη. Αιχμή του δόρατος

της τρίτης επανάστασης είναι οι περιγραφικές δυνατότητες που μας προσφέρει. Ναυαρχίδα

της θεωρείται η γονιδιωματική, η ταχεία ανάλυση αλληλουχιών (αλληλούχηση) ολόκληρων

Κώστας Μπακολίτσας

Θέμα 1ο 8

γονιδιωμάτων. Η πλήρης περιγραφή θεωρείται ως το πιο πρόσφορο έδαφος για τη

διαμόρφωση υποθέσεων, και η άποψη αυτή δεν είναι καινούρια· αντίθετα, ήταν ευρύτατα

διαδεδομένη στη βιολογία κατά τον 19ο αιώνα και εξακολουθεί να απαντάται συχνά σε

υπερκείμενους κλάδους της, όπως η πληθυσμιακή βιολογία, η οικολογία και οι μελέτες

βιοποικιλότητας. Σε πεδία της βιολογίας που ασχολούνται περισσότερο με τη μελέτη

συγκεκριμένων μηχανισμών τα επιτεύγματα, της πλήρους περιγραφής που αποτέλεσαν

ορόσημο για την επιστήμη ήταν η πλήρης αλληλούχηση των γονιδιωμάτων ιών, βακτηρίων

και ευκαρυωτών (το πρώτο που αλληλουχήθηκε ήταν το γονιδίωμα της μαγιάς, του

οργανισμού Saccharomyces cerevisiae). Ένας πρώιμος θρίαμβος ως προς τη μελέτη των

οργανισμών σε κυτταρικό επίπεδο ήταν η ταξινόμηση των κυτταρικών σειρών και όλων των

ενήλικων κυττάρων (πλην των γονάδων) στον νηματώδη C. Elegans, την οποία ακολούθησε

η δημιουργία ενός φυσικού γονιδιωματικού χάρτη. Ο χάρτης αυτός αποτελούνταν από

αλληλοκαλυπτόμενους μοριακούς κλώνους που κάλυπταν το μεγαλύτερο μέρος του DΝΑ του

οργανισμού. Τέλος, έγινε αλληλούχηση ολόκληρου σχεδόν τον γονιδιώματος του οργανισμού

αυτού. Τέτοιου είδους εργαλεία έχουν διευκολύνει σημαντικά την έρευνα, τόσο στη μαγιά

όσο και στον C. Elegans. Έχουμε πλέον στη διάθεση μας εκτεταμένους γενετικούς και

σχεδόν πλήρεις φυσικούς χάρτες και γονιδιωματικές αλληλουχίες και για άλλα ζώα (τη μύγα

του ξιδιού Drosophila melanogaster, το κουνούπι Anopheles gambiae, το ποντίκι, τον

άνθρωπο) και φυτά (Α. thaliana, ρύζι). Βρισκόμαστε, επίσης, σε αρκετά προηγμένο στάδιο ως

προς την αλληλούχηση ολόκληρου του γονιδιώματος ορισμένων άλλων ζώων. Επιπλέον,

έχουν δημοσιευθεί οι αλληλουχίες πάνω από 50 μικροβιακών γονιδιωμάτων, ενώ ορισμένες

άλλες αποτελούν ιδιοκτησία εταιρειών.

Πέραν όμως της αλληλούχησης του γονιδιώματος, ποιά είναι τα υπόλοιπα στοιχεία που

συνθέτουν την τρίτη επανάσταση της μοριακής βιολογίας; Μπορούμε να αποκαλέσουμε την

επανάσταση αυτή επανάσταση της «λειτουργικής ανάλυσης του γονιδιώματος»,

χρησιμοποιώντας τον πλέον περιεκτικό και περιγραφικό όρο (σε αντίθεση με τον όρο μετα-

γονιδιωματική, post-genomics). Ο όρος λειτουργική ανάλυση του γονιδιώματος δεν είναι

ουδέτερος, σκοπός του είναι να τονίσει το γεγονός ότι η πλήρης περιγραφή είναι εργαλείο για

την κατανόηση της λειτουργίας. Η λειτουργική ανάλυση του γονιδιώματος είναι, συνεπώς η

γονιδιωματική στη βιολογία. Προκειμένου να αξιοποιηθεί το ανεξάντλητο δυναμικό της

γονιδιωματικής και να μετατραπούν οι πληροφορίες σε γνώση, οι καθολικές μέθοδοι

ανάλυσης πρέπει να ενοποιηθούν πλήρους με τα μοριακά, κυτταρικά και αναπτυξιακά

πειράματα. [12]

Οι σημαντικότερες ανακαλύψεις στις βιοεπιστήμες

1859: Ο Κάρολος Δαρβίνος δημοσιεύει το βιβλίο Η Καταγωγή των Ειδών (The

Origin of Species)

Κώστας Μπακολίτσας

Θέμα 1ο 9

1865: Ο Γκρέγκορ Μέντελ δημοσιεύει τις εργασίες του

1903: Αποδεικνύεται ότι τα χρωμοσώματα είναι φορείς του κληρονομικού

(γενετικού) υλικού

1905: Ο Γουίλλιαμ Μπέιτσον χρησιμοποιεί για πρώτη φορά τον όρο γενετική

1910: Ο Τόμας Μόργκαν (Thomas Hunt Morgan) δείχνει ότι το γονίδια βρίσκονται

στα χρωμοσώματα

1913: Ο Άλφρεντ Στούρτεβαντ (Alfred Sturtevant) κατασκευάζει τον πρώτο γενετικό

χάρτη ενός χρωμοσώματος

1918: Ο Ρόναλντ Φίσερ (Ronald Fisher) δημοσιεύει το άρθρο On the correlation

between relatives on the supposition of Mendelian inheritance - η μοντέρνα σύνθεση

ξεκινά

1927: Αποδίδεται ο όρος μεταλλάξεις στις αλλαγές που πραγματοποιούνται στην

αλληλουχία του DNA

1928: O Φρέντερικ Γκρίφιθ (Frederick Griffith) πραγματοποιεί πειράματα που

δείχνουν ότι στο βακτήριο πνευμονιόκοκκος υπάρχει ένα μόριο που μεταφέρει

γενετική πληροφορία

1931: Η Μπάρμπαρα Μακλίντοκ (Barbara McClintock) αποδεικνύει ότι η μειωτική

διαίρεση συνοδέυεται από ανταλλαγή χρωματοσωμικού υλικού

1941: Οι Έντουαρντ Τάτουμ (Edward Lawrie Tatum) και Τζωρτζ Μπιντλ (George

Wells Beadle) δείχνουν ότι ο ρόλος των περισσοτέρων γονιδίων είναι να

κατευθύνουν τη σύνθεση ενζύμων

1944: Οι Όσβαλντ Άβερι (Oswald Theodore Avery), Κόλιν Μακλέοντ (Colin

McLeod) και Μακλίν Μακάρτι (Maclyn McCarty) επαναλαμβάνουν το πείραμα του

Γκρίφιθ in vitro και αποδεικνύουν ότι το DNA είναι το γενετικό υλικό

1950: Ο Ίρβιν Τσάργκαφ (Erwin Chargaff) εντοπίζει την ύπαρξη ορισμένων γενικών

κανόνων που αφορούν τον αριθμό νουκλεοτίδιων σε κάθε μόριο DNA (πχ. ότι ο

αριθμός των νουκλεοτιδίων που έχουν ως βάση την αδενίνη είναι ίσος με τον αριθμό

των νουκλεοτιδίων που έχουν ως βάση τη θυμίνη.

1952: Οι Χέρσεϋ και Τσέις δείχνουν ότι το γενετικό υλικό του βακτηριοφάγου Τ2

είναι το DNA

1953: Οι Τζέιμς Γουάτσον (James D. Watson) και Φράνσις Κρικ (Francis Crick)

προτείνουν το μοντέλο της διπλής έλικας για τη δομή του DNA

1956: Οι Jo Hin Tjio και Άλμπερτ Λεβάν (Albert Levan) καθορίζουν τον αριθμό 46

ως το πλήθος των χρωμοσωμάτων στον ανθρώπινο οργανισμό

1958: Οι Μέσελσον και Σταλ αποδεικνύουν ότι το DNA αντιγράφεται με

Κώστας Μπακολίτσας

Θέμα 1ο 10

ημισυντηρητικό τρόπο

1961: Οι Κρικ και Νίρενμπεργκ ανακαλύπτουν τη νουκλεοτιδική τριπλέτα και

αποκρυπτογραφούν εν μέρει το γενετικό κώδικα

1964: Ο Χάουαρντ Τέμιν (Howard Temin) δείχνει (μετά από πειράματα με ιούς

RNA) ότι η διατύπωση του Γουάτσον για το κεντρικό δόγμα της μοριακής βιολογίας

είναι ελλιπής

1970: Ανακαλύπτεται στους ρετροϊούς το ένζυμο αντίστροφη μεταγραφάση

1972: Δημιουργείται το πρώτο ανασυνδυασμένο μόριο DNA σε εργαστηριακές

συνθήκες

1974: Επιτυγχάνεται η κλωνοποίηση ευκαρυωτικών γονιδίων σε βακτηριακά

πλασμίδια

1977: Επιτυγχάνεται η ανάπτυξη τεχνικών προσδιορισμού της αλληλουχίας βάσεων

του DNA, από ερευνητές που δούλεψαν ανεξάρτητα, όπως οι Φρεντ Σάνγκερ (Fred

Sanger]], Γουόλτερ Γκίλμπερτ (Walter Gilbert) και Άλαν Μέιξαμ (Allan Maxam). Η

ερευνητική ομάδα του Σάνγκερ προσδιορίζει την αλληλουχία βάσεων του

βακτηριοφάγου Φ-X174.

1983: Ο Κέρι Μούλις (Kary Banks Mullis) ανακαλύπτει τη μέθοδο αλυσιδωτής

αντίδρασης (PCR) που διευκολύνει τον πολλαπλασιασμό συγκεκριμένων

αλληλουχιών DNA

1985: O Άλεκ Τζέφρις (Alec Jeffreys) ανακαλύπτει τη μέθοδο αποτυπωμάτων DNA

(DNA fingerprinting)

1989: Για πρώτη φορά προσδιορίζεται η αλληλουχία βάσεων σε ανθρώπινο γονίδιο,

από τους Φράνσις Κόλινς (Francis Collins) και Λαπ-Τσι Τσούι (Lap-Chee Tsui).

Πρόκειται για το γονίδιο που κωδικοποιεί την πρωτεϊνη CFTR

1990: Ξεκινά το Πρόγραμμα για τη χαρτογράφηση του Ανθρώπινου Γονιδιώματος

1996: Αποκρυπτογραφείται για πρώτη φορά το γονιδίωμα ενός ευκαρυωτικού

οργανισμού, του Saccharomyces cerevisiae

1998: Αποκρυπτογραφείται το γονιδίωμα του νηματοσκώληκα Caenorhabditis

elegans

2003: (14 Απριλίου) Ολοκληρώνεται, ως προς το σκέλος της χαρτογράφησης, το

Πρόγραμμα για το Ανθρώπινο Γονιδίωμα. Με ακρίβεια 99.99%, έχει

αποκρυπτογραφηθεί το 99% του ανθρώπινου Γονιδιώματος [11]

Κώστας Μπακολίτσας

Θέμα 1ο 11

Από την ιστορία των φυσικών επιστημών

Η Αρχαία Αντίληψη του Ατόμου

Αρχαιότητα - 1550 μ.χ. Οι Έλληνες συνεισφέρανε πολλά στον κόσμο της Φυσικής με

το να αναπτύξουν τη βάση των στοιχειωδών μοντέρνων αρχών όπως για παράδειγμα την

διατήρηση της ύλης, την ατομική θεωρία και πολλά άλλα. Πολύ ελάχιστα πράγματα

αναπτύχθηκαν κατά τους αιώνες μετά την περίοδο των Ελλήνων φιλοσόφων. Όταν όμως η

έντονη διανοητική δύναμη της Αναγέννησης εισήλθε στο πεδίο της Φυσικής, ο Κοπέρνικος

και άλλοι μεγάλοι στοχαστές άρχισαν να απορρίπτουν τις ιδέες των Ελλήνων προς όφελος

καινούριων ιδεών που βασίζονταν σε εμπειρικούς κανόνες. Οι μετά τον Κοπέρνικο θεωρίες

έθεσαν τέλος στην παλιά εποχή της επιστημονικής αντίληψης και άρχισαν την καινούρια

επιστημονική επανάσταση. Παρόλα αυτά ταιριάζει καλύτερα να συμπεριλάβουμε τον

Κοπέρνικο μεταξύ των αρχαίων στοχαστών.

Περίοδος Θεωρίες

624 – 547 π.χ.Ο Θαλής ο Μιλήσιος υποστηρίζει ότι το νερό είναι το βασικό συστατικό της γης. Επίσης, εξοικειώθηκε με την ελκτική δύναμη των μαγνητών και του κεχριμπαριού όταν το τρίβουμε.

580 – 500 π.χ.Ο Πυθαγόρας θεωρούσε ότι η Γη είναι σφαιρική. Αναζήτησε να βρει μία μαθηματική αντίληψη του σύμπαντος. 

500 – 428 π.χ.494 – 434 π.χ.

Ο Αναξαγόρας και Εμπεδοκλής. Ο Αναξαγόρας αμφισβήτησε την προηγούμενη διαμάχη των Ελλήνων φιλοσόφων σχετικά με την δημιουργία και την καταστροφή της ύλης, διδάσκοντας ότι οι αλλαγές στην ύλη οφείλονται στη διαφορετική διάταξη αόρατων σωματιδίων. (Θα μπορούσε κανείς να πει ότι οι διδασκαλία του αποτελεί τον πρόδρομο της αρχής διατήρησης της ύλης). Ο Εμπεδοκλής περιόρισε αυτά τα αόρατα σωματίδια σε τέσσερα στοιχεία: τη γη, τον αέρα, τη φωτιά και το νερό.

460 – 370 π.χ.

Ο Δημόκριτος ανέπτυξε την θεωρία ότι το σύμπαν αποτελείται από κενό χώρο και από ένα (σχεδόν) άπειρο αριθμό αόρατων σωματιδίων τα οποία διαφέρουν μεταξύ τους ως προς το σχήμα και τη θέση που καταλαμβάνουν στο χώρο. Η ύλη αποτελείται εξ' ολοκλήρου από σωμάτια που δεν μπορούν να διαιρεθούν περαιτέρω και καλούνται άτομα. 

384 – 322 π.χ.

Ο Αριστοτέλης τυποποίησε την συλλογή επιστημονικής γνώσης. Παρόλο που είναι δύσκολο να υποδείξει μία συγκεκριμένη θεωρία, το αποτέλεσμα της συλλογής αυτής ήταν να παρέχει τις βασικές αρχές της επιστήμης για μία χιλιετία. 

310 – 230 π.χ.

O Αρίσταρχος περιγράφει την κοσμολογία με τον ίδιο τρόπο που θα προτείνει ο Κοπέρνικος 2000 χρόνια αργότερα. Παρόλα αυτά με δεδομένο το μεγάλο κύρος του Αριστοτέλη, το ηλιοκεντρικό μοντέλο του Αρίσταρχου απορρίφθηκε προς όφελος του γεωκεντρικού μοντέλου.

287 – 212 π.χ.Ο Αρχιμήδης ήταν ένας πρωτοπόρος της θεωρητικής Φυσικής. Έθεσε τις βάσεις της υδροστατικής. 

70 – 147 μ.χ.Ο Πτολεμαίος από την Αλεξάνδρεια συνέλεξε την γνώση της οπτικής της εποχής. Επίσης επινόησε μία πολύπλοκη θεωρία για την κίνηση των πλανητών.

Κώστας Μπακολίτσας

Θέμα 1ο 12

~1000 μ.χ. Ο Άραβας Alhazen, έγραψε 7 βιβλία με θέμα την οπτική.

1214 – 1294 μ.χ.

Ο Roger Bacon δίδαξε ότι για να μάθει κανείς τα μυστικά της φύσης θα πρέπει πρώτα να κάνει παρατηρήσεις. Με αυτό τον τρόπο παρείχε την μέθοδο με την οποία οι άνθρωποι μπορούν να αναπτύξουν επαγωγικές θεωρίες χρησιμοποιώντας παρατηρήσεις από την φύση.

1473 – 1543 μ.χ.

Ο Κοπέρνικος (Nicholaus Copernicus) ξεκίνησε την θεωρία ότι η γη περιστρέφεται γύρω από τον ήλιο. Το ηλιοκεντρικό μοντέλο ήταν επαναστατικό διότι αμφισβήτησε το προηγούμενο δόγμα περί της επιστημονικής αυθεντίας του Αριστοτέλη, και επειδή δημιούργησε μία πλήρη επιστημονική και φιλοσοφική

Η Επιστημονική Επανάσταση και η Ιστορία της Κλασσικής

Μηχανικής

Ακολουθώντας την επανάσταση του Κοπέρνικου, ήταν εμφανές ότι οι επιστημονικές

θεωρίες δεν μπορούν να γίνουν αποδεκτές χωρίς αυστηρό έλεγχο. Η επικοινωνία μεταξύ των

επιστημόνων αυξήθηκε και έδωσε το έναυσμα για περισσότερες ανακαλύψεις.

Περίοδος Θεωρίες

1564 – 1642

Ο Γαλιλαίος (Galileo Galilei) θεωρείται από πολλούς ο πατέρας της μοντέρνας Φυσικής λόγω της επιμονής του να αντικαταστήσει παλιές υποθέσεις με επιστημονικά τεκμηριωμένες θεωρίες. Είναι γνωστός για τις θεωρίες του σχετικά με τα ουράνια σώματα και τις εργασίες του στην μηχανική που άνοιξαν τον δρόμο για τον Νεύτωνα.

1546 – 1601,

1571 – 1630

Ο Tycho Brahe και ο Johannes Kepler. Οι ακριβείς μετρήσεις του Brahe επέτρεψαν στον Kepler να αναπτύξει τη θεωρία του για την ελλειπτική κίνηση των πλανητών και παρείχαν την απόδειξη για το σύστημα του Κοπέρνικου. Επιπλέον, ο Kepler γράφει μία ποιοτική περιγραφή της βαρύτητας. 

1642 – 1727O Ισαάκ Νεύτων (Sir Isaac Newton) αναπτύσσει τους νόμους της μηχανικής (τώρα τους ονομάζουμε Κλασσική Μηχανική) που εξηγούν την κίνηση των σωμάτων με μαθηματικό τρόπο.

1773 – 1829 Ο Thomas Young αναπτύσσει την κυματική θεωρία του φωτός και περιγράφει την περίθλαση του φωτός.

1791 – 1867

Ο Michael Faraday δημιουργεί τον ηλεκτρικό κινητήρα, και αναπτύσσει την μία αντίληψη της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, η οποία παρέχει την απόδειξη ότι ο ηλεκτρισμός έχει σχέση με τον μαγνητισμό. Επί πλέον, ανακαλύπτει την ηλεκτρόλυση και περιγράφει την αρχή διατήρησης της ενέργειας.

1799 – 1878

Η έρευνα του Joesph Henry πάνω στην ηλεκτρομαγνητική επαγωγή έγινε την ίδια εποχή με αυτή του Faraday. Δημιούργησε τον πρώτο κινητήρα. Η δουλειά του στους ηλεκτρομαγνήτες οδήγησε στην ανάπτυξη του τηλέγραφου.

1873

Ο James Clerk Maxwell έκανε πολύ σημαντική έρευνα σε τρία θέματα : την όραση του χρώματος, την μοριακή θεωρία και την ηλεκτρομαγνητική θεωρία. Οι ιδέες που αποτελούν την βάση των θεωριών του Maxwell για τον ηλεκτρομαγνητισμό περιγράφουν την διάδοση των κυμάτων του φωτός στο κενό.

1874 Ο George Stoney αναπτύσσει την θεωρία του ηλεκτρονίου και υπολογίζει την μάζα του.

1895 Ο Wilhelm Roentgen ανακαλύπτει τις ακτίνες Χ.

Κώστας Μπακολίτσας

Θέμα 1ο 13

1898 Οι Marie και Pierre Curie ξεχωρίζουν τα ραδιενεργά στοιχεία.

1898

Ο Joseph Thompson μέτρησε το ηλεκτρόνιο και ανέπτυξε την θεωρία του "σταφιδόψωμου" για το άτομο -- ότι δηλαδή το άτομο είναι μία σφαίρα ελαφρά θετικά φορτισμένη γεμάτη με ηλεκτρόνια όπως οι σταφίδες στο σταφιδόψωμο.

Η Διαδρομή της Κβαντικής Θεωρίας στο Χρόνο

Στην αρχή του εικοστού αιώνα οι επιστήμονες πίστευαν ότι καταλάβαιναν τις πιο

θεμελιώδης αρχές της φύσης. Τα άτομα ήταν συμπαγή δομικά υλικά της φύσης, οι άνθρωποι

εμπιστεύονταν τους νόμους της κίνησης του Νεύτωνα και τα περισσότερα προβλήματα της

φυσικής φαινόταν να έχουν λυθεί. Παρόλα αυτά, αρχίζοντας με την θεωρία της σχετικότητας

του Αϊνστάιν που αντικατέστησε τη Νευτώνεια μηχανική, οι επιστήμονες άρχισαν να

συνειδητοποιούν ότι οι γνώση τους κάθε άλλο παρά ολοκληρωμένη ήταν. Ιδιαίτερου

ενδιαφέροντος έτυχε το αναπτυσσόμενο πεδίο της κβαντομηχανικής που άλλαξε τελείως τους

βασικούς κανόνες της φυσικής:

Σωματίδια που ανακαλύφθηκαν την περίοδο 1898 – 1964:

Περίοδος Θεωρίες

1900Ο Max Planck προτείνει την κβαντική μορφή της ακτινοβολίας (υπάρχει σε διακριτές ποσότητες ενέργειας.)

1905

Ο Albert Einstein, ένας από τους ελάχιστους επιστήμονες που πήρε στα σοβαρά τις ιδέες του Plank, προτείνει το κβάντο του φωτός (το φωτόνιο) το οποίο συμπεριφέρεται σαν σωματίδιο. Οι άλλες θεωρίες του Einstein εξήγησαν την ισοδυναμία της μάζας και της ενέργειας, την δυαδικότητα σωματιδίου - κύματος για το φωτόνιο, την αρχή της ισοδυναμίας και την ειδική θεωρία της σχετικότητας.

1909

Ο Hans Geiger και ο Ernest Marsden, υπό την καθοδήγηση του Ernest Rutherford, μελέτησαν την σκέδαση σωματιδίων άλφα πάνω σε χρυσόχαρτο και παρατήρησαν σκεδάσεις σε μεγάλες γωνίες, οι οποίες υποδεικνύουν την ύπαρξη ενός μικρού, πυκνού και θετικά φορτισμένου πυρήνα.

1911Ο Ernest Rutherford συμπέρανε την ύπαρξη του πυρήνα σαν αποτέλεσμα του πειράματος της σκέδασης των σωματιδίων άλφα των Hans Geiger και Ernest Marsden.

1912 Ο Albert Einstein εξηγεί την καμπύλωση του χώρο-χρόνου.

Κώστας Μπακολίτσας

Θέμα 1ο 14

1913Ο Niels Bohr επιτυγχάνει την σύνταξη μιας θεωρίας για την δομή του ατόμου βασισμένη στις ιδέες των κβάντων.

1919Ο Ernest Rutherford βρίσκει την πρώτη απόδειξη για την ύπαρξη του πρωτονίου.

1921Ο James Chadwick και ο E.S. Bieler συμπεραίνουν ότι κάποια ισχυρή δύναμη διατηρεί την συνοχή του πυρήνα.

1923Ο Arthur Compton ανακαλύπτει την κβαντική (σωματιδιακή) υφή των ακτίνων Χ. Με αυτό τον τρόπο επιβεβαιώνει ότι τα φωτόνια είναι σωματίδια.

1924 Ο Louis de Broglie προτείνει ότι η ύλη έχει κυματικές ιδιότητες.

1925 (Jan)Ο Wolfgang Pauli διατυπώνει την απαγορευτική αρχή για τα ηλεκτρόνια στο άτομο.

1925 (April)Ο Walther Bothe και ο Hans Geiger αποδεικνύουν ότι η ενέργεια και η μάζα διατηρούνται στις ατομικές αντιδράσεις.

1926

Ο Erwin Schroedinger αναπτύσσει την κυματομηχανική, η οποία περιγράφει την συμπεριφορά του κβαντικού συστήματος των μποζονίων. Ο Max Born ερμηνεύει την κβαντομηχανική με πιθανότητες. Ο G.N. Lewis προτείνει το όνομα "φωτόνιο" για το κβάντο του φωτός.

1927

Είχε παρατηρηθεί ότι ορισμένα υλικά εκπέμπουν ηλεκτρόνια (βήτα διάσπαση). Εφόσον και το άτομο και ο πυρήνας έχουν συγκεκριμένες ενεργειακές στάθμες, είναι δύσκολο να εξηγηθεί πως τα ηλεκτρόνια που παράγονται από μεταπτώσεις μπορούν να έχουν ένα συνεχές ενεργειακό φάσμα. (η απάντηση το 1930)

1927

Ο Werner Heisenberg διατυπώνει την αρχή της αβεβαιότητας: με όση μεγαλύτερη ακρίβεια γνωρίζει κανείς την ενέργεια ενός σωματιδίου με τόσο μικρότερη ακρίβεια γνωρίζουμε τον χρόνο (και αντίστροφα). Η ίδια αβεβαιότητα ισχύει για την ορμή και τις συντεταγμένες ενός σωματιδίου.

1928Ο Paul Dirac συνδυάζει την κβαντομηχανική και την ειδική θεωρία της σχετικότητας για να περιγράψει το ηλεκτρόνιο.

1930

Η κβαντομηχανική και η ειδική θεωρία της σχετικότητας έχουν εδραιωθεί. Υπάρχουν μόνο τρία στοιχειώδη σωματίδια: τα πρωτόνια, τα ηλεκτρόνια και τα φωτόνια. Ο Max Born, αφού έμαθε την εξίσωση του Dirac, δήλωσε, "Σε έξι μήνες θα είναι το τέλος της φυσικής που ξέρουμε".

1930Ο Wolfgang Pauli προτείνει το νετρίνο για να εξηγήσει το συνεχές φάσμα της ενέργειας του ηλεκτρονίου από τις διασπάσεις βήτα.

1931

Ο Paul Dirac αντιλαμβάνεται ότι τα θετικά φορτισμένα σωματίδια που απαιτούνται από την εξίσωσή του είναι καινούρια αντικείμενα (τα ονομάζει "ποζιτρόνια"). Είναι ακριβώς σαν τα ηλεκτρόνια, αλλά έχουν θετικό φορτίο. Αυτό είναι το πρώτο παράδειγμα των αντισωματιδίων.

1931Ο James Chadwick ανακαλύπτει το νετρόνιο. Οι μηχανισμοί της συνοχής και της διάσπασης του πυρήνα αποτελούν κύρια προβλήματα για την επιστήμη.

1933-34O Enrico Fermi προτείνει μία θεωρία για την βήτα διάσπαση που εισάγει τις ασθενείς αλληλεπιδράσεις. Είναι η πρώτη θεωρία που χρησιμοποιεί σαφώς τα νετρίνο και την αλλαγή του "αρώματος" των σωματιδίων.

1933-34 Ο Hideki Yukawa συνδυάζει την ειδική θεωρία της σχετικότητας και την κβαντική θεωρία για να περιγράψει τις πυρηνικές αλληλεπιδράσεις με την ανταλλαγή μεταξύ πρωτονίων και νετρονίων, νέων σωματιδίων (τα "πιόνια" που είναι ένα είδος μεσονίων). Από το μέγεθος του πυρήνα ο Yukawa συμπεραίνει ότι τα ανταλλασσόμενα σωματίδια (τα μεσόνια) έχουν μάζα περίπου 200 φορές την μάζα του ηλεκτρονίου. Αυτή είναι η

Κώστας Μπακολίτσας

Θέμα 1ο 15

αρχή της θεωρίας των μεσονίων στις πυρηνικές δυνάμεις.

1937'Ενα σωματίδιο ισοδύναμο με 200 μάζες ηλεκτρονίων ανακαλύπτεται στις κοσμικές ακτίνες. Ενώ στην αρχή οι φυσικοί θεωρούσαν ότι είναι το πιόνιο, αργότερα αποδείχθηκε ότι ήταν το μιόνιο.

1938

Ο E.C.G. Stuckelberg παρατηρεί ότι τα πρωτόνια και τα νετρόνια δεν διασπόνται σε κανένα συνδιασμό με ηλεκτρόνια, νετρίνο, μιόνια ή τα αντισωμάτιά τους. Η σταθερότητα του πρωτονίου δεν μπορεί να εξηγηθεί σε σχέση με την διατήρηση του φορτίου και της ενέργειας. Γι' αυτό το λόγο προτείνει ότι τα βαρέα σωματίδια διατηρούνται ανεξάρτητα του είδους τους.

1941Ο C. Moller και ο Abraham Pais εισάγουν τον γενικό όρο "νουκλεόνιο" για τα πρωτόνια και τα νετρόνια.

1946-47

Οι φυσικοί συνειδητοποιούν ότι το σωματίδιο που παρατηρήθηκε στις κοσμικές ακτίνες και εθεωρείτο ότι είναι το μεσόνιο του Yukawa, είναι το "μιόνιο" το οποίο αποτελεί το πρώτο σωματίδιο της δεύτερης γενιάς που ανακαλύφθηκε. Η ανακάλυψή του ήταν τελείως απρόσμενη. Το σχόλιο του I.I.Rabi ήταν: "Αυτό ποιός το παρήγγειλε " Εισήχθη ο όρος "λεπτόνιο" γιά να περιγράψουν το καινούριο αυτό αντικείμενο που δεν αλληλεπιδρά ισχυρά (τα ηλεκτρόνια και τα μιόνια είναι και τα δύο λεπτόνια).

1947'Ενα μεσόνιο που αλληλεπιδρά ισχυρά βρέθηκε στις κοσμικές ακτίνες και ταυτοποιήθηκε ότι είναι το πιόνιο.

1947Οι φυσικοί αναπτύσσουν τους τρόπους για να υπολογίσουν τις ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες των ηλεκτρονίων, ποζιτρονίων και φωτονίων. Εισαγωγή των διαγραμμάτων Feynman.

1948 Το συγχροκύκλοτρο του Berkeley παράγει τα πρώτα τεχνητά πιόνια.

1949Ο Enrico Fermi και ο C.N. Yang προτείνουν ότι το πιόνιο αποτελείται από ένα νουκλεόνιο και ένα αντινουκλεόνιο. Η ιδέα για σύνθετα σωματίδια είναι ριζοσπαστική.

1949 Ανακάλυψη του K+ μέσω των διασπάσεων του.

1950 Ανακάλυψη του ουδέτερου πιονίου.

1951

Δύο νέου τύπου σωματίδια ανακαλύπτονται στις κοσμικές ακτίνες. Ανακαλύφθηκαν κοιτώντας τροχιές που έμοιαζαν με V και αναπλάθοντας το ηλεκτρικά ουδέτερο αντικείμενο το οποίο διασπώμενο παρείγαγε δύο φορτισμένα σωματίδια που ανιχνεύτηκαν μέσω των τροχιών που αφήσανε. Τα σωματίδια αυτά ονομάσθηκαν Λ0 και K0.

1952Ανακάλυψη των σωματιδίων Δέλτα: Υπάρχουν τέσσερα σωματίδια του είδους (Δ++, Δ+, Δ0, και Δ-.)

1952Ο Donald Glaser εφευρίσκει τον θάλαμο φυσαλίδων. To Κόσμοτρο του Brookhaven , ένας επιταχυντής 1.3 GeV, αρχίζει την λειτουργία του.

1953Η αρχή της "έκρηξης των Σωματιδίων" - 'Ενας πραγματικός πολλαπλασιασμός των γνωστών σωματιδίων.

1953 - 57

Η σκέδαση ηλεκτρονίων σε πυρήνες αποκαλύπτει την ύπαρξη κατανομής φορτίου μέσα στα πρωτόνια και ακόμη και στα νετρόνια. Η περιγραφή της ηλεκτρομαγνητικής δομής των πρωτονίων και των νετρονίων υποδεικνύει την ύπαρξη κάποιας εσωτερικής δομής αν και ακόμη και τα δύο σωματίδια θεωρούνται σαν στοιχειώδη.

1954

Ο C.N. Yang και ο Robert Mills αναπτύσσουν ένα καινούριο είδος θεωριών που ονομάζονται "θεωρίες βαθμίδος". Παρότι δεν έγινε αντιληπτό εκείνη την εποχή, τέτοιου είδους θεωρία αποτελεί την βάση του Καθιερωμένου Πρότυπου. 

1957 Ο Julian Schwinger προτείνει σε μία δημοσίευσή του την ενοποίηση των

Κώστας Μπακολίτσας

Θέμα 1ο 16

ασθενών και των ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων.

1957-59

Οι Julian Schwinger, Sidney Bludman, και Sheldon Glashow, σε ξεχωριστές δημοσιεύσεις ο καθένας, προτείνουν ότι όλες οι ασθενείς αλληλεπιδράσεις συμβαίνουν με την μεσολάβηση βαρέων φορτισμένων μποζονίων, τα οποία αργότερα ονομάσθηκαν W+ και W-. Στην πραγματικότητα ο Yukawa ήταν αυτός που για πρώτη φορά πριν από είκοσι χρόνια είχε μιλήσει για την ανταλλαγή μποζονίων, αλλά είχε προτείνει το πιόνιο σαν ενδιάμεσο φορέα της ασθενούς δύναμης. 

1961Καθώς ο αριθμός των γνωστών σωματιδίων αυξάνει, μια μαθηματική ταξινόμηση στην οργάνωση των σωματιδίων (η ομάδα SU(3)) βοηθά τους φυσικούς να αναγνωρίσουν διαφορετικούς τύπους σωματιδίων.

1962Τα πειράματα επαληθεύουν την ύπαρξη δύο διαφορετικών τύπων νετρίνο (τα ηλεκτρονικά και τα μιονικά νετρίνο). Αυτό είχε προηγουμένως συναχθεί από θεωρητικές μελέτες. 

Η Σύγχρονη Άποψη (το Καθιερωμένο Πρότυπο): 1964 -

σήμερα

Μέχρι τα μέσα της δεκαετίας του 1960, οι φυσικοί αντελήφθησαν ότι η προηγούμενη

αντίληψή τους, ότι δηλαδή η ύλη αποτελείται από στοιχειώδη πρωτόνια, νετρόνια και

ηλεκτρόνια, ήταν ανεπαρκής για να εξηγήσει τις δεκάδες καινούρια σωματίδια που έχουν

ανακαλυφθεί. Η θεωρία των κουάρκ των Gell-Mann και Zweig έλυσε αυτά τα προβλήματα.

Κατά την διάρκεια των τριάντα τελευταίων ετών, η θεωρία που σήμερα είναι γνωστή σαν το

Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων και αλληλεπιδράσεων έχει σταδιακά

μεγαλώσει και έγινε κοινά αποδεκτή με τις καινούριες αποδείξεις από τους καινούριους

επιταχυντές σωματιδίων.

Στοιχειώδη Σωματίδια που ανακαλύφθηκαν μεταξύ 1964 έως σήμερα:

Περίοδος Θεωρίες

1964 Ο Murray Gell-Mann και ο George Zweig προτείνουν πειραματικά την ιδέα των κουάρκ (quarks). Προτείνουν ότι τα μεσόνια και τα βαρυόνια αποτελούνται από τρία κουάρκ ή αντικουάρκ που ονομάζονται "up", "down", ή "strange" (u, d, s) με ιδιοστροφορμή 0.5 και ηλεκτρικά φορτία 2/3, -1/3, -1/3, αντίστοιχα (όπως αποδείχθηκε αργότερα αυτή η θεωρία δεν είναι τελείως ακριβής). Επειδή, κλασματικά φορτία δεν είχαν ποτέ παρατηρηθεί στην φύση, η θεωρία των κουάρκ αντιμετωπίσθηκε περισσότερο σαν μία μαθηματική εξήγηση της γενικής εικόνας που παρουσίαζαν οι μάζες των σωματιδίων παρά σαν μια φυσική θεωρία. Αργότερα με την περαιτέρω ανάπτυξη της θεωρίας καθώς και οι

Κώστας Μπακολίτσας

Θέμα 1ο 17

πειραματικές παρατηρήσεις μας επέτρεψαν να δούμε τα κουάρκ σαν μία φυσική οντότητα, παρότι δεν μπορούν ποτέ να απομονωθούν. 

1964

Παρατηρώντας την γενική εικόνα των λεπτονίων, προτάθηκε η ύπαρξη ενός τετάρτου κουάρκ ώστε να έχουμε παρόμοια εικόνα και στα κουάρκ που σήμερα είναι γνωστή σαν γενεές της ύλης. Πολύ λίγοι φυσικοί πήραν αυτή την ιδέα στα σοβαρά εκείνη την εποχή. Οι Sheldon Glashow και James Bjorken εισάγουν το όνομα "charm" (χαριτωμένο) για το τέταρτο (c) κουάρκ.

1965Οι O.W. Greenberg, M.Y. Han, και Yoichiro Nambu εισήγαγαν το φορτίο χρώματος σαν ιδιότητα των κουάρκ. Όλα τα αδρόνια που έχουν παρατηρηθεί έχουν ουδέτερο χρώμα.

...1966...Το πρότυπο των κουάρκ γίνεται αποδεκτό σχετικά αργά μια και τα κουάρκ δεν έχουν παρατηρηθεί. 

1967

Οι Steven Weinberg και Abdus Salam προτείνουν (ανεξάρτητα ο καθένας) μία θεωρία που ενοποιεί την ηλεκτρομαγνητική και την ασθενή αλληλεπίδραση στην ηλεκτρασθενή αλληλεπίδραση. Η θεωρία τους απαιτεί την ύπαρξη ενός ουδέτερου μποζονίου που αλληλεπιδρά μέσω της ασθενούς αλληλεπίδρασης (σήμερα ονομάζεται μποζόνιο Z0) και μεσολαβεί στις ασθενείς αλληλεπιδράσεις. Το σωματίδιο αυτό δεν είχε παρατηρηθεί εκείνο τον καιρό. Επίσης προέβλεψαν ένα ακόμη βαρύ μποζόνιο, το ονομαζόμενο μποζόνιο Higgs που επίσης δεν έχει παρατηρηθεί.

1968-69

Στον Γραμμικό Επιταχυντή του Stanford, σ' ένα πείραμα κατά το οποίο μελετούσε την σκέδαση ηλεκτρονίων από πρωτόνια, φαινόταν ότι τα ηλεκτρόνια σκεδάζονται από από μικρά "κέντρα" μέσα στο πρωτόνιο. Οι James Bjorken και Richard Feynman ανέλυσαν τα πειραματικά δεδομένα χρησιμοποιώντας ένα πρότυπο σύμφωνα με το οποίο το πρωτόνιο είχε δομικά σωματίδια (δεν χρησιμοποίησαν τον όρο "κουάρκ" για τα δομικά σωματίδια, παρότι αυτό το πείραμα έδωσε την απόδειξη για τα κουάρκ).

1970Οι Sheldon Glashow, Γιάννης Ηλιόπουλος, και Luciano Maiani αναγνώρισαν την μεγάλη σημασία που έχει η ύπαρξη του τέταρτου κουάρκ στο πλαίσιο του Καθιερωμένου Πρότυπου. 

1973

Ο Donald Perkins, παρακινούμενος από τις προβλέψεις του Καθιερωμένου Πρότυπου, επαναλαμβάνει την ανάλυση παλιών δεδομένων από το CERN και βρίσκει ενδείξεις για την ύπαρξη ασθενών αλληλεπιδράσεων χωρίς αλλαγή φορτίου (λόγω της ανταλλαγής ενός μποζονίου Z0.) 

1973

Αναπτύσσεται η κβαντική θεωρία πεδίου για τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις. Η θεωρία των κουάρκ και των γκλουονίων (που σήμερα αποτελεί μέρος του Καθιερωμένου Πρότυπου) έχει δομή παρόμοια με την κβαντική ηλεκτροδυναμική (QED). Επειδή αυτή η θεωρία ασχολείται με το φορτίο χρώματος ονομάζεται κβαντική χρωμοδυναμική (QCD). Τα κουάρκ ορίζονται σαν πραγματικά σωματίδια που έχουν φορτίο χρώματος. Τα γκλουόνια είναι τα κβάντα του πεδίου της ισχυρής αλληλεπίδρασης και έχουν μηδενική μάζα. Αυτή η θεωρία των ισχυρών αλληλεπιδράσεων προτάθηκε από τους Harald Fritzsch και Murray Gell-Mann. 

1973

Οι David Politzer, David Gross, και Frank Wilczek ανακάλυψαν ότι η θεωρία του χρώματος στις ισχυρές αλληλεπιδράσεις έχει μια ιδιαίτερη ιδιότητα που σήμερα ονομάζεται "ασυμπτωτική ελευθερία" ("asymptotic freedom"). Αυτή η ιδιότητα ήταν αναγκαία για την εξήγηση των πειραματικών δεδομένων του 1968-69 σχετικά με το πρωτόνιο. 

1974 Στην τελευταία ομιλία ενός συνεδρίου, ο Γιάννης Ηλιόπουλος, παρουσιάζει για πρώτη φορά συγκεντρωμένη την ολική άποψη της φυσικής που σήμερα είναι γνωστή σαν το Καθιερωμένο Πρότυπο. Περισσότερες πληροφορίες για το Καθιερωμένο Πρότυπο μπορείτε να διαβάσετε στην Περιπέτεια των

Κώστας Μπακολίτσας

Θέμα 1ο 18

Σωματιδίων.

1974 (Νοέμβριος)

Ο Burton Richter και ο Samuel Ting, επικεφαλείς δύο διαφορετικών πειραμάτων, ανακοίνωσαν την ίδια μέρα ότι ανακάλυψαν ένα καινούριο σωματίδιο. Ο Τing και οι συνεργάτες του στο Brookhaven ονόμασαν το σωματίδιο "J", ενώ ο Richter και οι συνεργάτες του στο SLAC το ονόμασαν "ψ". Επειδή και οι δύο παρατηρήσεις έχουν την ίδια βαρύτητα το σωματίδιο είναι σήμερα γνωστό σαν J/ψ. Το J/ψ είναι ένα μεσόνιο με ένα κουάρκ και ένα αντικουάρκ τύπου c. 

1976

Οι Gerson Goldhaber και Francois Pierre βρήκαν το μεσόνιο D0 (αποτελείται από ένα αντικουάρκ τύπου u και ένα κουάρκ τύπου c). Οι προβλέψεις της θεωρίας συμφωνούν με τα πειραματικά αποτελέσματα, προσφέροντας μ' αυτό τον τρόπο υποστήριξη στο Καθιερωμένο Πρότυπο. 

1976Ο Martin Perl και οι συνεργάτες του στο SLAC ανακάλυψαν το λεπτόνιο τ. Επειδή αυτό το λεπτόνιο είναι το πρώτο που παρατηρήθηκε από την τρίτη γενιά των σωματιδίων, ήταν τελείως απρόσμενο. 

1977

Ο Leon Lederman και οι συνεργάτες του στο Fermilab ανακάλυψαν άλλο ένα κουάρκ (και το αντικουάρκ του). Αυτό το κουάρκ ονομάζεται "bottom" (χαμηλό) ή "beauty" (ομορφιά). Επειδή τα κουάρκ υπάρχουν σε ζεύγη, αυτή η ανακάλυψη έδωσε την ώθηση για τις έρευνες για το έκτο κουάρκ το t. 

1978

Οι Charles Prescott και Richard Taylor παρατηρούν μία ασθενή αλληλεπίδραση με την ανταλλαγή ενός μποζονίου Z0 σε πείραμα σκέδασης πολωμένων ηλεκτρονίων από δευτέριο. Αυτή η παρατήρηση απέδειξε την παραβίαση της συμμετρίας χώρου επιβεβαιώνοντας τις προβλέψεις του Καθιερωμένου Πρότυπου. 

1979Η πρώτη απόδειξη για ένα γκλουόνιο που εκπέμπεται από ένα κουάρκ (ή αντικουάρκ) βρέθηκε στον επιταχυντή PETRA, στο εργαστήριο DESY στο Αμβούργο.

1983

Τα μποζόνια W± και Z0 που είναι τα σωματίδια φορείς των ασθενών αλληλεπιδράσεων παρατηρούνται από δύο πειράματα στο σύγχροτρο του CERN που συγκρούει πρωτόνια και αντιπρωτόνια χρησιμοποιώντας τεχνικές που αναπτύχθηκαν από τους Carlo Rubbia και Simon Van der Meer.

1989

Πειράματα που έγιναν στο CERN και στο SLAC απέδειξαν την ύπαρξη τριών μόνο γενεών θεμελιωδών σωματιδίων. Αυτό το συμπέρασμα βγήκε αποδεικνύοντας ότι ο χρόνος ζωής του μποζονίου Z0 είναι αυτή που περιμένει κανείς αν έχει ακριβώς τρία πολύ ελαφρά (ή με μηδενική μάζα) νετρίνο.

1995

Μετά από έρευνες δεκαοκτώ ετών σε διάφορους επιταχυντές, τα πειράματα CDF και D0 στο Fermilab ανακάλυψαν το κουάρκ τύπου t (top) που έχει μάζα 175 GeV. Κανείς δεν καταλαβαίνει γιατί η μάζα του είναι τόσο πιο μεγάλη από τα άλλα πέντε κουάρκ.

[15]

Κώστας Μπακολίτσας

Θέμα 1ο 19

ΣΧΕΔΙΟ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ Στοιχεία εκπαιδευτικού:

Ονοματεπώνυμο: Μπακολίτσας Κωνσταντίνος

Βαθμίδα εκπαίδευσης: Δευτεροβάθμια Εκπαίδευση

Ειδικότητα: Βιολόγος ΠΕ04(04)

Μαθήματα που διδάσκει : Βιολογία.-Φυσική-Χημεία.

Τίτλος μαθήματος: « Κύριοι σταθμοί μετάβασης από το μακρόκοσμο στο μικρόκοσμο και γένεσης των σύγχρονων βιοεπιστημών»

Γνωστικό αντικείμενο (Σχέση με το Πρόγραμμα Σπουδών): Βιολογία

Γενικής Παιδείας.

Τάξη: Β' Λυκείου.

Διδακτική ενότητα: Εισαγωγή.

Προβλεπόμενος χρόνος: 2 διδακτικές ώρες. Αυξομειώσεις κατά το

δοκούν.

ΣύνοψηΤο παρόν σχέδιο μαθήματος φιλοδοξεί να καθοδηγήσει τους μαθητές σε ένα ταξίδι

πίσω στον χρόνο, με όχημα την τεχνολογία που τους προσφέρει το νέο σύγχρονο

σχολικό εργαστήριο φυσικών επιστημών, ένα ταξίδι έρευνας ,γνώσης , ψυχαγωγίας για

να γνωρίσει την ιστορία των Φυσικών Επιστημών και ειδικότερα των Βιοεπιστημών.

Σκοποί διδασκαλίαςΟ μαθητής θα πρέπει να :

Αναγνωρίζει ότι οι επιστημονικές ερμηνείες για τα φαινόμενα της ζωής θα

πρέπει να πληρούν συγκεκριμένα κριτήρια, για να γίνονται αποδεκτές, και να

κατανοεί τη συμβολή των θεωριών στην πρόοδο της επιστήμης.

Αναγνωρίζει ιστορικά τη συμβολή των Βιοεπιστημών στην επίλυση πολλών

προβλημάτων του ανθρώπου και να διακρίνει τη σχέση αλληλεξάρτησης

επιστήμης και κοινωνίας.

Να καταγράφει την πορεία μέσα από την οποία αποκτήθηκε, σταδιακά, η

σύγχρονη γνώμη μας σχετικά με τους ζωντανούς οργανισμούς.

Ξεχωρίζει ποια ιστορικά γεγονότα ανταποκρίνονται στην αλήθεια και ποια όχι.

Χρησιμοποιεί γνώσεις και δεξιότητες που απέκτησε για την επεξεργασία και

την αξιολόγηση δεδομένων ή την επίλυση προβλημάτων.

Συλλέγει πληροφορίες από επιστημονικές πηγές πληροφοριών ή πλήρεις

μελέτες τεκμηρίωσης και να χρησιμοποιεί την τεχνολογία της Πληροφορικής,

όπου αυτή μπορεί να εξυπηρετήσει τις ανάγκες της εργασίας του.

Μελετά μόνος ή σε συνεργασία με τους συμμαθητές, τον εκπαιδευτικό αλλά

Κώστας Μπακολίτσας

Θέμα 1ο 20

και άλλους φορείς του τοπικού κοινωνικού περιβάλλοντος, θέματα που

αφορούν το σχολικό ή το ευρύτερο κοινωνικό περιβάλλον.

Αξιολογεί τη δράση του στις διάφορες εκπαιδευτικές δραστηριότητες,

συνεκτιμώντας τους παράγοντες επιτυχίας και αποτυχίας. [15]

Διδακτικοί στόχοι Γνωστικοί

Ψυχοκινητικοί

Συναισθηματικοί

Ειδικοί στόχοι :1) Οι μαθητές ασκούνται στην έρευνα και την αξιολόγηση των πηγών του

διαδικτύου (internet).

2) Ασκούνται στην επιλογή πληροφοριών από το διαδίκτυο.

3) Εξοικειώνονται με τις μηχανές αναζήτησης. Μαθαίνουν να αναζητούν ένα

βιβλίο σε μια ηλεκτρονική βιβλιοθήκη, ένα ηλεκτρονικό βιβλίο σε ένα

ηλεκτρονικό βιβλιοπωλείο, και μαθαίνουν να θέτουν κριτήρια κατά την

αναζήτηση.

4) Εξοικειώνονται με τη χρήση του επεξεργαστή κειμένου, του λογισμικού

παρουσιάσεων κλπ.

Παιδαγωγικοί στόχοιΠαιδαγωγικές αρχές και μέθοδοι: Η διδασκαλία στηρίζεται στην ενθάρρυνση από

τον εκπαιδευτικό της ενεργητικής συμμετοχής και της εμπλοκής των μαθητών στη

μαθησιακή διαδικασία (συμμετοχή σε συζήτηση, σε συνεργατικές πρακτικές

δραστηριότητες).

Μεθοδολογικές προσεγγίσεις της διδασκαλίας Χρήση τεχνικών που ενισχύουν την ενεργητική συμμετοχή.

Εισήγηση μικρής διάρκειας που έχει φωτοτυπηθεί και έχει διανεμηθεί σε όλους

τους μαθητές.

Ερωτήσεις – Απαντήσεις - Έλεγχος για προηγούμενες γνώσεις, εμπειρίες και

βιώματα των μαθητών και με χρήση ερωτηματολογίου που τους δίδεται πριν

την έναρξη του μαθήματος .

Συζήτηση - διάλογος με τους μαθητές σχετικά με τις απαντήσεις που έδωσαν.

Καταιγισμός ιδεών π.χ. στην έννοια μικρόκοσμος.

Επίδειξη - παρουσίαση διαφανειών που θα έχουν σχεδιαστεί με χρονολογική

σειρά των «σταθμών μετάβασης» ή προβολή dvd-video που θα έχει επιλεγεί

για το μάθημα αυτό.

Ομάδες εργασίας:

o Συγκρότηση ομάδων (προτείνεται οι μαθητές να χωριστούν σε ομάδες

με βάση τη δική τους προτίμηση. Ο καθηγητής φροντίζει με

Κώστας Μπακολίτσας

Θέμα 1ο 21

διακριτικότητα να υπάρχει σε κάθε ομάδα ένας μαθητής που χειρίζεται

με άνεση τον υπολογιστή) και επιλογή ενός θέματος από κάθε ομάδα

π.χ. η ανακάλυψη του μικροσκοπίου.

o Καθορισμός στόχων και επιμερισμός εργασίας στα μέλη της κάθε

ομάδας.

o Καθορισμός πηγών πληροφόρησης (θα δοθεί λίστα διευθύνσεων στο

internet , μηχανών αναζήτησης κ.λ.π. ) και συλλογή στοιχείων.

o Θα γίνεται επιμέρους αξιολόγηση της πορείας της εργασίας (και αν

υπάρξει ανάγκη , θα γίνει επαναπροσδιορισμός των στόχων)

o Ταξινόμηση, αξιολόγηση και σύνθεση δεδομένων.

o Παρουσίαση της εργασίας από έναν μαθητή κάθε ομάδας και τελική

αξιολόγηση στην τάξη.

o Προσομοίωση με χρήση λογισμικού όπως το εκπαιδευτικό λογισμικό

‘Κύτταρο μια πόλη’.[16]

Ρόλοι και ενέργειες του καθηγητή.Ο καθηγητής έχει το ρόλο του διευκολυντή της υλοποίησης του σχεδίου.

Παρακολουθεί διακριτικά τις εργασίες των ομάδων και συζητά με τις ομάδες των

μαθητών, χωρίς να προκαταλαμβάνει ή να κατευθύνει άμεσα τις ενέργειές τους.

Μέσα και υλικόΕξοπλισμός: Υπολογιστές με σύνδεση στο Διαδίκτυο, βιντεοπροβολέας, οθόνη

προβολής κλπ.

Λογισμικό:

Office 2003, Windows XP, Wbs, εκπαιδευτικό λογισμικό κλπ.

Ενδεχόμενα προβλήματα και πιθανές λύσεις.Επειδή το παρόν σχέδιο μαθήματος στηρίζεται και στην περιήγηση σε συγκεκριμένους

ιστοχώρους , ενδέχεται να εμφανιστούν προβλήματα που οφείλονται στη μη λειτουργία

κάποιου ιστοχώρου ή και γενικότερα του Διαδικτύου τη δεδομένη χρονική στιγμή, ο

καθηγητής θα πρέπει να έχει ¨κατεβάσει¨ τις ιστοσελίδες με το webstripper, λογισμικό

που κάνει αυτή τη δουλειά και διατίθεται ελεύθερα , να τις αποθηκεύσει στον κεντρικό

υπολογιστή του εργαστηρίου και έτσι να γίνεται η περιήγηση χωρίς σύνδεση.

Κώστας Μπακολίτσας

Θέμα 1ο 22

Βιβλιογραφία

[1] Αραμπατζής Θ., Γαβρόγλου Κ., Διαλέτης Δ., Χριστιανίδης Γ., Κανδεράκης Ν.,

Βερνίκος Σ., Ιστορία των Επιστημών και της τεχνολογίας, Γ΄ Τάξη Ενιαίου

Λυκείου, εκδ. ΟΕΔΒ, Αθήνα 1999 σελ.11-12.

[2] Steven P.R. Rose, EUROPEAN MOLECULAR BIOLOGY LABORATORY

(EMBL), Το μέλλον των Βιοεπιστημών, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης,

Ηράκλειο 2006 σελ.55-56.

[3] http://www.dapontes.gr/index.php?

option=com_content&task=view&id=171&Itemid=46\

[4] Asimov Isaac, Το χρονικό των επιστημονικών ανακαλύψεων, 4η

έκδ.,Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο 2001, σελ.48.

[5] Asimov Isaac, Το χρονικό των επιστημονικών ανακαλύψεων, 4η

έκδ.,Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο 2001, σελ.167.

[6] Asimov Isaac, Το χρονικό των επιστημονικών ανακαλύψεων, 4η

έκδ.,Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο 2001, σελ.278.

[7] Asimov Isaac, Το χρονικό των επιστημονικών ανακαλύψεων, 4η

έκδ.,Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο 2001, σελ.294.

[8] Steven P.R. Rose, EUROPEAN MOLECULAR BIOLOGY LABORATORY

(EMBL), Το μέλλον των Βιοεπιστημών, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης,

Ηράκλειο 2006 σελ.57.

[9] DAVID BURNIE, ΑΝΑΚΑΛΥΠΤΩ ΤΗΝ ΕΠΙΣΤΗΜΗ , ΖΩΗ,

ΔΕΛΗΘΑΝΑΣΗΣ-ΕΡΕΥΝΗΤΕΣ ΕΠΕ, σελ. 12.

[10] Καφάτος Φ., EUROPEAN MOLECULAR BIOLOGY LABORATORY

(EMBL), Το μέλλον των Βιοεπιστημών, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης,

Ηράκλειο 2006 σελ.12.

[11] http :// el . wikipedia . org

[12] Καφάτος Φ., EUROPEAN MOLECULAR BIOLOGY LABORATORY

(EMBL), Το μέλλον των Βιοεπιστημών, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης,

Ηράκλειο 2006 σελ.13-19.

[13] Asimov Isaac, Το χρονικό των επιστημονικών ανακαλύψεων, 4η

έκδ.,Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο 2001, σελ.502.

[14] Μπίρκας Β.,Καφάτος Φ., Η αποφασιστική καμπή στη μοριακή βιολογία. Το

έργο των Francois Jacob, Andre Lwoff, Jacques Monod. Εκδόσεις

ΡΑΠΠΑ.1998 σελ.85-100.

[15] http://www.physics.ntua.gr/eesfye/partadv/other/history.html

[16] Καψάλης Α., κ.α., Βιολογία γενικής παιδείας Β’ τάξης ενιαίου λυκείου, Βιβλίο

καθηγητή ΟΕΔΒ , σελ 14-15.

[17] Βαλάκας Γ., κ.α., ΕΚΕΠΙΣ 2006, Εκπαιδευτικό υλικό για τους εκπαιδευτές

θεωρητικής κατάρτισης τόμος Ι , σελ. 201.

Κώστας Μπακολίτσας