IBSE e natura della scienza: raccontare una bella storia (ultima parte)

Che ne pensate? Mentre i nostri ragazzi studiano la cellula, l’evoluzione, la genetica, la tettonica delle placche o la tavola periodica oltre ad imparare concetti assolutamente fondamentali stanno comprendendo anche cosa sia la scienza?

Quanto è importante comprenderne davvero la natura? Per formare i cittadini di domani, o magari i futuri scienziati, è sufficiente conoscere i “prodotti” della scienza o è altrettanto fondamentale comprenderne i “processi”?

Quando un giorno i ragazzi si troveranno a dover prendere decisioni per la loro vita come ad esempio decidere se il cibo Ogm è sicuro o meno, se vale la pena spendere i propri risparmi per istallare un impianto fotovoltaico sul tetto della propria abitazione o se il tanto discusso cambiamento climatico è qualcosa di cui preoccuparsi davvero o meno, pensate che sarà sufficiente aver studiato a scuola cosa siano OGM, energia o atmosfera? Temo di no.

Al di là delle opinioni personali, le ricerche ci invitato a riflettere sull’importanza di lavorare di più anche su questo aspetto dell’apprendimento delle scienze. Per essere cittadini dotati di literacy scientifica non solo è necessario possedere le conoscenze scientifiche ma è altrettanto importante avere consapevolezza di come tali conoscenze sono state prodotte e anche quanto siano attendibili.

Ma è possibile comprendere la natura della scienza studiandone le caratteristiche in un paragrafetto di un libro di testo intitolato “il metodo scientifico”? L’ho già detto altre volte ma non sembra anche a voi che spesso si riduca tutto ad una ripetizione mnemonica di una serie di passaggi che per i ragazzi non significano assolutamente niente e che a volte portano addirittura ad una visione addirittura un po’ “dogmatica” della scienza?

La questione è così importante che i nuovi standard educativi americani (NGSS) esplicitano chiaramente non solo l’importanza di promuovere un apprendimento dei contenuti scientifici attraverso l’inquiry ma ogni standard presenta intrecci anche con la natura della scienza.

Le attività basate sull’inquiry, già molto “immerse” nei processi scientifici, sono sufficienti per comprendere veramente la natura della scienza?

Nei nuovi standard educativi si può leggere che, in realtà, può non bastare:

comprendere la natura della scienza richiede qualcosa di più che essere coinvolti in attività e condurre investigazioni (Appendice H, pag. 96).

I principi della natura della scienze devono essere insegnati in modo esplicito, ma questo non significa che debbano essere imparati a memoria. Ciò che si dovrebbe fare, invece, è  incorporare questo aspetto in tutte le attività di insegnamento.

Negli ultimi due post vi ho mostrato parti del mio percorso introduttivo alle scienze (“accoglienza” scientifica per le classi prime) focalizzato proprio sulla natura della scienza. La conclusione di queste attività ha previsto l’analisi di un caso di studio relativo alla storia della scienza che non solo ha permesso di comprendere da dove provengono le conoscenze scientifiche, ma anche di mettere in evidenza che le scoperte scientifiche derivano da sforzi creativi, che la conoscenza scientifica è provvisoria ma al contempo durevole e si basa su evidenze che provengono dal mondo naturale.

In fondo, cosa c’è di più bello che raccontare storie?

Immaginate di poter andare indietro nel tempo. 100 milioni di anni fa, il clima era caldo e umido e gli animali che dominavano la Terra erano molto diversi da quelli che conosciamo oggi.Dalle registrazioni fossili sappiamo che rettili giganti popolavano le terre emerse, pterosauri volanti solcavano i cieli e feroci mosasauri si aggiravano negli oceani in cerca di prede.

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Oggi sappiamo che questi animali non ci sono più, sono scomparsi. Perché? Cosa ha causato l’estinzione dei dinosauri? E come facciamo a saperlo?

Scrivete sul quaderno la tua risposta e preparati a discuterla con la classe.

Esplorare i processi della scienza

Verso la fine degli anni ’70 erano state formulate molte ipotesi per spiegare l’estinzione di massa avvenuta circa 65 milioni di anni fa, in cui si estinse quasi il 75% di tutte le specie viventi, vegetali e animali, tra cui anche i dinosauri. Tra le possibili cause di questa grande estinzione vi erano cambiamenti graduali o lenti nelle condizioni oceaniche, atmosferiche, climatiche, dovuti a coincidenze di fattori casuali o ciclici, ad un’inversione del campo magnetico terrestre, o un evento di supernova vicino al nostro sistema solare… Insomma molte possibili cause, molte prove indirette e nessun accordo tra gli scienziati.

Nel 1977, il geologo americano Walter Alvarez si trovava in Italia, a Gubbio, presso la Gola del Bottaccione, per  raccogliere campioni di roccia per una sua ricerca. Qui, Alvarez scoprì un piccolo strato di argilla spesso circa 1 cm, quasi del tutto privo di fossili e con una quantità insolitamente alta di alcuni elementi piuttosto rari sulla superficie terrestre, tra cui l’iridio. Questa scoperta avrebbe portato alle prime evidenze dirette del verificarsi di un evento insolito proprio nello stesso periodo di quella grande estinzione di massa.

Oggi sappiamo che questo sottile strato di argilla, che si trova tra strati di rocce di età diversa, segna la fine del periodo Cretacico (e quindi dell’era Mesozoica) e l’inizio dell’era Terziaria. Questo periodo di tempo è chiamato dai geologi limite K-T (dove K sta per Cretaceo e T per Terziario appunto) e corrisponde a circa 65 milioni di anni fa: proprio il momento in cui i dinosauri, insieme a molte altre specie animali e vegetali, scomparvero.

 

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Nella foto puoi vedere strati rocciosi (calcari e argille) che si sono formati milioni di anni fa sul fondo di un mare aperto e profondo. Questi strati si sono depositati lentamente nel tempo e poi, spinti da forze tettoniche, sono stati piegati e sollevati.

Studiando i fossili presenti in queste rocce, Walter Alvarez trovò che lo strato di calcari bianchi più antichi, che puoi vedere a destra nella foto sotto il piccolo strato di argilla grigia, conteneva una gran quantità di foraminiferi (microscopici organismi marini) di specie diverse, abbondanti e grandi come granelli di sabbia.

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Nel piccolo strato scuro di argilla, invece, questi organismi erano quasi del tutto assenti, mentre in quelli soprastanti più recenti, del Terziario, se ne trovavano solo poche specie, con dimensioni molto più piccole di quelle più antiche.

Come mai? Cosa può aver causato la scomparsa di questi piccoli foraminiferi? Cos’hanno a che fare questi foraminiferi con l’estinzione dei dinosauri?

Il piccolo strato di argilla, che come abbiamo detto oggi viene chiamato limite K-T, si è depositato in fondo all’oceano circa 65 milioni di anni fa, proprio nello stesso periodo in cui anche i dinosauri scomparvero.

Può esserci un legame tra questi fatti? Cosa è accaduto 65 milioni di anni fa?

Per rispondere a questa domanda i geologi non si sono limitati allo studio dei fossili. Le stesse osservazioni (che chiameremo evidenze scientifiche), infatti, possono essere interpretate in modi diversi e supportare, quindi, spiegazioni differenti (che chiameremo ipotesi).

Walter Alvarez e il suo team di scienziati (che includeva suo padre Luis Alvarez, Frank Asaro ed Helen Michel) scoprirono che queste rocce, formatesi in mare aperto e profondo, contenevano quantità di metalli del gruppo del Platino, tra cui l’iridio, insolitamente alte rispetto alla quantità normalmente presente sulla superficie terrestre (guarda sulla tavola periodica dove si trovano questi metalli!).

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Grazie a una tecnica chiamata analisi per l’attivazione neutronica, in grado di misurare con grande precisione gli elementi presenti in tracce in un campione, Alvarez e  il suo team riuscirono a determinarne la concentrazione: ben 30 volte più alta del solito!

Sulla superficie terrestre l’Iridio è un metallo molto raro, mentre si ritiene che sia presente in quantità maggiori all’interno della Terra, nel nucleo, dove probabilmente è sprofondato legandosi al ferro, un altro metallo molto denso, durante la fase di raffreddamento e differenziazione della Terra proprio a causa della sua densità elevata. Studi precedenti avevano mostrato, però, che, pur rimanendo sempre un elemento presente in tracce, era più facile trovare l’iridio in meteoriti e asteroidi e che la presenza di questo metallo negli strati di rocce sedimentarie avrebbe, quindi, potuto derivare dalle polveri che si formano nel momento in cui un meteorite attraversa l’atmosfera terrestre, depositatesi nei fondali oceanici.

La questione divenne ancora più interessante quando la stessa “anomalia” nella concentrazione di Iridio fu scoperta anche in strati rocciosi rinvenuti in Nuova Zelanda e in Danimarca, rispettivamente 160  e 20 volte maggiori rispetto alla norma, oltre che in altre zone del mondo. 

Perché 65 milioni di anni fa si è depositato così tanto Iridio in tutto il mondo? Cosa è successo?

Le analisi mostrarono che l’abbondanza di iridio era compatibile con una provenienza extraterrestre (meteorite o asteroide) e incompatibile con la concentrazione di questo metallo nella crosta, quindi diventava sempre più plausibile che l’iridio si fosse depositato sulla Terra a seguito di un evento catastrofico come l’impatto con una cometa o un asteroide o addirittura ad un evento di supernova (fase finale della vita di una stella di grande massa, che studieremo più avanti) vicino al sistema solare.

Impatto o esplosione di supernova?

L’esplosione di una supernova vicino al nostro sistema solare è un evento di per sé rarissimo ma fu presa in considerazione in quanto teoricamente possibile. Se 65 milioni di anni fa si fosse effettivamente verificata l’esplosione di una supernova, oltre all’iridio, le analisi avrebbero dovuto riscontrare anche altri elementi più pesanti tra cui il Plutonio-244, un isotopo molto raro, che, invece, non fu trovato se non come impurità.

Nel 1980, Alvarez e i suoi collaboratori pubblicarono sulla rivista Science le loro conclusioni in un articolo dal titolo “Extraterrestrial Cause for the Cretaceous-Tertiary Extinction” (Cause extraterrestri per l’estinzione del Cretaceo-Terziario): 65 milioni di anni fa un corpo di grandi dimensioni ha colpito la Terra, sollevando uno strato di polveri tale da circondare l’intero pianeta per mesi bloccando i raggi solari e, di conseguenza, anche la fotosintesi e questo fatto portò all’estinzione dei dinosauri e di molte altre forme di vita.

La comunità scientifica non accettò facilmente l’ipotesi dell’impatto di Alvarez, sostenendo, invece, un’ipotesi precedente secondo cui l’estinzione di massa fu causata dal cambiamento climatico prodotto da un’attività vulcanica massiva, a sostegno della quale c’erano le migliaia di km2 di rocce vulcaniche indiane note come Trappi del Deccan.

L’ipotesi di Alvarez aveva, in effetti, un punto debole: mancava la cosiddetta “pistola fumante”, ossia un cratere da impatto di età e dimensioni giuste, probabilmente del diametro di circa 200 km. Per molto tempo, gli scienziati cercarono questo cratere in lungo e in largo, ma senza successo. Inoltre, poiché  gli oceani ricoprono i 4/5 della superficie terrestre la probabilità che l’asteroide fosse caduto in mare era molto alta  e in questo caso il cratere non sarebbe mai stato trovato.

Ad un certo punto, però, nuove scoperte cominciarono a rafforzare l’ipotesi dell’impatto. Non riuscendo a trovare il cratere, le ricerche si erano concentrate sui possibili detriti che l’impatto con un asteroide avrebbe potuto produrre e lanciare nell’atmosfera. E così emersero nuove evidenze.  Vennero, ad esempio, ritrovate tracce di particolari rocce metamorfiche, che i geologi chiamano “impattiti”, in cui i cristalli di quarzo presenti (quarzo da shock o shocked quartz) assumono un aspetto particolare, striato, dovuto proprio all’ impatto con un meteorite o un asteroide.

Inoltre,  nello strato di argilla corrispondente al limite K-T, oltre all’anomala quantità di  iridio, sono state rinvenute microscopiche sferule ricristallizzate, ossia gocce di materiale roccioso fuso a seguito dell’impatto e ricondensate quando scagliate nell’atmosfera.

La svolta ci fu nel 1991, quando a Chixulub, nella penisola dello Yucatan, in Messico, sepolto sotto un chilometro di rocce sedimentarie carbonatiche del Terziario, fu finalmente trovato il cratere: metà sotto la terraferma e metà sotto al mare (Golfo del Messico), largo 180 km e profondo 20 km. A questo punto l’ipotesi di Alvarez, supportata da nuove evidenze, divenne la  più consistente.

Stando alle dimensioni del cratere, l’asteroide doveva avere un diametro di ben 10 km! Riesci a immaginarlo?

L’impatto con un corpo di queste dimensioni è in grado di liberare un’energia superiore a quella emessa da 10 milioni di bombe atomiche! Le conseguenze a livello locale furono sicuramente drammatiche ma quelle più gravi si ebbero su scala globale. È molto probabile, infatti, che la variazione nella quantità di luce solare dovuta al lancio di polveri nell’atmosfera distrusse la catena alimentare alla base, interrompendo la fotosintesi ed eliminando così i consumatori primari, ma questo fatto ebbe come conseguenza l’estinzione di tutti i vertebrati di peso superiore a 25 kg. Anche il clima cambiò drasticamente e ci furono forti diminuzioni delle temperature, produzione di piogge acide, insomma… una sorta di “inverno nucleare”.

Nonostante l’ ipotesi dell’impatto fosse supportata da numerose evidenze, per molto tempo parte della comunità scientifica ha continuato a rimanere scettica e a considerare anche altre ipotesi.

Nel marzo del 2010, però, un gruppo di 41 scienziati ha pubblicato un articolo, sempre sulla rivista Science, dal titolo “L’impatto dell’asteroide a Chicxulub e l’estinzione di massa al confine tra Cretaceo e Paleogene” (The Chicxulub Asteroid Impact and Mass Extinction at the Cretaceous-Paleogene Boundary), in cui è stata dichiarata la fine di una controversia durata 30 anni sulla possibile causa dell’estinzione dei dinosauri (asteroide o eruzioni vulcaniche). Dopo un’esauriente revisione di tutti i dati a disposizione, il verdetto è stato emesso a favore dell’ipotesi dell’impatto di un asteroide.

Adesso, in gruppo, provate a riflettere:

  1. Quali sono le osservazioni di partenza di questo caso di studio?
  2. Qual è la domanda suggerita dalle osservazioni iniziali?
  3. Quali sono le ipotesi formulate?
  4. Su quali dati si basano le diverse ipotesi?
  5. Le due ipotesi principali vengono verificate sperimentalmente?

 

Per saperne di più:

  • The day the Mesozoic died
  • Su segnalazione della collega Adele Riccetti: Le montagne di san Francesco. Perché nel cuore dell’Italia si nascondono i segreti della Terra (Collana Le terre), di Walter Alvarez (2010), Editore Fazi.

 

3 pensieri su “IBSE e natura della scienza: raccontare una bella storia (ultima parte)

  1. Bellissimo, grazie Barbara, ci offri materiali meravigliosi con i quali lavorare…te ne sono grati anche i miei studenti!
    Un abbraccio
    Adele

    Segnalo, per coloro che non lo conoscessero, un libro dal titolo “Le montagne di San Francesco”, nel quale proprio Walter Alvarez che ne è l’autore, racconta la storia del ritrovamento di cui Barbara ci parla.

    Piace a 1 persona

  2. Pingback: IBSE e natura della scienza: ragionare da scienziati. | IBSE e dintorni

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