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

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.

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.

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).

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.

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 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.

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

registrato che contiene immagini e suoni della Terra.

Fig. 2 Placca sulla Pioneer 11

L'attività didattica

Tracce di vita 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 gli studenti

al tema dell'esobiologia.

a chi è rivolto

Alunni della scuola

secondaria di secondo

grado

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 distinguono 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.

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%

PRECENTUALE 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 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%

Il laboratorio

Nel laboratoriosi impara...

● quali sono le condizioni

che permettono lo

sviluppo della vita su un

pianeta;

● utilizzare il metodo

scientifico.

11

22

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

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

stella, la presenza di elementi chimici o molecole più

abbondanti sui corpi planetari.

Infine, in base al pianeta selezionato, I gruppi saranno

chiamati a raccoglire e analizare al microscopio ottico

un piccolo campione ipotetico di superficie del corpo

celeste. Nel campione proveniente dal pianeta con le

caratteristiche ideali per ospitare la vita, verranno

osservati dal vero micro-organismi viventi che

potrebbero simulare, per dimensioni ed ecologia, le

eventuali forme di vita che cerchiamo su altri mondi.

● a utilizzare e valutare

modelli per simulare

fenomeni e a utilizzare

strumenti appropriati;

● ad affrontare il concetto

di distanza e il concetto

di misura in un contesto

astronomico in

particolare riferiti al

Sistema Solare;

Tornando in classe...

Attività 1: Alla ricerca di vitaAttività 1: Alla ricerca di vitanell'Universonell'Universo

In 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.

Tornati in classe, dopo la visita a Infini.to, analizziamo le

dimensioni e le composizioni chimiche dei pianeti e dei

rispettivi satelliti più conosciuti del Sistema Solare. Lo

scopo dell'attività è valutare quali di questi corpi celesti

possano, almeno a livello teorico, ospitare la vita grazie

alle loro condizioni chimico-fisiche. Gli studenti, per

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...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.

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