Dove sono gli altri? Laboratorio per la scuola secondaria Premessa per i docenti

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1 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.

2 Dove sono gli altri? Laboratorio per la scuola secondaria 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. 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.

3 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.

4 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.

5 Che cosa rende un pianeta abitabile? La conferma della scoperta del primo pianeta extrasolare è avvenuta nel 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 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.

6 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.

7 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. Fig. 2 - Placca sulla Pioneer 11 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. 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. 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, km/s, di gran lunga superiore a quella di una sonda, ma anche così impiegherà 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.

8 L'attività didattica Dove sono gli altri? è un laboratorio realizzato dallo staff di Infini.to e condotto da un comunicatore scientifico. Prerequisiti obiettivo L'attività si propone di avvicinare i ragazzi, attraverso un gioco di ruolo, al tema dell'esobiologia. 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,... a chi è rivolto Alunni della scuola secondaria. Competenze di tipo biologico: riconoscere le caratteristiche che permettono di distinguere il vivente dal non vivente (complessità, capacità di autoregolazione ). durata 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; 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

9 Prima del laboratorio Approfondimento: 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. In questa sezione suggeriamo alcune attività da svolgere in classe, con la guida dell'insegnante, che possono essere propedeutiche al laboratorio. 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)

10 Di seguito è riportata la formulazione dell'equazione di Drake: N = S galassia * F sole * F p * F ab * F vita * F int * F com * L dove: N è il numero di civiltà tecnologicamente evolute che potrebbero essere presenti nella nostra galassia; S galassia è il numero totale di stelle della nostra galassia; F sole è la percentuale di stelle singole simili al Sole presenti nella nostra galassia; F p è la percentuale di stelle di tipo solare che effettivamente riesce a dare origine ad un sistema planetario; F ab è la percentuale di pianeti abitabili in un sistema planetario; F vita è la percentuale di pianeti abitabili sui quali si sviluppa effettivamente la vita; F int è la percentuale di pianeti che ospitano vita intelligente; F com 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.

11 Il laboratorio 1 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 Nel laboratorio si impara... l'esistenza della vita. 2 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. 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. 3 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.

12 Tornando in classe... Attività 1: l'equazione di Drake 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. 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. 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?

13 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 PERCENTUALE DI STELLE APPROPRIATE (F sole ) PERCENTUALE DELLE STELLE APPROPRIATE DOTATE DI UN SISTEMA PLANETARIO (F p ) MEDIA DI PIANETI ABITABILI IN UN SISTEMA PLANETARIO (F ab ) PERCENTUALE DI PIANETI ABITABILI CHE POSSONO SVILUPPARE LA VITA (F vita ) PERCENTUALE DEI PIANETI SUI QUALI SI E' SVILUPPATA VITA CON VITA INTELLIGENTE (F int ) 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 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 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 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 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 5,00% 15%-45% 5,00% 10%-50% 0,1 4 0,00% 100,00% 0,00% 100,00% PERCENTUALE DI PIANETI CON FORME DI VITA INTELLIGENTE CHE HA SVILUPPATO UN SISTEMA DI COMUNICAZIONE RADIO (F com ) PERCENTUALE DI CIVILTÀ CHE ATTUALMENTE POSSONO COMUNICARE VIA RADIO (L) La comunicazione con una forma di vita intelligente prevede che si sia sviluppata una forma di comunicazione comune, come quella attraverso le onde radio 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% 100,00% 0,00% 10,00%

14 Il laboratorio e......gli exhibit del museo 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. Suggeriamo alcuni exhibit del museo e spettacoli in planetario che trattano argomenti particolarmente inerenti all'attività di laboratorio. 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....gli spettacoli in planetario 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.

15 Bibliografia e sitografia BIBLIOGRAFIA Incontri lontani Giancarlo Genta Lindau, 2009 Astrobiologia: le frontiere della vita Giuseppe Galletta, Valentina Sergi Hoepli, 2005 Alla ricerca della vita nel Sistema Solare Cesare Guaita Casa Editrice Sirio Sr, 2005 La vita nell'universo Luigi Bignami, Gianluca Ranzini, Daniele Venturoli Mondadori, 2003 SITOGRAFIA Il sito didattico dell'esa: Il sito della NASA dedicato ai programmi in astrobiologia: Il sito della NASA per gli studenti: Il sito della NASA per i docenti: NASA TV: Il sito didattico dell'asi:

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