scheda didattica

Tracce di vita
Laboratorio per la scuola secondaria
di secondo grado
Premessa per i docenti
L'intento con cui è stato preparato questo materiale è quello di
fornire i presupposti epistemologici e metodologici che hanno
guidato il gruppo di lavoro nella progettazione del laboratorio.
Le conoscenze e le capacità indicate sono desunte da quelle
individuate dall'Unione Europea come livello necessario a costituire
una base comune di apprendimento per tutti i cittadini.
La Scienza ha come obiettivo la comprensione e la descrizione del
mondo
reale;
attraverso
lo
studio
dell'Astronomia
gli
allievi
dovrebbero comprendere la distinzione tra ipotesi verificabili,
opinioni e preconcetti.
Lo Staff di Infini.to ringrazia per aver scelto questo laboratorio; sarà
grato per ogni indicazione, precisazione, arricchimento che la vostra
specifica professionalità potrà apportare a questa attività, nello
spirito di creare una comunità educativa che unisca sempre più il
lavoro in classe alle esperienze condotte in altre realtà. Il sapere di
ciascuno sarà così patrimonio di tutti.
Tracce di vita
Laboratorio per la scuola secondaria di secondo grado
A chi lo interrogò sulla possibile esistenza di forme
di vita extraterrestri, Enrico Fermi, uno di più
grandi scienziati del secolo scorso, rispose con la
domanda: “Dove sono gli altri?”.
Ancora oggi, a quasi cinquant'anni dalla morte del
fisico
italiano,
questa
frase
sintetizza
perfettamente la situazione nei confronti di uno
degli interrogativi più affascinanti che accompagna
l'uomo fin dall'antichità.
Siamo soli nell'Universo? Esistono forme di vita in altri mondi?
Queste domande si perdono negli albori della civiltà umana, ma oggi, agli inizi del XXI
secolo, grazie alle conoscenze in campo biologico, astronomico e alle conquiste della
tecnologia e dell'esplorazione spaziale possiamo immaginare che la risposta non sia
così lontana.
A partire da queste domande ne nascono immediatamente altre. Alcune relative agli
aspetti legati al concetto di vita: Cos'è la vita? Come nasce e come si sviluppa?
Altre legate ai mondi che la possono ospitare. Quali condizioni dell'ambiente può
tollerare la vita? Che cosa rende un pianeta, un satellite, un corpo celeste o più in
generale un luogo del cosmo, abitabile?
Per cercare di dare una risposta a queste e ad altre domande, gli astrobiologi mettono
in campo diversi rami della scienza e impiegano molteplici strategie: esperimenti,
ricerca sperimentale e teorica, osservazioni al telescopio ed esplorazione spaziale.
Ad oggi, l'evidenza scientifica non ha rivelato alcuna forma di vita extraterreste.
Tuttavia, la possibilità che essa esista c'è, ed è per questo motivo che la scienza si
impegna ogni giorno nella sua ricerca, in mondi lontani vicino ad altre stelle o
all'interno del Sistema Solare.
Che cos'è la vita?
Non esiste una definizione di vita che possa considerarsi universalmente riconosciuta
a livello scientifico. Non esiste un test che garantisca la presenza o l'assenza di vita e
nemmeno una singola caratteristica che individui gli esseri viventi. Si può stilare,
tuttavia, un elenco di caratteristiche condivise dalla maggior parte dei viventi.
Per esempio:
- avere una chimica basata sulla presenza del carbonio;
- avere una membrana;
- usare energia;
- avere bisogno di acqua allo stato liquido;
- avere processi metabolici basati sullo scambio di gas e materiali solidi;
- manifestare una sorta di crescita, divisione cellulare, riproduzione o replicazione;
- evolversi e adattarsi all'ambiente circostante.
Tra queste caratteristiche, due sono probabilmente le più importanti per distinguere
un oggetto animato da uno non animato: la capacità di riprodursi e la capacità di
perpetuare variazioni genetiche.
Definire la vita, comunque, non è un'operazione banale perché esistono oggetti
inanimati, come il fuoco, che posseggono alcune caratteristiche tipiche degli esseri
viventi.
D'altra parte, alcuni esseri viventi, come il mulo, sono sterili e di conseguenza incapaci
di riprodursi: questo però non implica che siano inanimati.
Occorre quindi una certa attenzione nell'uso della definizione di vita ed essere vivente.
Di che cosa ha bisogno la vita per svilupparsi?
Gli astrobiologi, non potendo osservare direttamente eventuali forme di vita su un
corpo celeste, cercano tracce precise di condizioni adatte allo sviluppo della vita.
Molti studiosi sostengono che la prima condizione da considerare sia la presenza di
acqua allo stato liquido.
Questo richiederebbe che sul pianeta o corpo celeste ci siano temperature attorno a
0°C.
Essendo l'acqua un ottimo solvente, in essa possono essere disciolte e quindi
trasportate numerose altre sostanze chimiche.
Le proprietà solventi dell'acqua sono essenziali per gli esseri viventi, poiché
consentono lo svolgersi delle complesse reazioni chimiche che costituiscono le basi
della vita stessa (come quelle che avvengono nel sangue o nel citoplasma della
cellula).
La vita necessita anche di energia.
Molti organismi, come piante, alghe, cianobatteri, sfruttano l'energia solare attraverso
la quale compiono la fotosintesi, ottenendo i nutrienti dalla materia inorganica.
Altre specie, sfruttano l'energia chimica dei composti organici prodotti da altri
organismi, nutrendosi dell'organismo stesso.
Affinché ci sia vita è necessario che ci sia disponibilità dei principali elementi
chimici, come carbonio, idrogeno, azoto, ossigeno, fosforo, e zolfo. Gli organismi li
possono ricavare in forma inorganica dall'ambiente o dai composti organici di cui si
nutrono.
Che cosa rende un pianeta abitabile?
La conferma della scoperta del primo pianeta extrasolare è avvenuta nel 1995. Da
allora ne sono stati scoperti centinaia.
Tra tutti questi pianeti, alcuni posseggono delle caratteristiche che li rendono candidati
per ospitare la vita. Proprio su questi pianeti si concentra l'attenzione e lo studio degli
astrobiologi.
Per ogni sistema planetario viene definita una fascia di abitabilità, in cui è più
probabile trovare condizioni adatte allo sviluppo della vita. Questa fascia dipende sia
dalla distanza del pianeta dalla stella, sia dal tipo di stella (vedi fig. 1).
Fig. 1 Fascia di
abitabilità nel
Sistema Solare
Tuttavia, la fascia di abitabilità costituisce soltanto un punto di inizio per la ricerca
di vita extraterrestre. Ricerche di esobiologia sono in corso anche nel Sistema Solare,
al di fuori della fascia di abitabilità.
Si cercano forme di vita elementare, molto semplici, come gli organismi estremofili
che vivono sulla Terra in condizioni “estreme”.
Gli astrobiologi pensano che semplici forme di vita potrebbero trovarsi sul satellite di
Giove Europa, su Titano, la maggiore delle lune di Saturno, o su Marte.
Per quanto riguarda Europa, si pensa che al di sotto della sua superficie ghiacciata
potrebbe esserci un oceano di acqua allo stato liquido con temperature prossime a
0°C.
Il modulo Huygens della sonda Cassini è atterrato su Titano, dove ha riscontrato che il
suolo ha la consistenza della sabbia bagnata ed è stata evidenziata anche la presenza
di un lago, non di acqua ma di metano.
Su Marte, la presenza di acqua, attuale o passata, può aver prodotto le condizioni per
la vita: si cercano strutture sedimentarie di origine organica.
Quali condizioni può sopportare la vita?
Il nostro Sistema Solare conta 8 pianeti e oltre 60 satelliti. Fino a oggi su nessun altro
corpo del nostro sistema planetario è stata scoperta alcuna forma di vita. Per cercare
altre forme di vita non possiamo che basarci su quelle che conosciamo qui sulla Terra.
Grazie alle moderne tecnologie, nelle ultime decadi sono state scoperte forme di vita
che riescono a svilupparsi in condizioni estremamente difficili e inospitali: a grandi
profondità sottomarine o sotterranee, ad alte temperature, in assenza di ossigeno, a
temperature estremamente basse.
Gli estremofili sono procarioti (cellule prive di nuclei).
Gli studi su questi organismi hanno aiutato gli esperti a ricostruire il percorso evolutivo
delle forme di vita più semplici.
Si conoscono diverse classi di estremofili:
acidofili: vivono in condizioni di elevata acidità;
alofili: abitano in ambienti altamente salini;
basofili: si trovano in condizioni di elevata alcalinità;
termofili: si trovano ad alte temperature (fino a 80 °C);
ipertermofili: vivono a temperature molto alte;
piezofili: vivono sottoposti ad alta pressione idrostatica.
Il Grand Prismatic Spring, nel parco nazionale di Yellowstone. La
colorazione brillante è in parte dovuta alla presenza di termofili.
C'è vita in altri mondi?
Come si può fare a scoprire se c'è vita nell'Universo?
Sono stati fatti diversi tentativi per comunicare con un'eventuale civiltà extraterrestre
evoluta, alcuni di questi hanno costituito più un simbolo che una reale speranza di
mettersi in contatto con “gli altri”.
Sulla sonda Pioneer 11 è stata installata una placca in titanio
(fig. 2) con una serie di simboli con l'intento di far capire chi
siamo e dove ci troviamo nell'Universo. La sonda, dopo esser
stata inviata fuori dal piano del Sistema Solare, viaggia,
diretta verso la costellazione dell'Aquila.
Fig. 2 Placca sulla Pioneer 11
Anche la sonda Voyager, terminata l'esplorazione dei pianeti del
Sistema Solare, sta proseguendo il suo viaggio, diretta verso la
costellazione dell'Ofiuco. A bordo è presente un disco d'oro
registrato che contiene immagini e suoni della Terra.
Per ovviare al problema delle grandi distanze, è stata costituita
negli anni '70 una rete di radiotelescopi “in ascolto” di eventuali
segnali radio provenienti da civiltà evolute: il progetto SETI
(Search
for
Extra-Terrestrial
Intelligence).
Il
telescopio
di
Arecibo, che ha un diametro di 305 metri, nel 1974 ha inviato
un messaggio verso l'ammasso globulare M13. Il messaggio
viaggia alla velocità della luce, 300000 km/s, di gran lunga
superiore a quella di una sonda, ma anche così impiegherà
25000 anni per giungere a destinazione.
Resta comunque da chiedersi se da qualche parte una civiltà
evoluta quanto la nostra sia in ascolto e se mai sarà possibile
comunicare.
L'attività didattica
obiettivo
Tracce di vita è un laboratorio realizzato dallo staff di
Infini.to e condotto da un comunicatore scientifico.
L'attività si propone di
avvicinare gli studenti
Prerequisiti
al tema dell'esobiologia.
Competenze di tipo fisico-astronomico:
●
conoscere il Sistema Solare, i pianeti con i loro satelliti e
a chi è rivolto
gli altri corpi che ne fanno parte;
●
conoscere alcune caratteristiche dei principali corpi del
Sistema Solare: temperatura, atmosfera, gravità, tipo di
superficie,...
Alunni della scuola
secondaria di secondo
grado
Competenze di tipo biologico:
●
durata
riconoscere le caratteristiche che distinguono il vivente
dal non vivente (complessità, capacità di
“autoregolazione”).
Il laboratorio ha una
durata di circa un'ora
Obiettivi legati alle indicazioni
ministeriali per il curricolo didattico
parole chiave
●
saper identificare un problema pratico;
●
vita
●
saper formulare ipotesi per la soluzione di un problema;
●
metodo scientifico
●
comprendere gli stretti rapporti che legano tutti i
●
pianeti extrasolari
viventi, uomo compreso, tra loro e con l'ambiente in cui
●
atmosfera
vivono.
●
gravità
●
acqua
●
energia
Prima del laboratorio
Approfondimento: l'equazione di Drake
Nel 1961, l'astronomo statunitense Frank Drake suggerì un
In questa sezione
modo per stimare il numero di mondi all'interno della Via
suggeriamo alcune
Lattea caratterizzati da forme di vita intelligente in grado di
attività da svolgere in
produrre segnali radio rilevabili dalla Terra. Drake propose una
classe, con la guida
curiosa formula matematica che considerava i fattori in
dell'insegnante, che
gioco. Si tratta di un semplice prodotto di otto termini che, più
possono essere
di un significato fisico, fornisce un ottimo spunto di riflessione
propedeutiche al
sugli elementi chiave per comprendere le difficoltà di questa
laboratorio.
analisi.
Il calcolo dell'equazione di Drake è una stima: si parte quindi
da parametri ai quali si cerca di attribuire i valori di partenza il
più plausibile possibile. Una stima è diversa da una pura
congettura perché si vincolano le possibilità estrapolando dati
noti.
Occorre sottolineare che la stima è molto diversa dalla
probabilità. La probabilità rappresenta quanto spesso un
evento si verifica su una serie di prove e spesso si esprime in
percentuale. Una stima, invece, è rappresentata da un
numero. Per questo, definiamo l'equazione di Drake una stima.
Enrico Fermi, premio Nobel per la Fisica, spesso sfidato dai
suoi studenti su problemi di difficile approccio come questo
(come per esempio “quanti sono gli accordatori di pianoforte a
Chicago?”) introdusse proprio questo tipo di analisi.
“Spesso gli studenti credono che i problemi abbiano una
risposta esatta e che sia ricavabile in un solo modo. Le “Fermi
questions”
incoraggiano
approcci
diversi,
sottolineano
il
processo piuttosto che il risultato, e promuovono strategie di
risoluzione non convenzionali.” (Sheila Talamo Univ. Louisiana)
Di seguito è riportata la formulazione dell'equazione di
Drake:
N = Sgalassia* Fsole* Fp* Fab * Fvita* Fint* Fcom* L
dove:
●
N è il numero di civiltà tecnologicamente evolute che
potrebbero essere presenti nella nostra galassia;
●
Sgalassia è il numero totale di stelle della nostra galassia;
●
Fsole è la percentuale di stelle singole simili al Sole
presenti nella nostra galassia;
●
Fp è la percentuale di stelle di tipo solare che
effettivamente riesce a dare origine ad un sistema
planetario;
●
Fab è la percentuale di pianeti abitabili in un sistema
planetario;
●
Fvita è la percentuale di pianeti abitabili sui quali si
sviluppa effettivamente la vita;
●
Fint è la percentuale di pianeti che ospitano vita
intelligente;
●
Fcom
è
la
percentuale
di
società
intelligenti
che
sviluppano la capacità di comunicare con altri mondi;
●
L è la percentuale di civiltà tecnologicamente avanzate
che attualmente possono comunicare via radio.
FATTORE
DESCRIZIONE
STIMA NEGATIVA
STIMA
OTTIMISTICA
NUMERO DI STELLE
NELLA VIA LATTEA
(Sgal)
Questo numero si basa sulle
osservazioni delle stelle della
nostra Galassia e di altre galassie
valutate simili. La maggior parte
degli scienziati ritiene che tale
numero sia dell'ordine di 1011
100 000 000 000
600 000 000 000
PERCENTUALE DI
STELLE
APPROPRIATE
(Fsole)
Molti scienziati credono che una
stella sia adatta ad avere un
sistema planetario che ospiti la vita
se simile al Sole e quindi di tipo G.
Solo il 5% delle stelle della nostra
Galassia è di tipo G, il 10% è delle
vicine tipologie F e K. Circa il 50%
si trova in un sistema binario e per
questo motivo sono ritenute non
appropriate
5,00%
15%-45%
PRECENTUALE
DELLE STELLE
APPROPRIATE
DOTATE DI UN
SISTEMA
PLANETARIO
(Fp)
Non è detto che una stella abbia un
sistema planetario, la ricerca dei
pianeti extrasolari è cominciata dal
1995 e attualmente non sappiamo
quanto essi siano diffusi
5,00%
10%-50%
MEDIA DI PIANETI
ABITABILI IN UN
SISTEMA
PLANETARIO
(Fab)
L'unico esempio che abbiamo è il
Sistema Solare, nel quale si pensa
ci sia 1 pianeta abitabile su 8. In
realtà anche Marte e i satelliti
Titano ed Europa sono ipotetici
mondi abitabili
0,1
4
PERCENTUALE DI
PIANETI ABITABILI
CHE POSSONO
SVILUPPARE LA
VITA
(Fvita)
Il fatto che un pianeta sia abitabile
non significa che la vita si sia
sviluppata. Gli scienziati si dividono
tra quelli che pensano che la vita
sia un episodio estremamente raro
e quelli che invece pensano che sia
molto comune
0,00%
100,00%
PERCENTUALE DEI
PIANETI SUI QUALI
SI E' SVILUPPATA
VITA CON VITA
INTELLIGENTE
(Fint)
Sulla Terra, l'uomo ha sviluppato
l'intelligenza come forma di
vantaggio evoluzionistico. Questo
termine dipende da che cosa si
definisce per intelligenza e da
quanto il suo sviluppo sia usuale
0,00%
100,00%
PERCENTUALE DI
PIANETI CON
FORME DI VITA
INTELLIGENTE CHE
HA SVILUPPATO UN
SISTEMA DI
COMUNICAZIONE
RADIO
(Fcom)
La comunicazione con una forma di
vita intelligente prevede che si sia
sviluppata una forma di
comunicazione comune, come
quella attraverso le onde radio
0,00%
100,00%
PERCENTUALE DI
CIVLITÀ CHE
ATTUALMENTE
POSSONO
COMUNICARE VIA
RADIO
(L)
Una civiltà intelligente che ha
inviato un segnale radio milioni di
anni fa non è detto che sia ancora
in vita. Lo sviluppo di tecnologie
avanzate è collegata a una specie
duratura, oppure no?
0,00%
10,00%
LA MIA STIMA
Il laboratorio
1
Gli studenti vengono suddivisi in gruppi di lavoro. Ad
ognuno, vengono distribuiti dei modelli di sistemi
planetari. Ogni modello è costituito da una stella e da
una serie di pianeti di diverse dimensione e distanza
dalla
stella.
Gli
studenti
utilizzando
strumenti
Nel laboratorio
si impara...
scientifici e in base ai dati raccolti, devono dedurre
quali siano i pianeti situati nella fascia di abitabilità. Le
caratteristiche da analizzare sono la tipologia della
stella, le dimensioni dei pianeti e la loro distanza dalla
a utilizzare e valutare
●
modelli per simulare
stella, la presenza di elementi chimici o molecole più
fenomeni e a utilizzare
abbondanti sui corpi planetari.
strumenti appropriati;
ad affrontare il concetto
●
di distanza e il concetto
di misura in un contesto
astronomico in
2
Infine, in base al pianeta selezionato, I gruppi saranno
particolare riferiti al
chiamati a raccoglire e analizare al microscopio ottico
Sistema Solare;
un piccolo campione ipotetico di superficie del corpo
●
quali sono le condizioni
celeste. Nel campione proveniente dal pianeta con le
che permettono lo
caratteristiche ideali per ospitare la vita, verranno
sviluppo della vita su un
osservati
pianeta;
dal
vero
micro-organismi
viventi
che
potrebbero simulare, per dimensioni ed ecologia, le
eventuali forme di vita che cerchiamo su altri mondi.
●
utilizzare il metodo
scientifico.
Tornando in classe...
In questa sezione
Attività 1: Alla ricerca di vita
nell'Universo
suggeriamo alcune
attività da svolgere
dopo il ritorno in
Tornati in classe, dopo la visita a Infini.to, analizziamo le
classe, con la guida
dimensioni e le composizioni chimiche dei pianeti e dei
dell'insegnante, per
rispettivi satelliti più conosciuti del Sistema Solare. Lo
approfondire e
scopo dell'attività è valutare quali di questi corpi celesti
sistematizzare gli
possano, almeno a livello teorico, ospitare la vita grazie
argomenti trattati
alle loro condizioni chimico-fisiche. Gli studenti, per
presso Infini.to.
integrare la loro ricerca, possono anche raccogliere
informazioni in merito alle esplorazioni spaziali effettuate
nel corso degli ultimi decenni sui diversi corpi del Sistema
Solare, missioni che ci hanno permesso di ottenere
informazioni relative alle caratteristiche dei luoghi visitati.
Il laboratorio e...
...gli exhibit del museo
Suggeriamo alcuni
Nuovi occhi per vedere l'Universo
exhibit del museo e
Questo exhibit al piano -1 permette di osservare l'Universo in
spettacoli in planetario
tutte le lunghezze d'onda della radiazione elettromagnetica.
che trattano argomenti
particolarmente
Pedalando tra le galassie
inerenti all'attività di
Con una bicicletta virtuale, viaggiamo attraverso l'Universo alla
laboratorio.
scoperta di una grande varietà di galassie.
Big Bang
Un pannello illustra l'evoluzione dell'Universo dal Big Bang alla
formazione del Sistema Solare.
...gli spettacoli in planetario
Altre stelle altri pianeti
Viaggiamo tra le orbite dei pianeti del Sistema Solare per
conoscerne da vicino le principali caratteristiche. Andiamo
quindi alla ricerca di altre stelle e altri pianeti e scopriamo
che il nostro sistema planetario non è unico nella nostra
galassia. Dalle tecniche utilizzate per la loro scoperta
all’analisi delle caratteristiche necessarie per poter ospitare
forme di vita, il percorso ci avvicina alle nuove frontiere della
ricerca astronomica.
La vita delle stelle
Dall'osservazione del cielo riusciamo a trarre molte e
importanti informazioni sugli oggetti celesti. Indaghiamo
come nascono le stelle, quali meccanismi caratterizzano la
loro esistenza e quale può essere la loro fine. Un percorso tra
luminosità, dimensioni, temperatura ed evoluzione stellare
per comprendere meglio i segreti dell'Universo.
Bibliografia e sitografia
GIANCARLO GENTA
Incontri lontani, Lindau, Torino 2009
GALLETTA G., SERGI V.
Astrobiologia: le frontiere della vita, Hoepli, Milano 2005
CESARE GUAITA
Alla ricerca della vita nel Sistema Solare, Casa Editrice Sirio Sr, 2005
LUIGI BIGNAMI, GIANLUCA RANZINI, DANIELE VENTUROLI
La vita nell'universo, Mondadori, 2003
Il sito didattico dell'ESA:
http://www.esa.int/SPECIALS/Education/
Il sito della NASA dedicato ai programmi in astrobiologia:
http://astrobiology.nasa.gov/
Il sito della NASA per gli studenti:
http://www.nasa.gov/audience/forstudents/index.html
Il sito della NASA per i docenti:
http://www.nasa.gov/audience/foreducators/index.html
NASA TV:
http://www.nasa.gov/multimedia/nasatv/
Il sito didattico dell'ASI:
http://www.asi.it/it/educational