FORMARSI AGGIORNARSI CONDIVIDERE. I webinar per gli insegnanti di matematica e scienze

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1 FORMARSI AGGIORNARSI CONDIVIDERE I webinar per gli insegnanti di matematica e scienze

2 Chimica ed evoluzione: un percorso interdisciplinare per le scienze naturali Dalle proprietà della materia allo sviluppo degli ecosistemi 4 novembre 2015 Relatore: Enzo Laurenti

3 Introduzione L evoluzione non è un fatto puramente biologico: le modificazioni degli organismi viventi e dell ambiente sono strettamente correlate Interi ecosistemi cambiano nel tempo sotto la spinta della pressione indotta dalla disponibilità di materia ed energia Analizzare queste situazioni anche con l aiuto delle discipline che si occupano delle proprietà della materia (fisica, chimica, scienze della Terra) e in una prospettiva storica permette di ottenere un quadro più completo e corretto degli eventi Questo approccio ha anche una valenza didattica: la multidisciplinarità è una delle strade migliori per sviluppare la didattica per competenze

4 Introduzione Formazione della Terra (4,5 miliardi di anni) Selezione chimica (3,5 miliardi di anni) Fotosintesi (3 miliardi di anni) Pesci-ghiaccio (da 30 milioni di anni) Homo sapiens (da 1 milione di anni) Oggi (N.B.: Le date sono approssimative)

5 Selezione chimica: considerazioni iniziali Sulla Terra tutti gli organismi viventi sono costituiti dallo stesso tipo di sostanze basate sulla chimica del carbonio. C è stata quindi una selezione chimica che ha preceduto la formazione dei primi organismi viventi e la selezione biologica? E la scelta è stata obbligata o casuale?

6 Selezione chimica: abbondanza Esistono poco più di un centinaio di elementi chimici, molti però sono molto poco abbondanti sulla Terra H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Lantanidi: Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Attinidi: Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Bi Ce Elementi instabili e/o artificiali Elementi pesanti e perciò rari Be He Elementi di difficile sintesi Elementi volatili

7 Selezione chimica: gli elementi essenziali L elenco degli elementi rimasti coincide con quello degli elementi chimici essenziali per i viventi (dati sperimentali). H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Lantanidi: Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Attinidi: Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Elementi principali: H, C, N, O, P, S Macrominerali: Na, K, Mg, Ca, Cl Elementi in tracce: Fe, Cu, Zn Elementi in ultra tracce: metalli e non metalli

8 Selezione chimica: elementi fondamentali? Altri criteri da considerare sono: stabilità dei composti, solubilità in acqua, disponibilità, stati di ossidazione e altre proprietà chimiche. H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Lantanidi: Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Attinidi: Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Al Elementi non solubili C Elementi rimanenti H Elementi con pochi stati di ossidazione stabili B Elementi non in grado di formare molecole complesse

9 Selezione chimica: conclusioni La vita sulla Terra ha una matrice chimica comune perché solo alcuni elementi chimici hanno le caratteristiche adatte alla costruzione di molecole complesse He B C N O F Ne Stabilità Abbondanza Al Si P S Cl Ar Zn Ga Ge As Se Br Kr Disponibilità Proprietà chimiche

10 Fotosintesi: la storia La fotosintesi compare circa 3 miliardi di anni fa in alcune linee di batteri come capacità di utilizzare l energia luminosa per la sintesi di molecole Consiste in due processi separati: La fase luminosa: cattura dell energia e sintesi di ATP La fase oscura: consumo di ATP per produrre molecole organiche per riduzione di CO 2 La fase luminosa richiede: Un fotosistema per la cattura della luce Una macchina per la sintesi di ATP: ATP sintetasi (ATPasi) Un sistema di trasferimento di elettroni

11 Fotosintesi: la fotosintesi clorofilliana L ATPasi è alimentata da un flusso di protoni (H + ) che i batteri fotosintetici producono per ossidazione di varie sostanze (CH 4, H 2 S, NH 3, ecc.) Chloroflexus (batterio verde non-sulfureo) Rhodospirillum (batterio purpureo) Chlorodium (batterio verde sulfureo) Heliobacterium (eliobatterio) Nostoc (cianobatterio) Un gruppo di batteri (cianobatteri), dotato di un nuovo fotosistema, riesce ad utilizzare la luce solare per produrre protoni ed elettroni dall acqua: 2H 2 O O 2 + 4H + + 4e-

12 Fotosintesi: l ossigeno molecolare Il vantaggio evolutivo dei cianobatteri li porta ad una rapida e costante espansione. L incremento di biomassa fotosintetica aumenta la quantità di prodotto di scarto del processo: l ossigeno molecolare (O 2 ). La molecola di ossigeno, molto reattiva, inizia un lungo e inesorabile processo di cambiamento della composizione chimica degli oceani, della crosta terrestre e dell atmosfera.

13 Fotosintesi: l effetto sul pianeta L ossigeno molecolare ossida le sostanze disciolte nei mari, modificandone drasticamente le caratteristiche: I solfuri poco solubili che rendevano le acque torbide e scure si trasformano in solfati solubili. L azoto non è più disponibile come ammoniaca (NH 3 ) Tutte le fonti di carbonio tendono a trasformarsi in CO 2, che inizia a precipitare come carbonato di calcio (CaCO 3 ) Alcuni metalli essenziali diventano disponibili (rame), altri non lo sono più (ferro) Successivamente, l ossigeno molecolare inizia a disperdersi nell atmosfera e a reagire con le sostanze della crosta terrestre Infine inizia ad accumularsi nell atmosfera modificandone la composizione

14 Fotosintesi: le conseguenze sui viventi Il cambiamento della composizione chimica degli ecosistemi provoca l evoluzione degli organismi viventi: Inizialmente O 2 è un veleno da cui proteggersi: compartimentazione e comparsa delle cellule eucariote Poi diventa una risorsa da sfruttare: respirazione cellulare e aerobiosi Eucarioti Alghe Cianobatteri (Xiong J., Bauer C.E., Annu. Rev. Plant Biol. 2002, 53, 503)

15 Fotosintesi: conclusioni La fotosintesi è l esempio più eclatante di interazioni reciproche ambiente-organismi viventi L intero processo evolutivo degli ultimi 2,5 miliardi di anni è dipeso dalla fotosintesi clorofilliana. La clorofilla è, di fatto, la specie chimica più importante sulla Terra. La composizione chimica della superficie terrestre, degli oceani e dell aria è la conseguenza diretta dell affermazione evolutiva degli organismi fotosintetici

16 I pesci-ghiaccio: il clima dell oceano australe Temperature delle acque dell oceano australe misurate alla stazione McMurdo (Cheng e Dietrich, Phil. Trans. R. Soc. B 2007, 362, 2215)

17 I pesci-ghiaccio: la scoperta I marinai delle baleniere iniziano a raccontare di aver pescato pesci senza sangue, o blodless-fisk. La prima osservazione certa è del norvegese D. Rustad. Ditlef Rustad (dicembre 1927) I pesci senza-sangue, o pesci-ghiaccio (ice fishes) somigliano a rettili e hanno carni molto chiare.

18 I pesci-ghiaccio: le particolarità del sangue Nel 1954 J. Ruud esamina il primo campione di sangue di questi pesci e verifica la completa assenza di globuli rossi Photo by K. O Brien Sono i primi vertebrati in cui non vengono osservati sistemi di trasporto dell ossigeno. Come sopravvivono?

19 I pesci-ghiaccio: gli adattamenti al clima (1) Gli adattamenti fisiologici dei pesci-ghiaccio hanno delle basi chimico-fisiche collegate alle basse temperature dell acqua: 1. Aumento della solubilità dell ossigeno (O 2 ) 2. Aumento della viscosità del sangue L effetto combinato di questi due fattori ha provocato nel tempo: 1. Una progressiva diminuzione del numero di globuli rossi, sino alla perdita del gene che codifica l emoglobina 2. Un progressivo assottigliamento della pelle e la perdita delle squame (per favorire gli scambi gassosi) 3. L aumento delle dimensioni del cuore e dei vasi sanguigni per favorire la circolazione e impedire congelamenti

20 I pesci-ghiaccio: gli adattamenti al clima (2) La temperatura dell acqua al di sotto di zero gradi centigradi rende costante il pericolo di congelamenti. I pesci-ghiaccio limitano questo rischio attraverso due modalità: 1. Aumentando la concentrazione di sali nei fluidi corporei, abbassandone quindi il punto di congelamento 2. Esprimendo grandi quantità di proteine antigelo, che impediscono la formazione di macro-cristalli di ghiaccio nei fluidi corporei e nelle cellule Proteina antigelo Cristalli di ghiaccio

21 Homo sapiens: il fuoco La cultura e la tecnologia umane influenzano il nostro pianeta da molto più tempo di quanto ci sembra. Scavi in Sud Africa mostrano ad esempio come l Homo erectus fosse in grado di controllare il fuoco già circa 1 milione di anni fa. (F. Berna, et al. PNAS-USA 2012, 109, E1215)

22 Homo sapiens: la manipolazione di sostanze E come l Homo sapiens fosse capace ( anni fa) di preparare cosmetici miscelando pigmenti e oli in strumenti concepiti appositamente (C.S. Henshilwood, et al. Science 2011, 334, 219)

23 Homo sapiens: il consumo di materie prime Applicazione Metalli per stoviglie, oggetti, conio, armi Metalli per costruzione e trasporto Preistoria (< 2500 A.C.) Era preindustriale (2500 A.C.-1750) Era industriale ( ) Cu, Au Fe, Zn, Ag, Sn, Pb Al, Ni, Mo, W Zr, Nb Al, Cr, Mn, Fe Alta tecnologia (dopo il 1940) Be, Mg, Ti Carburanti ed esplosivi C N, S H U, Pu, Th Vetri, ceramiche e refrattari Na, Al, Si, Ca Pb Mg, Zr, Th Li, B, La-Lu Pigmenti e coloranti Fe Al, Co, Cu, Cd, Hg,Pb Ni, Zn, As, Se Farmaceutica C, N, O, H S, As, Sb, Hg Bi, Br, I, Ra Li, Pt Fertilizzanti e pesticidi N, K, P, Cl, As, S, B, Br, Hg, Cu Industria chimica Elettricità ed elettronica C, N, F, Na, S, Cl, K, Hg, Pt Fe, Cu, In, Pb, W N.B.: Da sinistra a destra, ciascuna colonna va aggiunta alla precedente (più antica) Ti Sn Ar, Rh, Ba, La-Lu, Re Si, Ga, Ge, As, Li, Cd, Ni, Se, Ta, Ir

24 Homo sapiens: conclusioni L evoluzione umana segue regole diverse, ma dipende anch essa dalla disponibilità di risorse (materia ed energia) Risorse disponibili Aumento della popolazione Evoluzione umana Aumento delle conoscenze Aumento delle risorse sfruttabili Miglioramento della tecnologia

25 Grazie a tutti per l attenzione

26 Informazioni utili Gli attestati di partecipazione vi saranno inviati via Riceverete nella medesima le istruzioni per scaricare, dal sito Pearson, i materiali presentati oggi

27 Prossimi appuntamenti 17 novembre2015 Il nuovo Esame di Stato. La prova di Fisica: un approccio orientato alle competenze Relatore: Giuseppe De Ninno

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