Viaggio Scientifico: Scale Cosmiche ed Evoluzione della Vita

SCIENZA E I SUOI METODI

Scale e Distanze Cosmiche

1.10 Scala e Distanze Astronomiche

Nessuna delle rappresentazioni del sistema solare che appaiono in libri, riviste o immagini su internet rispetta le proporzioni delle loro dimensioni e distanze, e non potrebbe essere altrimenti. Se rappresentassimo il Sole alle dimensioni di un'arancia, la Terra sarebbe come la testa di uno spillo situata a 15 metri di distanza, Marte sarebbe un granello di sabbia a 23 metri, Giove sarebbe una ciliegia situata a 77 metri, e Nettuno un pisello, che si trova a 450 metri dall'arancia. C'è un enorme divario tra tutti questi corpi celesti.

1. Supponiamo di voler fare un modello del sistema solare alla scala descritta in un campo di calcio (le dimensioni sono 105 m di lunghezza x 70 m di larghezza). Si porrebbe l'arancia al centro e si supponga che le orbite planetarie siano circolari. Quante orbite di questi pianeti ci stanno?
2. Di quanto si dovrebbe ridurre la scala in modo che potesse rientrare l'orbita di Giove nel campo di calcio?
3. Quali di questi corpi celesti si potrebbero vedere dalla tribuna?

Soluzione:

1. Potrebbero rientrare solo le orbite dei pianeti interni: Mercurio, Venere, Terra e Marte.
2. La scala dovrebbe essere ridotta a qualcosa di meno della metà (circa il 45%).
3. A questa scala, si vedrebbe solo il Sole, e sarebbe molto difficile.

1.11 Distanze Planetarie in UA e Tempo Luce

Giove si trova a una distanza media dal Sole di 778 milioni di km, mentre Nettuno è a 4.497 milioni di km. A quanto corrisponde questa distanza in UA? Quanto tempo impiega la luce del Sole per raggiungere ciascuno di questi pianeti?

Soluzione:

Giove è a 5,18 UA, e Nettuno a 30 UA. La luce del Sole impiega 43 minuti per raggiungere Giove, mentre per Nettuno impiega 4 ore e 10 minuti.

1.12 Osservazione di Pianeti Extrasolari

Perché è più difficile vedere i pianeti extrasolari rispetto alle stelle?

Soluzione:

Dato che i pianeti sono più piccoli e, soprattutto, perché sono più freddi.

1.13 Scala della Via Lattea e Distanza tra Galassie

Se rappresentiamo la Via Lattea come un disco di 10 cm di diametro e mantenendo la scala, a che distanza dovremmo trovare la galassia più vicina? Considerando questa rappresentazione, sarebbe corretto dire che le galassie possono essere relativamente vicine tra loro?

Soluzione:

A questa scala, la galassia più vicina sarebbe situata a circa 8 cm e si può dire che sono relativamente vicine e che, in un ammasso di galassie, la distanza tra le singole galassie è un po' più piccola del diametro di ciascuna di esse.

1.14 Sintesi Prebiotica e Sfoghi Idrotermali

Supponiamo che in uno sfogo idrotermale si formino composti organici da inorganici. Questo è sufficiente a completare la sintesi prebiotica? Giustifica la risposta.

Soluzione:

No, non sarebbe sufficiente a completare la sintesi di materia organica prebiotica perché i composti organici verrebbero usati come nutrienti dai microrganismi.

L'Equazione di Drake e la Ricerca di Vita Extraterrestre

1.19 L'Equazione di Drake

L'astrofisico americano Frank Drake ha sviluppato un'equazione, nota come Equazione di Drake, per calcolare il numero di civiltà aliene comunicative che ci si aspetta nella nostra galassia. Approfondisci questa equazione.

Soluzione:

La formula proposta da F. Drake è: N = R* · fp · ne · fl · fi · fc · L.

Dove:

• N = Numero di civiltà comunicative nella nostra galassia.
• R* = Tasso medio di formazione stellare nella nostra galassia (stelle simili al nostro Sole).
• fp = Frazione di quelle stelle che possiedono sistemi planetari.
• ne = Numero medio di pianeti per sistema planetario che si trovano nella fascia di abitabilità.
• fl = Frazione di quei pianeti abitabili su cui si sviluppa la vita.
• fi = Frazione di quei pianeti abitabili su cui si sviluppa la vita intelligente.
• fc = Frazione di quelle civiltà intelligenti che sviluppano tecnologie in grado di comunicare nello spazio.
• L = Durata media della vita di una civiltà tecnologica in grado di comunicare.

La Panspermia

1.27 Siamo Marziani?

Leggi il seguente brano e rispondi alle domande poste:

"I diciannove meteoriti marziani che sono arrivati sulla Terra non sono stati eccessivamente alterati da urti e alte temperature (è stato dimostrato che la temperatura di ALH84001 al momento dell'espulsione da Marte era inferiore a 40 ºC), il che suggerisce un'espulsione relativamente "dolce". Il problema maggiore per la panspermia è il viaggio interplanetario. Nello spazio, al vuoto e alle temperature prossime allo zero assoluto, si aggiunge la radiazione, intensa nelle orbite interne. E tutto questo per lunghi periodi di tempo. [...] Sorprendentemente, alcuni organismi terrestri sono in grado di resistere (almeno per brevi periodi) a queste condizioni estreme. [...] Dato che nel corso della storia del sistema solare potrebbero essere arrivate sulla Terra milioni di tonnellate di rocce marziane, e una singola cellula vivente è sufficiente a "contaminare" un intero pianeta, le probabilità non sono trascurabili."
Anguita, F.: Biografia della Terra, Ed. Aguilar.

1. Quali sono le fasi più critiche che un ipotetico organismo panspermico dovrebbe superare?
2. Quali dati a favore della panspermia sono disponibili?
3. Si tratta di dati conclusivi o suggeriscono semplicemente che questo scenario è possibile?
4. Se si trovasse vita su Marte, avrebbe senso ipotizzare che sia nata lì e si sia diffusa sulla Terra?

Soluzione:

1. Le tre fasi fondamentali: 1) L'espulsione dal pianeta d'origine (l'organismo deve sopravvivere all'impatto che lo lancia nello spazio); 2) Il viaggio interplanetario (deve resistere al vuoto, alle temperature estreme e alle radiazioni); 3) L'arrivo sul pianeta di destinazione (deve sopravvivere all'ingresso atmosferico e trovare un ambiente adatto).
2. I dati disponibili includono la presenza in alcuni meteoriti, come quello di Murchison, di numerosi composti organici, tra cui vari aminoacidi (alcuni simili a quelli terrestri, levogiri, altri destrogiri). Un altro dato è la possibile presenza di tracce di microrganismi fossili (come nel meteorite ALH84001).
3. No, non sono dati conclusivi. Suggeriscono solo che questa ipotesi potrebbe essere più plausibile di quanto si pensasse in passato.
4. Sì, avrebbe senso. Su Marte oggi non ci sono le condizioni adatte alla vita come la conosciamo, ma nulla impedisce che ci fossero in passato.

La Storia dell'Universo in un Anno

1.29 La Storia dell'Universo in un Anno

Le grandi cifre che si incontrano parlando della formazione dell'universo e del sistema solare rendono difficile avere un'idea chiara della durata di ogni fase. Un modo per visualizzarlo è comprimere l'intera storia dell'universo in un singolo anno e collocare in esso, in proporzione, i grandi eventi. La tabella seguente mostra gli eventi e il momento in cui si sarebbero verificati in questa scala temporale.

PUNTO 2

Evoluzione Biologica e Geologica

2.1 Cosa ci ha reso specificamente umani? Attività

Qual è il nome della teoria scientifica che ha contribuito a superare le seguenti "false testimonianze" del senso comune?

• Nessuno ha mai visto una specie trasformarsi in un'altra, quindi il cambiamento non avviene.
• I continenti non si muovono. Se si muovessero, ce ne accorgeremmo.

Qual è l'errore di osservazione o interpretazione alla base di ciascuna di queste affermazioni?

Soluzione:

La teoria che ha aiutato a superare la fissità delle specie è l'evoluzione biologica (Darwinismo). L'errore di osservazione alla base della fissità delle specie è legato all'età della Terra e al concetto di tempo geologico. Solo quando si è compresa l'enorme età della Terra (milioni di anni) si è avuto il tempo sufficiente per ipotizzare processi evolutivi graduali.

La teoria che ha aiutato a superare la fissità geologica (immobilità dei continenti) è stata, inizialmente, la "deriva dei continenti" di Wegener e, successivamente, la teoria della tettonica a placche. L'errore di osservazione, anche in questo caso, era associato al tempo geologico: la deriva dei continenti avviene a un ritmo così lento da essere impercettibile senza misurazioni molto precise (oggi effettuate via satellite).

2.2 L'Errore di Cuvier sulla Fissità delle Specie

L'osservazione di dipinti dell'antico Egitto di oltre 3000 anni fa, in cui apparivano uccelli identici a quelli attuali, fu utilizzata da Cuvier come argomento a favore della fissità delle specie. Che errore c'è dietro questa "falsa testimonianza" di Cuvier?

Soluzione:

L'osservazione di Cuvier implicava l'idea di una Terra di circa 6000 anni, per cui i 3000 anni trascorsi dalla realizzazione di quei dipinti rappresentavano metà del tempo totale disponibile per i cambiamenti nelle specie.

2.3 Genotipo e Fenotipo

Il tuo genotipo è uguale a quello che avevi dieci anni fa? E il tuo fenotipo?

Soluzione:

Il genotipo è rimasto lo stesso, mentre il fenotipo è cambiato.

2.4 Lamarckismo e Sviluppo di Branchie

Alcuni film raccontano storie di persone che, vivendo stabilmente in un ambiente acquatico, finiscono per sviluppare branchie. È possibile? Come spiegherebbe questa storia un Lamarckiano?

Soluzione:

No, non è possibile che una persona sviluppi branchie anche vivendo sempre in acqua. Un Lamarckiano direbbe di sì: vivendo per diverse generazioni in queste condizioni, la vita in acqua genererebbe il "bisogno" di un cambiamento nel sistema respiratorio per adattarsi alle nuove condizioni, portando alla comparsa delle branchie.

2.5 Selezione Naturale negli Insetti

Immagina una popolazione di coleotteri marroni che si nutrono di foglie verdi. A un certo punto, compare un coleottero di colore verde, simile a quello delle foglie.

1. Descrivi i processi che si verificano in questo scenario.
2. Associa ciascuna delle idee di base della teoria di Darwin a una fase di questo scenario.
3. Come si sarebbe evoluta questa popolazione di coleotteri se si fossero nutriti di foglie cadute a terra?
4. Se una popolazione di coleotteri preferisse le foglie verdi e un'altra quelle secche, come si modificherebbe il loro colore?
5. È possibile che una variazione sia vantaggiosa in un ambiente e svantaggiosa in un altro? Giustifica la risposta.

Soluzione:

1. Fase 1: In una popolazione di coleotteri marroni, compare un individuo verde (variazione casuale). Fase 2: Vivendo sulle foglie verdi, i coleotteri verdi sono mimetici, mentre quelli marroni sono più facili da individuare per i predatori (selezione naturale). Fase 3: La maggiore sopravvivenza dei coleotteri verdi fa sì che il loro numero inizi ad aumentare nella popolazione. Fase 4: I coleotteri verdi diventano gli individui più frequenti nella popolazione (adattamento e cambiamento evolutivo).
2. Fase 1: Mostra la variazione tra gli individui di una popolazione. Fase 2: Mostra che non tutti gli individui sopravvivono (lotta per l'esistenza) e l'azione della selezione naturale, dove gli individui più adatti all'ambiente hanno maggiori probabilità di sopravvivere. Fasi 3 e 4: Mostrano che gli individui sopravvissuti si riproducono e trasmettono la variazione vantaggiosa alla prole, portando a un cambiamento graduale nella composizione genetica della popolazione (evoluzione).
3. La selezione sarebbe stata al contrario: i coleotteri verdi sarebbero stati più visibili sulle foglie secche e quindi eliminati dai predatori.
4. In questo caso, gli individui che si nutrono di foglie verdi tenderebbero ad essere di colore verde, mentre quelli che si nutrono di foglie secche tenderebbero ad essere marroni (selezione divergente basata sulla nicchia ecologica).
5. Sì, è possibile. L'esempio dei coleotteri lo dimostra: il colore verde è vantaggioso sulle foglie verdi ma svantaggioso sulle foglie secche.

2.6 Evoluzione di Delfini e Foche: Soluzioni Multiple

Immagina l'evoluzione di delfini e foche dai loro antenati terrestri e la struttura ossea della pinna di una foca.

1. In cosa si sono trasformate le zampe anteriori degli antenati dei delfini?
2. Quali sono le somiglianze e le differenze tra i processi evolutivi del delfino e della foca?

Soluzione:

a) Le zampe anteriori degli antenati dei delfini si sono trasformate in pinne. Le zampe posteriori, invece, si sono atrofizzate e la pinna caudale è di nuova formazione, così come la dorsale.

b) In entrambi i processi si osserva un adattamento evolutivo all'ambiente acquatico, con la formazione di pinne e l'adozione di una forma fusiforme che migliora la mobilità in acqua. Tuttavia, il processo seguito è diverso: nella foca si trasformano tutti gli arti in pinne, mentre nel delfino solo quelli anteriori. In altre parole, lo stesso problema (la necessità di muoversi efficacemente in acqua) è stato risolto in due modi diversi, dimostrando che il risultato di un processo evolutivo non è predeterminato.

2.7 Resistenza ai Fungicidi: Spiegazione Lamarckiana vs Darwiniana

Un fungo parassita attacca le colture di pomodoro, generando enormi perdite economiche. Per combatterlo si usano prodotti chimici (fungicidi), ma i contadini si lamentano che il prodotto è diventato meno efficace e potrebbe essere necessario cambiarlo. Come spiegherebbe questo fatto un Lamarckiano? E un Darwiniano?

Soluzione:

Un Lamarckiano direbbe che la presenza del fungicida ha indotto nei funghi un "bisogno" di adattamento, portando a cambiamenti ereditabili che li hanno resi gradualmente resistenti. Il fungo si è "abituato" al fungicida.

Un Darwiniano direbbe che nella popolazione iniziale di funghi esistevano già alcuni individui, pochi, naturalmente resistenti al fungicida (variazione casuale). Prima dell'uso del fungicida, questa resistenza era una variazione neutra, cioè non conferiva né un vantaggio né uno svantaggio. La presenza del fungicida introduce un nuovo fattore di selezione: gli individui resistenti sopravvivono e si riproducono, trasmettendo la loro resistenza alla prole. In questo modo, la percentuale di funghi resistenti nella popolazione aumenta gradualmente.