dove sono gli altri? laboratorio per la scuola secondaria · di che cosa ha bisogno la vita per...
TRANSCRIPT
Dove sono gli altri?
Laboratorio per la scuola secondaria
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 possono
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.
Dove sono gli altri?
Laboratorio per la scuola secondaria
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
permettere 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 extraterrestre.
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.
“Dove sono gli altri?”. Con questa domanda rispose
uno di più grandi scienziati del secolo scorso,
Enrico Fermi, a chi lo interrogò sulla possibile
esistenza di forme di vita extraterrestri intelligente.
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.
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 per
compiere 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).
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 elementari, 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
possa 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.
Fig. 1 - Fascia di abitabilità nel Sistema Solare
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 sulle caratteristiche di 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 “intelligente” 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.
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.
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 che
contiene immagini e suoni della Terra.
Fig. 2 - Placca sulla Pioneer 11
L'attività didattica
“Dove sono gli altri?” è un laboratorio realizzato dallo staff
di Infini.to e condotto da un comunicatore scientifico.
obiettivo
durata
parole chiave
Il laboratorio ha una durata di circa un'ora.
L'attività si propone di avvicinare i ragazzi,
attraverso un gioco di ruolo, al tema
dell'esobiologia.
a chi è rivolto
Alunni della scuola secondaria.
Prerequisiti
Competenze di tipo fisico-astronomico:
● conoscere il Sistema Solare, i pianeti con i loro
satelliti e gli altri corpi che ne fanno parte;
● conoscere alcune caratteristiche dei principali corpi
del Sistema Solare: temperatura, atmosfera, gravità,
tipo di superficie,...
Obiettivi legati alle indicazioni ministeriali per il curricolo didattico
● saper identificare un problema pratico;
● saper formulare ipotesi per la soluzione di un
problema;
● comprendere gli stretti rapporti che legano tutti i
viventi, uomo compreso, tra loro e con l'ambiente in
cui vivono.
● vita● metodo scientifico● pianeti extrasolari● atmosfera● gravità● acqua● energia
Competenze di tipo biologico:
● riconoscere le caratteristiche che permettono di
distinguere il vivente dal non vivente (complessità,
capacità di “autoregolazione”).
Prima del laboratorio
In questa sezione suggeriamo alcune
attività da svolgere in classe, con la guida dell'insegnante, che
possono essere propedeutiche al
laboratorio.
Approfondimento: l'equazione di DrakeApprofondimento: l'equazione di Drake
Nel 1961, l'astronomo statunitense Frank Drake suggerì un
modo per stimare il numero di mondi all'interno della Via
Lattea caratterizzati da forme di vita intelligente in grado di
produrre segnali radio rilevabili dalla Terra. Drake propose una
curiosa formula matematica che considerava i fattori in
gioco. Si tratta di un semplice prodotto di otto termini che, più
di un significato fisico, fornisce un ottimo spunto di riflessione
sugli elementi chiave per comprendere le difficoltà di questa
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)
N = Sgalassia
* Fsole
* Fp* F
ab * F
vita* F
int* F
com* L
Di seguito è riportata la formulazione dell'equazione di Drake:
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.
Il laboratorio
Nel laboratoriosi impara...
● quali sono le condizioni che permettono lo sviluppo della vita su un pianeta;
● utilizzare il metodo scientifico;
● quali sono le difficoltà che gli scienziati incontrano nella ricerca della vita extraterrestre.
11 Si comincia da una storia: forme di vita di un lontano
pianeta che orbita intorno ad una stella che sta per
morire diventando una gigante rossa, devono scegliere
l'habitat più adatto, tra tutti quelli possibili nel Sistema
Solare, per potersi trasferire. Partendo da questo
assunto immaginario il conduttore dell'attività coinvolge
gli studenti in un gioco di ruolo finalizzato a
comprendere quali sono le condizioni che permettono
l'esistenza della vita.
22 Gli studenti, divisi in gruppi, devono comprendere
com'è fatta la propria forma di vita, in base alle
caratteristiche del pianeta di provenienza e superare
una serie di prove finalizzate alla raccolta di
informazioni sul Sistema Solare.
33 Nella fase finale, ogni gruppo, mettendo a frutto il
risultato delle prove precedenti, deve scegliere qual è
il corpo del Sistema Solare più adatto alla sua forma di
vita. Ci sarà un luogo adatto? E se sì, quali sono le
probabilità di arrivare a destinazione?
Quest'ultima parte è uno spunto per riflettere, insieme
al conduttore dell'attività, sulle possibilità di ipotetici
viaggi interstellari e quindi sulle difficoltà, anche solo
di comunicazione, con un'eventuale civiltà
extraterrestre.
Tornando in classe...
Attività 1: l'equazione di DrakeAttività 1: l'equazione di DrakeIn questa sezione
suggeriamo alcune attività da svolgere
dopo il ritorno in classe, con la guida dell'insegnante, per
approfondire e sistematizzare gli argomenti trattati presso Infini.to.
Nell'Universo ci sono forme di vita intelligente con cui
siamo in grado di comunicare? Nel 1961 l'astronomo
americano Frank Drake elaborò un sistema per stimare,
all'interno della Via Lattea, il numero di mondi
caratterizzati da forme di vita intelligente in grado di
produrre segnali radio rilevabili dalla Terra.
Drake individuò una formula costituita da otto fattori
moltiplicati tra loro: l'equazione di Drake (vedi scheda
“Prima del laboratorio”).
Nella tabella della pagina seguente trovi una descrizione
dei vari fattori e un intervallo di riferimento per ciascuno.
Il valore da attribuire dipende da te e dalla tua analisi
personale.
Leggi con attenzione, attribuisci a ogni fattore un valore
numerico, calcola il prodotto e alla fine otterrai il risultato
dell'equazione di Drake secondo la tua stima.
In classe, confronta questo risultato con quello dei tuoi
compagni: a che cosa sono dovute le differenze? Quali
termini dell'equazione sono stati valutati diversamente?
Perché?
FATTORE DESCRIZIONE STIMA NEGATIVA STIMA OTTIMISTICA
LA MIA STIMA
NUMERO DI STELLE NELLA VIA LATTEA(S
gal)
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(F
sole)
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%
PERCENTUALE DELLE STELLE APPROPRIATE DOTATE DI UN SISTEMA PLANETARIO(F
p)
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(F
ab)
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(F
vita)
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(F
int)
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(F
com)
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 CIVILTÀ 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%
Il laboratorio e...
...gli exhibit del museo...gli exhibit del museo
...gli spettacoli in planetario...gli spettacoli in planetario
Suggeriamo alcuni exhibit del museo e
spettacoli in planetario che trattano argomenti
particolarmente inerenti all'attività di
laboratorio.
Nuovi occhi per vedere l'Universo
Questo exhibit al piano -1 permette di osservare l'Universo in tutte
le lunghezze d'onda della radiazione elettromagnetica.
Pedalando tra le galassie
Con una bicicletta virtuale, viaggiamo attraverso l'Universo alla
scoperta di una grande varietà di galassie.
Big Bang
Un pannello illustra l'evoluzione dell'Universo dal Big Bang alla
formazione del Sistema Solare.
Calendario cosmico
La storia dell'universo è condensata in un anno terrestre: al primo
gennaio il Big Bang, a Capodanno, oggi. Distribuire 14 miliardi di
evoluzione in un solo anno terrestre permette di avere in un solo
colpo d'occhio tutta la storia dell'universo, scandita nelle sue tappe
fondamentali. In particolare, la storia della specie umana occupa
solo l'ultimo minuto dell'ultimo giorno dell'anno.
Altre stelle altri pianeti
Un itinerario virtuale che dal Sistema Solare ci porta alla scoperta
di altri sistemi planetari presenti 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
BIBLIOGRAFIA
Incontri lontaniGiancarlo GentaLindau, 2009
Astrobiologia: le frontiere della vitaGiuseppe Galletta, Valentina Sergi Hoepli, 2005
Alla ricerca della vita nel Sistema SolareCesare Guaita Casa Editrice Sirio Sr, 2005
La vita nell'universoLuigi Bignami, Gianluca Ranzini, Daniele Venturoli Mondadori, 2003
SITOGRAFIA
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