Didattica della biologia

Didattica della biologia
Etimologia della parola biologia
Il termine “Biologia” è la composizione di due vocaboli
greci:
Lineamenti fondamentali
βιοσ + λογοσ
Letteralmente significa discorso sulla vita, o studio
sulla vita
© Emilio Padoa-Schioppa
© Emilio Padoa-Schioppa
Che cosa è la vita?
Che cosa è la vita?
• Che cos’è un essere vivente?
• Che cosa rende un essere vivo e che cosa lo
differenzia da un essere inanimato?
• Quali sono le caratteristiche che consentono di
definire vivo un essere?
Un essere vivente è un’entità limitata nello spazio e nel
tempo, costituita da quattro proprietà:
• Organizzazione
• Metabolismo
• Riproduzione
• Evoluzione
Attività 1
La biologia ha rinunciato a rispondere a queste domande con
una risposta univoca e definitiva.
I biologi preferiscono elencare una serie di proprietà e
funzioni che distinguono il vivente dal non vivente.
Entità
materiali
sedi di
Organizzazione
Metabolismo
Riproduzione
Evoluzione
Schema delle proprietà di un essere
vivente (tratto da Boncinelli, 2001)
u = unicellulare; p = pluricellulare
Cellularità
u Batteri
u Protisti
u/p Funghi
p Piante
p Animali
Eubatteri
Archebatteri
Rimangono esclusi Batterici
Vegetali
(provirus) virus
prioni
Animali
© Emilio Padoa-Schioppa
© Emilio Padoa-Schioppa
Organizzazione sistemica della vita:
Proprietà degli esseri viventi: organizzazione
entità limita nel tempo
Ogni individuo è costituito
da materia organizzata.
?
Nascita
• Questo favorisce un
approccio sistemico
• E’ possibile individuare
uno spettro biologico
(livelli di organizzazione
della vita)
Morte
© Emilio Padoa-Schioppa
© Emilio Padoa-Schioppa
Figura 1-6 Solomon, Berg, Martin
1
Organizzazione sistemica della vita:
lo spettro biologico
E’ possibile suddividere i sistemi
biologici
seguendo
l’approccio
sistemico e realizzando una
gerarchia
Atomi
Chimica
Molecole
Macromolecole
Organelli cellulari
Cellule
Biologia
Tessuti
Organi
Organismi
Popolazioni
Comunità/Ecosistemi
Ecologia
Paesaggi
Biomi/Ecoregioni
Biosfera
© Emilio Padoa-Schioppa
Proprietà degli esseri viventi: metabolismo
• Metabolismo: flusso di materia ed energia che consente
all’individuo di conservarsi come struttura organizzata.
Figura 1-6 Solomon, Berg, Martin
Proprietà degli esseri viventi: metabolismo
Per metabolismo si possono intendere tutti i processi
che concorrono ad assicurare una peculiarità degli
esseri viventi: mentre la loro forma e il loro aspetto
esterno rimangono relativamente costanti (almeno per
un certo tempo) la struttura molecolare cambia di
continuo.
• “Manutenzione straordinaria” macroscopica: crescita
dei capelli, rimarginarsi delle ferite, risaldatura delle
ossa …
• “Manutenzione ordinaria” microscopica: continua
sostituzione delle componenti – danneggiate, usurate,
ma anche funzionanti – delle varie cellule e quindi
dell’intero organismo.
© Emilio Padoa-Schioppa
© Emilio Padoa-Schioppa
Figura 1-12 Solomon, Berg, Martin
Proprietà degli esseri viventi: metabolismo
Tutto questo richiede una certa quantità di energia e
una trasformazione di materia.
Nell’uomo il cervello, anche quando è tenuto in assoluto
riposo si accaparra il 20% del fabbisogno di energia
(rappresenta il 2% del nostro corpo). La quantità
richiesta non aumenta di molto quando si riflette, si
calcola ecc.
© Emilio Padoa-Schioppa
Metabolismo: energia
Metabolismo: energia
• Per Energia si intende la capacità di produrre
lavoro o più propriamente la capacità di
determinare specifici cambiamenti..
• Unità di misura dell’energia: 1 caloria = energia
richiesta per riscaldare di 1 °C (da 14,5 a 15,5
°C) 1 grammo di acqua alla pressione di 1
atmosfera.
• Possono essere usate altre unità, analoghe alle
calorie a meno di costanti. Come unità ufficiale
oggi si preferisce usare il Joule - 1caloria= 4,18
joule
• La vita è caratterizzata dal continuo cambiamento,
quindi tutte le forme di vita necessitano di continuo
apporto di energia.
• L’energia deve essere fornita da una sorgente
esterna per garantire lo svolgimento dei processi
metabolici.
• L’energia scorre in un’unica direzione attraverso i
sistemi biologici: fluisce attraverso il sistema, può
essere utilizzata per compiere un lavoro o viene
immagazzinata nei legami chimici delle sostanze
organiche e alla fine viene liberata e dissipata.
© Emilio Padoa-Schioppa
© Emilio Padoa-Schioppa
2
Metabolismo: termodinamica
Metabolismo: termodinamica
• I° Principio: “non è possibile avere creazione o
distruzione di materia ed energia, ma soltanto
modificazioni, ovvero l’energia non può essere
creata né distrutta”
• II° Principio “le modificazioni avvengono lungo la
direzione che ha il gradiente dell’irreversibilità”
• Entropia: “E’ lo stato del sistema il cui valore
aumenta
quando
il
sistema
si
modifica
spontaneamente. In un sistema isolato negli
stadi iniziali e finali del sistema la quantità di
energia resta invariata, ma nei secondi
l’entropia è maggiore che nei primi.”
• Di fatto la prima legge afferma che l’energia si
conserva: ossia in condizioni normali nulla si crea o si
distrugge. L’energia può essere trasferita da un
sistema all’altro, ma la quantità totale di energia
rimane la stessa.
• La seconda legge afferma che ad ogni successivo
trasferimento e trasformazione di energia in un
sistema diminuisce l’energia disponibile per produrre
lavoro. L’energia non è persa o distrutta ma degradata
e dissipata da una forma di alta qualità ad una di
bassa qualità. La seconda legge riconosce che tutti i
sistemi tendono a muoversi da uno stato di ordine
(energia ad alta qualità) ad uno di disordine (energia a
bassa qualità).
© Emilio Padoa-Schioppa
© Emilio Padoa-Schioppa
Proprietà degli esseri viventi: riproduzione
• Riproduzione: tutti gli individui si riproducono, ossia
producono una copia più o meno somigliante a loro
stessi e questa copia è in grado di produrne un’altra e
così via.
Proprietà degli esseri viventi: evoluzione
• Evoluzione: il genoma degli individui tende a cambiare nel
tempo da una generazione all’altra (e quindi ad evolvere).
NULLA IN BIOLOGIA HA SENSO SE NON ALLA LUCE
DELL’EVOLUZIONE –
• La teoria dell’evoluzione ha 150 anni (anche se si parlava
di evoluzione anche prima di Darwin) è l’unica che è in
grado di offrire una visione unitaria dell’enorme varietà
dei fenomeni biologici.
Da Figura 1-4 Solomon, Berg, Martin
Riproduzione asessuata di un
organismo
unicellulare
(un’ameba): il risultato è uno o
più discendenti identici al
genitore
© Emilio Padoa-Schioppa
Riproduzione sessuata di una coppia di
organismi pluricellulari (due serpenti):
il risultato è uno o più discendenti i
cui caratteri sono la combinazione di
quelli dei genitori
© Emilio Padoa-Schioppa
Metodo di procedere della scienza e della
biologia in particolare
Il metodo è imposto dall’oggetto
• la biologia è una disciplina scientifica;
• ha sviluppato un proprio linguaggio e un proprio
metodo di studio e di lavoro;
• per conoscere la biologia occorre accettare gli
strumenti e i criteri proposti dal metodo
scientifico;
• tutto quanto esula da questo criterio NON E’
SCIENZA (e/o non è biologia).
© Emilio Padoa-Schioppa
Metodo scientifico
Il metodo scientifico prevede una serie di passaggi
ordinati:
• si fanno osservazioni accurate;
• si pongono domande critiche;
• si sviluppano ipotesi (affermazioni verificabili);
• sulla base delle ipotesi si fanno predizioni che
possano essere verificate attraverso ulteriori
osservazioni e/o appositi esperimenti;
• alla fine si interpretano i risultati degli esperimenti
che possono confermare le ipotesi e/o servire per
formulare nuove ipotesi.
© Emilio Padoa-Schioppa
3
Metodo scientifico
Metodo scientifico
Le ipotesi sono affermazioni verificabili,
con
esperimenti
o
con
ulteriori
osservazioni;
Un’affermazione, per essere scientifica
deve poter essere falsificabile (sensu
Popper):
“… da un sistema esigerò che la sua forma
logica sia tale che possa essere valutato,
per mezzo di controlli empirici in senso
negativo: un sistema empirico per essere
Ragionamento deduttivo: parte da principi generali,
per giungere a conclusioni specifiche:
• i.e. tutti gli uccelli hanno le ali; i passeri sono
uccelli; deduzione i passeri hanno le ali
Ragionamento induttivo: parte da osservazioni
specifiche dalle quali si tenta di trarre delle
conclusioni o di scoprire un principio generale
• i.e. i passeri hanno le ali e sono uccelli, i
scientifico deve poter essere confutato
dall’esperienza.” (Popper, Logica della
pettirossi, le aquile, i falchi e le rondini hanno le
ali e sono uccelli; induzione tutti gli uccelli hanno le
scoperta scientifica)
• affermare “domani piove o non piove” non
è falsificabile;
• affermare “domani piove” è falsificabile.
ali.
• N.B. attenzione alle eccezioni:
© Emilio Padoa-Schioppa
© Emilio Padoa-Schioppa
Da Figura 1-15 Solomon, Berg, Martin
Metodo scientifico
Statistica e rigore scientifico
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Lampedus a
(1999)
I. Conigli
Lampione
Linosa
Malta
Comino
• La statistica è stata
spesso accusata di
essere una disciplina con
la quale si può
dimostrare qualunque
cosa
Vi sono bugie, maledette
bugie e statistiche
Serifos
Folegandros
Nea Kameni
MicroFteno
Anafi
Milos
16,00
14,00
12,00
10,00
8,00
6,00
4,00
2,00
0,00
Antiparos
Abb. Sauri
Osservazione: a Lampedusa i
lacertedi sono poco abbondanti.
Ipotesi: la predazione dei
serpenti
può
diminuire
l’abbondanza
dei
lacertidi
all’interno di un’isola.
Verifica: misurare l’abbondanza
dei lacertidi in isole con
serpenti e in isole senza
serpenti.
Risultati
Conclusioni effettivamente la
predazione dei serpenti può
diminuire
l’abbondanza
dei
lacertidi all’interno di un’isola
Isole Cicladi
© Emilio Padoa-Schioppa
© Emilio Padoa-Schioppa
Statistica e rigore scientifico
• In realtà con la statistica non si dimostra nulla: lo
scopo della statistica non è quello di dimostrare
qualche cosa.
• L’analisi statistica serve per attribuire un livello di
confidenza (fiducia) alle conclusioni che si possono
voler trarre.
• La biologia, come le altre scienze, è una ricerca non di
enunciati di cui è dimostrata la verità, ma di
conclusioni nelle quali poter riporre fiducia.
• Espressioni critiche riguardo la statistica vengono in
genere usate da chi non ha nulla di meglio da dire per
continuare a credere in ciò in cui desidera credere.
• In alcuni casi, effettivamente la statistica viene usata
impropriamente per dedurre conclusioni di dubbia
validità.
© Emilio Padoa-Schioppa
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Elementi di statistica
• Una considerazione da non dimenticare mai. La
statistica non spiega il significato dei fenomeni
osservati: occorre in ogni caso essere in grado di
fornire una spiegazione circa il rapporto causaeffetto.
• Ignorare questa considerazione può condurre a
clamorosi errori di valutazione.
• Un esempio famoso: la relazione tra diffusione di PC
in uno stato americano e aumento dei casi di AIDS
conclamato.
© Emilio Padoa-Schioppa
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