Ο Γαλαξίας που έγινε πολύ μεγάλος

Δεν μπορούμε να βοηθήσουμε τους εαυτούς μας - τρελαινόμαστε για μεγάλα πράγματα. Θα κάνουμε μίλια μακριά από το δρόμο μας για να δούμε το «μεγαλύτερο» τουφέκι του κόσμου (μήκος 33,3 πόδια, Ishpeming, Μίσιγκαν), ψηλοτάκουνα παπούτσι (6,1 πόδια ύψος, Νέα Υόρκη) ή μπάλα από σπάγκο (7,8 εκατομμύρια πόδια ξετυλιγμένα; Cawker City, Κάνσας).

Και για τι; Πέρα από το θέαμα, τα μεγαλύτερα πράγματα σπάνια έχουν πολύ νόημα. Είναι πιο δύσκολο, όχι πιο εύκολο, να τηγανίσετε ένα νόστιμο αυγό με το μεγαλύτερο τηγάνι ή να βιδώσετε μια βίδα με το μεγαλύτερο κατσαβίδι.

Στη φύση, επίσης, το μέγεθος έχει συχνά ένα κόστος.

Το μεγαλύτερο στοιχείο είναι το πιο βραχύβιο

Στον χημικό κόσμο, η κλίμακα ορίζει την ταυτότητα:Προσθέστε ένα πρωτόνιο στον πυρήνα ενός ατόμου και ένα εντελώς νέο στοιχείο αναδύεται. Αλλά για τα εξαιρετικά βαριά στοιχεία, ένας πολύ μεγάλος ατομικός αριθμός σημαίνει μια πολύ φευγαλέα ύπαρξη. Συσκευάστε πάρα πολλά πρωτόνια μαζί και πιθανότατα θα διαπιστώσετε ότι είναι αδύνατο να δημιουργήσετε ένα άτομο.

Πέρα από το ουράνιο (92), η δύναμη που απωθεί τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια (η δύναμη Coulomb) αρχίζει να υπερβαίνει τη δύναμη που τα δεσμεύει μεταξύ τους (η πυρηνική δύναμη). Έτσι, καθώς τα στοιχεία βαραίνουν, γίνονται όλο και πιο ασταθή. Αυτό εξηγεί γιατί (από όσο γνωρίζει κανείς) κανένα στοιχείο μεγαλύτερο από το ουράνιο δεν εμφανίζεται φυσικά, λέει ο Christoph Duellmann, πυρηνικός χημικός στο GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research and Johannes Gutenberg University Mainz, στη Γερμανία.

Οι επιστήμονες έχουν δημιουργήσει τεχνητά βαρύτερα στοιχεία συνθλίβοντας τους ατομικούς πυρήνες σε επιταχυντές σωματιδίων. (Ο Duellmann και οι συνάδελφοί του επιβεβαίωσαν την ύπαρξη ununseptium-στοιχείου 117-πέρυσι.) Αυτά τα άτομα είναι βραχύβια, ωστόσο. Ενώ το πιο άφθονο ισότοπο ουρανίου έχει χρόνο ημιζωής 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια, ένα ισότοπο του αϊνσταϊνίου (99) έχει χρόνο ημιζωής έως και 472 ημέρες. Το βαρύτερο στοιχείο που έχει κατασκευαστεί ποτέ, το ununoctium (118), διαρκεί λιγότερο από 1 χιλιοστό του δευτερολέπτου.

Ο Duellmann εικάζει ότι ένα θεωρητικό στοιχείο με περίπου 170 πρωτόνια ή περισσότερα θα είχε χρόνο ημιζωής μικρότερο από 1 εκατο τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου - ο χρόνος που χρειάζεται για να δημιουργηθεί ένα κέλυφος ηλεκτρονίων. «Επομένως δεν είναι άτομο», λέει.

Το μεγαλύτερο γονιδίωμα προσαρμόζεται πιο αργά

Αν ξετυλίγαμε το DNA σε ένα μόνο ανθρώπινο κύτταρο -και τα 3,2 δισεκατομμύρια ζεύγη βάσεων- θα εκτείνονταν 2 μέτρα. Αυτό το μήκος, ωστόσο, δεν θα φαινόταν τόσο εντυπωσιακό δίπλα στο μεγαλύτερο γονιδίωμα που είναι γνωστό στην επιστήμη, το οποίο θα έφτανε τα 100 μέτρα. Αυτό το μόριο 150 δισεκατομμυρίων ζευγών βάσεων ανήκει στο ιαπωνικό φυτό με λευκά άνθη Paris japonica .

Το μέγεθος του γονιδιώματος ποικίλλει ευρέως μεταξύ των ειδών και είναι σε μεγάλο βαθμό ένα μυστήριο γιατί ορισμένοι οργανισμοί εξέλιξαν μεγαλύτερα γονιδιώματα από άλλους. «Δεν υπάρχει σχέση μεταξύ του μεγέθους του γονιδιώματος και της πολυπλοκότητας του οργανισμού», λέει ο T. Ryan Gregory, εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Guelph, στον Καναδά. «Υπάρχουν ακρίδες με πέντε φορές περισσότερο DNA από τους ανθρώπους». Ακόμη και ορισμένοι μονοκύτταροι πρωτιστές έχουν γονιδιώματα πολύ μεγαλύτερα από το δικό μας.

Τέτοια μεγάλα γονιδιώματα αναπτύσσονται συσσωρεύοντας μη κωδικοποιητικό ή «άχρηστο» DNA μέσω σφαλμάτων αντιγραφής κατά την αναπαραγωγή ή όταν οι απόγονοι κληρονομούν περισσότερα από ένα σετ χρωμοσωμάτων ενός γονέα. Η τελευταία κατάσταση, γνωστή ως πολυπλοειδία, είναι κοινή μεταξύ των φυτών, γεγονός που μπορεί να εξηγήσει γιατί έχουν μερικά από τα μεγαλύτερα γονιδιώματα που υπάρχουν στη φύση. Τα περισσότερα ζωικά γονιδιώματα είναι μικρότερα από 5 δισεκατομμύρια ζεύγη βάσεων. Το γονιδίωμα των ανθοφόρων φυτών, εν τω μεταξύ, είναι κατά μέσο όρο περίπου 6 δισεκατομμύρια ζεύγη βάσεων, ενώ εκείνων των μη ανθισμένων φυτών κατά μέσο όρο περίπου 18 δισεκατομμύρια.

Τα μεγάλα γονιδιώματα έχουν μεγάλα μειονεκτήματα, λέει ο Ilia Leitch, γενετιστής φυτών στο Βασιλικό Βοτανικό Κήπο του Ηνωμένου Βασιλείου, ο Kew, ο οποίος ήταν επικεφαλής της ομάδας που μέτρησε Paris japonica του γονιδιώματος το 2010. Τα μεγαλύτερα γονιδιώματα χρειάζονται περισσότερο χρόνο για να αντιγραφούν, επιβραδύνοντας τον ρυθμό ανάπτυξης, αναπαραγωγής και τελικά προσαρμογής ενός οργανισμού. Για παράδειγμα, στο Arabidopsis είδη (μικροσκοπικοί συγγενείς φυτών μουστάρδας), που έχουν γονιδιώματα περίπου 135 εκατομμυρίων ζευγών βάσεων, η αναπαραγωγική κυτταρική διαίρεση διαρκεί περίπου 33 ώρες. Στο Paris japonica , εκτιμά ο Leitch, αυτή η διαδικασία διαρκεί έξι έως οκτώ εβδομάδες.

Τα μεγαλύτερα γονιδιώματα απαιτούν επίσης μεγαλύτερα κύτταρα για να συγκρατούν όλο αυτό το γενετικό υλικό. Η διαφορά μεγέθους μπορεί να είναι μικρή, αλλά μπορεί να επηρεάσει σημαντικά τις κυτταρικές διεργασίες. Στα ζώα, για παράδειγμα, τα μεγαλύτερα αιμοσφαίρια είναι λιγότερο αποτελεσματικά στην παροχή οξυγόνου. Γι' αυτό τα ζώα με υψηλό μεταβολισμό, όπως τα πουλιά και οι νυχτερίδες, τείνουν να έχουν ιδιαίτερα μικρά γονιδιώματα, λέει ο Gregory.

Ο μεγαλύτερος εγκέφαλος δεν είναι ο πιο έξυπνος

Ο εγκέφαλος της σπερματοφάλαινας βρίσκεται στην κορυφή των διαγραμμάτων μεγεθών στα 20 κιλά, περίπου έξι φορές μεγαλύτερος από τον εγκέφαλο των 3 λιβρών μας. Και αυτό είναι περίπου το όριο όταν πρόκειται για μάζα. Ο εγκέφαλος δεν μπορεί να μεγαλώσει πολύ, επειδή το βάρος θα αρχίσει να διακόπτει τη ροή του αίματος στις αρτηρίες που τροφοδοτούνται σε αυτόν.

Για τα μη πρωτεύοντα θηλαστικά, αυτό το ανώτατο όριο μεγέθους θέτει επίσης ένα ανώτατο όριο στη νοημοσύνη, επειδή περιορίζει τον αριθμό των νευρώνων - και ως εκ τούτου των νευρικών συνδέσεων - που μπορούν να συσσωρευτούν στον εγκεφαλικό φλοιό, την περιοχή που είναι υπεύθυνη για την υψηλότερη λειτουργία του εγκεφάλου. Σύμφωνα με μελέτες με επικεφαλής τη Suzana Herculano-Houzel, μια νευροεπιστήμονα στο Ομοσπονδιακό Πανεπιστήμιο του Ρίο ντε Τζανέιρο, μεγαλύτεροι εγκέφαλοι μη πρωτευόντων τείνουν επίσης να έχουν μεγαλύτερους μεμονωμένους νευρώνες, μειώνοντας το πλεονέκτημα του μεγέθους. Ενώ η μέση μάζα ενός εγκεφαλικού νευρώνα ποντικιού είναι περίπου 8 δισεκατομμυριοστά του γραμμαρίου, για παράδειγμα, ο ισοδύναμος νευρώνας ελέφαντα ζυγίζει περίπου 181 δισεκατομμυριοστά του γραμμαρίου.

Στα πρωτεύοντα, ωστόσο, η εξέλιξη διέλυσε αυτή την τάση. Στεγάζοντας μικρότερους νευρώνες που ζυγίζουν περίπου 30 δισεκατομμυριοστά του γραμμαρίου -κάπου «μεταξύ ενός αρουραίου και ενός κουνελιού», λέει ο Herculano-Houzel- ο φλοιός των πρωτευόντων μπορεί να στριμώξει περισσότερους νευρώνες σε ένα μικρότερο χώρο. Ο ανθρώπινος εγκεφαλικός φλοιός έχει περίπου 16 δισεκατομμύρια νευρώνες - περισσότερους από οποιοδήποτε άλλο ζώο - δίνοντάς μας ένα σαφές γνωστικό πλεονέκτημα. Συγκριτικά, ο εγκεφαλικός φλοιός ενός ελέφαντα έχει διπλάσια μάζα από τον φλοιό ενός ανθρώπου, αλλά έχει μόνο το ένα τρίτο των νευρώνων.

Ο μεγαλύτερος οργανισμός στον κόσμο γίνεται στείρος

Με 6.600 τόνους, ο μεγαλύτερος ζωντανός οργανισμός κατά μάζα είναι περίπου 33 φορές μεγαλύτερος από τον λεβιάθαν της θάλασσας, τη γαλάζια φάλαινα και περίπου τρεις φορές μεγαλύτερο από τον πανύψηλο γίγαντα της ξηράς, τη σεκόγια. Το Pando, γνωστό και ως ο Τρέμουλκος Γίγαντας, είναι μια γενετικά πανομοιότυπη αποικία μιας και μόνο τρεμουλιαστής που εξαπλώθηκε αργά στη Γιούτα για δεκάδες χιλιάδες χρόνια. Οι 47.000 κορμοί του μοιράζονται ένα κοινό ριζικό σύστημα, από το οποίο φυτρώνει νέους κλώνους.

Αυτό το σχήμα ανάπτυξης επιτρέπει στον Pando να αποφεύγει παράγοντες που συνήθως περιορίζουν το μέγεθος σε φυτά με ένα στέλεχος, συμπεριλαμβανομένης της ικανότητας να ανυψώνει το νερό σε μεγάλα ύψη, λέει ο Michael Grant, οικολόγος και εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο Boulder. Θεωρητικά, ο Pando θα μπορούσε να συνεχίσει να αναπτύσσεται επ 'αόριστον. Και μέχρι στιγμής, έχει ευδοκιμήσει με τον σωστό αριθμό πυρκαγιών, κατολισθήσεων λάσπης και χιονοστιβάδων, που έχουν κρατήσει μακριά τους ψηλότερους ανταγωνιστές.

Αλλά το Pando δεν έχει ανοσία στη φθορά του χρόνου και η μεγάλη του ηλικία -που επέτρεψε το μεγάλο του μέγεθος- μπορεί να είναι η αχίλλειος πτέρνα του. Μελέτες DNA δείχνουν ότι οι αποικίες λεύκας συσσωρεύουν γενετικές μεταλλάξεις καθώς μεγαλώνουν, μειώνοντας την παραγωγή γύρης. Χωρίς τη γύρη, η αποικία δεν θα ήταν σε θέση να αναπαραχθεί σεξουαλικά, μειώνοντας την ποικιλομορφία της γονιδιακής της δεξαμενής και καθιστώντας την λιγότερο ισχυρή απέναντι σε ασθένειες ή κλιματική αλλαγή.

Ο μεγαλύτερος γαλαξίας γεννά όλο και λιγότερα αστέρια

Ο Γαλαξίας, με τα εκατοντάδες δισεκατομμύρια αστέρια του, είναι μια σταγόνα σε έναν κάδο σε σύγκριση με τον IC 1101, τον μεγαλύτερο γνωστό γαλαξία στο σύμπαν. Αυτός ο ελλειπτικός γίγαντας, που πιστεύεται ότι περιέχει περίπου 100 τρισεκατομμύρια αστέρια, εκτείνεται σε 6 εκατομμύρια έτη φωτός, 60 φορές τη διάμετρο του Γαλαξία μας.

Τέτοιοι υπερ-γίγαντες γαλαξίες είναι σπάνια, ηλικιωμένα δείγματα—σπίτι για τα περισσότερα παλιά αστέρια που σχηματίστηκαν όταν το σύμπαν σχεδόν 14 δισεκατομμυρίων ετών ήταν ακόμα νέο. Το πώς έγιναν τόσο μεγάλοι είναι άγνωστο, λέει ο Richard Bower, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο του Durham, στο Ηνωμένο Βασίλειο. Μερικοί μπορεί να συγκρούστηκαν με γαλαξίες παρόμοιου μεγέθους και να συγχωνεύτηκαν. Άλλοι μπορεί να έχουν κανιβαλίσει τους μικρότερους γαλαξιακούς γείτονές τους.

Οι νέοι γαλαξίες αναπτύσσονται γεννώντας νέα αστέρια, που σχηματίζονται όταν σύννεφα σκόνης και αερίου καταρρέουν υπό τη δική τους βαρυτική έλξη σε θερμούς, πυκνούς πυρήνες. Αλλά καθώς οι γαλαξίες γερνούν και διαστέλλονται, ο σχηματισμός των άστρων επιβραδύνεται, λέει ο Bower. Όταν οι γαλαξίες γίνονται ελαφρώς πιο μαζικοί από τον Γαλαξία μας, οι μαύρες τρύπες στα κέντρα τους ενεργοποιούνται, εκτοξεύοντας πίδακες υψηλής ενέργειας. Αυτοί οι ισχυροί άνεμοι διώχνουν αέρια που δημιουργούν αστέρια, αποστραγγίζοντας αργά έναν γαλαξία από ύλη που δημιουργεί αστέρια.

Καθώς το σύμπαν διαστέλλεται, οι υπερ-γίγαντες γαλαξίες όπως ο IC 1101 μπορεί να συνεχίσουν να αναπτύσσονται μέσω συγχωνεύσεων και εξαγορών. Αλλά ο ρυθμός ανάπτυξης θα γίνεται όλο και πιο αργός καθώς τα συστατικά για τα αστέρια εξαντλούνται και οι γαλαξίες απομακρύνονται. «Επειδή το παρατηρήσιμο σύμπαν έχει πεπερασμένο μέγεθος, υπάρχει ένα όριο στον μεγαλύτερο γαλαξία που πρόκειται να δούμε», λέει ο Bower. "Μάλλον το έχουμε δει ήδη."

Ο Jeremy Hsu είναι δημοσιογράφος επιστήμης και τεχνολογίας με έδρα τη Νέα Υόρκη. Αυτή τη στιγμή γράφει για εκδόσεις όπως Scientific American, Popular Science και IEEE Spectrum.