La didattica della Biologia: spunti per un dibattito

 

Marisa Caccia Liliana Zappi

 

Premessa

Anche a rischio di essere noiose e “banali” ci sembra opportuno iniziare con alcune considerazioni di fondo sul nostro sistema scolastico. In un paese democratico l’obiettivo primario della scuola, in particolare della scuola di stato, è quello di offrire pari opportunità formative ai giovani, indipendentemente dalle loro diverse condizioni di partenza (famiglia, sesso, regione, etnia ecc.).  Oggi poi nella grave situazione in cui ci troviamo, diventa sempre più indispensabile che la scuola assuma un ruolo di centralità, cioè di cardine di un sistema formativo capace di produrre innovazione culturale e sociale.  Così come è indispensabile che il giovane sia posto al centro di un progetto ( e un processo) formativo che favorisca l’autonomia dello studente, stimoli comportamenti consapevoli e attivi, dia strumenti per capire e per vivere meglio la “complessità”.  Si tratta di far fare alla scuola un vero e proprio “salto di qualità”, di realizzare un progetto formativo che tenga conto della globalità della cultura e accolga le grandi problematiche del pianeta: mondialità, ambiente, diritti umani, sviluppo, pace. Occorrono, per questo nuove idee, nuovi atteggiamenti e nuove energie, oltre a specifici e adeguati supporti strutturali (che sarebbe troppo lungo qui precisare).  Essendo noi insegnanti di scienze ci siamo poste il problema di come operare nell’area scientifica per cogliere queste esigenze di cambiamento. Il risultato della nostra riflessione è un’ipotesi di percorso didattico in campo biologico che, benché incompleto, ci preme far conoscere ai colleghi per avviare, se possibile, un confronto a più voci, per avere indicazioni critiche, suggerimenti, proposte.

 

Se riflettiamo sullo sviluppo esplosivo delle scienze nel XX secolo, se ripercorriamo le più recenti tappe del pensiero scientifico, ben comprendiamo come tutto ciò abbia contribuito a modificare i paradigmi di riferimento della conoscenza e i modelli interpretativi della realtà.  Molte discipline, dalla fisica alla biologia, dalla cibernetica alle scienze umane hanno contribuito a creare questo nuovo scenario culturale che stimola la nostra riflessione di insegnanti sulla valenza educativa di alcuni cambiamenti concettuali, di certi spostamenti del “punto di vista”, quali, ad esempio:

 

· da una scienza dispensatrice di certezze ad una scienza consapevole di operare in condizioni di incertezza;

· da una concezione meccanicistico-deterministica ad una probabilistico-sistemica;

· da una concezione di “natura” semplice ad una di “natura” complessa, da un approccio riduzionistico ad uno olistico;

· dall’oggettività alla soggettività del processo conoscitivo;

· dal concetto di linearità a quello di ciclicità ed interazione complessa;

· dalla predicibilità di fenomeni semplici alla impredicibilità di fenomeni complessi;

· dal concetto di reversibilità a quello di irreversibilità (freccia del tempo);

· dalle questioni “semplici” a quelle “controverse" che comportano un rischio decisionale;

· da una visione antropocentrica ad un biocentrica del sistema “natura”.

 

Questi ed altri cambiamenti di prospettiva mettono in crisi l’abitudine ai concetti chiusi e definiti (quali erano ad esempio la demarcazione tra soggetto ed oggetto, tra organismo e ambiente, tra scelte giuste e sbagliate) e ci impongono di rimettere in discussione, anche a scuola, non solo le certezze della ricerca scientifica ( le verità con la V maiuscola), ma anche gli stessi processi di costruzione della conoscenza, i rapporti tra scienza\tecnologia\società, le implicazioni tra conoscenza e coscienza.  Come guardare con questi “occhi nuovi” la biologia?  Come costruire, in una scuola superiore, un curricolo di scienze che intenda privilegiare l’approccio sistemico?  Quali cambiamenti comporterebbe in concreto questa scelta di metodo?  Per rispondere a questi interrogativi pensiamo sia utile iniziare da un confronto tra l’impostazione analitica tradizionale e quella sistemica.

 

L’approccio analitico:

1- tende ad isolare gli elementi per osservarli e descriverli;

2- si sofferma con precisione sui dettagli;

3- parte dalle strutture per interpretare le funzioni;

4- considera i fenomeni biologici in modo statico, non tenendo conto, se non marginalmente, degli aspetti dinamici;

5- tende ad esaminare, soprattutto, le interazioni lineari;

6- tende a muoversi in un ambito strettamente disciplinare e specialistico.

 

L’approccio sistemico invece:

1- tende a collegare i vari elementi evidenziandone le interazioni;

2- trascura i dettagli per coglier l’insieme, non si sofferma sugli aspetti descrittivi delle strutture, ma sui processi;

3- parte dalle funzioni per interpretare le strutture;

4- considera i fenomeni biologici dinamicamente;

5- evidenzia le interazioni complesse;

6- tende ad allargarsi ad un discorso culturale globale.

 

L’approccio sistemico comporta dunque un radicale cambiamento di prospettiva che ha un profondo significato concettuale e culturale, e quindi anche formativo.  Infatti acquisire una mentalità sistemica vuol dire per tutti, giovani e adulti, orientarsi verso un cambiamento nel modo di pensare e di agire, a livello personale e sociale.  A nostro avviso, però, privilegiare l’approccio sistemico non vuol dire rifiutare in toto quello analitico, così come non vuol dire rinunciare alla attività di laboratorio.  Abbiamo creduto e continuiamo a credere nella validità formativa di questo metodo di lavoro e riteniamo che debba avere un suo spazio nell’ambito della educazione scientifica.  Tuttavia ci sembra veramente riduttivo oggi un insegnamento della biologia che non si a apra ad orizzonti più vasti e complessi.

 

Organismo come sistema

Proviamo ora a tracciare, in un’ottica sistemica, un possibile percorso didattico.  Tra i concetti strutturanti della biologia abbiamo scelto il concetto “organismo”, non solo perché è fondamentale in questo campo, ma anche perché si presta ad essere utilizzato in altri ambiti disciplinari quali economia, geografia, scienze umane.  Per capire a fondo il significato di organismo vivente, per mettere in chiaro le sue caratteristiche più importanti (evitando idee distorte), è opportuno confrontare questo concetto con quello di “meccanismo” (scegliendo per il confronto una macchina costruita dall’uomo, sufficientemente semplice, ad esempio un classico orologio a pendolo).  Una definizione valida per entrambi potrebbe essere: “organismo e meccanismo come sistemi aperti, costituiti da un insieme di parti tra loro interrelate, in grado di svolgere determinate funzioni, con capacità di controllo e retroazione” (grassetto) Questa definizione è però ancora troppo generica; occorre approfondire l’analisi dei due sistemi per ricavare altre proprietà, altre caratteristiche che permettano di evidenziarne le differenze. Ne elenchiamo alcune, tra le più significative:

 

Organismo                                                    Meccanismo

Autopoiesi                                                      Eteropoiesi

Capacità di auto-riprodursi                              No

Auto-organizzazione                                        (verso Etero-organizzazione un maggior ordine)

Capacità di reagire con                                    No

l’ambiente autonomamente

Auto-regolazione:                                            Eteroregolazione

reazione a perturbazioni,

entro certi limiti (omeostasi),

al di là dei quali c’è

adattamento, cambiamento, evoluzione

Auto-cooperazione tra le                                 Etero-cooperazione

componenti (regolata dalle                               (informazioni programmate dall’esterno)

informazioni programmate                               

internamente)                                                 

Tendenza verso stadi a                                    No

complessità, organizzazione

ed ordine crescenti, con

diminuzione di entropia

(strutture dissipative

secondo Prigogine)

Impredicibilità degli eventi                                Predicibilità degli eventi

Causalità circolare                                           Causalità lineare

Ritmi e cicli biologici                            No

scanditi secondo la freccia

del tempo, interiorizzata

nelle strutture informative.

 

Il confronto organismo-meccanismo mette in netta evidenza come i due sistemi abbiano caratteristiche soltanto parzialmente sovrapponibili.  Soffermando l’attenzione degli allievi sulle proprietà più decisamente contrapposte saremo in grado, fin dall’inizio, di fissare la nostra attenzione sulle peculiarità dei sistemi viventi (auto-conservazione, auto-regolazione, auto-riproduzione, capacità di cambiamento ed evoluzione, etc.), che potranno successivamente essere riprese ed approfondite.  Dal confronto emerge chiaramente la riduttività del modello meccanicistico applicato ai fenomeni biologici.  Può essere utile, a questo punto, avviare una riflessione, di carattere storico, sullo sviluppo dell'approccio meccanicistico nelle Scienze e sul suo graduale superamento.  Chiarita la differenza tra organismo e meccanismo, il concetto strutturante organismo può diventare la chiave di lettura per uno studio di tutta la Biologia, per un esame degli esseri viventi, visti come sistemi complessi organizzati per livelli, dalla cellula procariote alla cellula eucariote, al pluricellulare, all’ecosistema, al sistema planetario (Gaia).

 

I vari livelli, a complessità crescente, sono tra loro interconnessi, non gerarchicamente, attraverso una rete di flussi, informazioni, interazioni.  Potremo scegliere, nell’attività didattica, di soffermarci più specificamente su questo o quel livello organizzativo; in ogni caso è importante non perdere mai di vista il livello a cui si lavora, la posizione di ciascun livello rispetto agli altri, le reciproche connessioni per selezionare le cose che contano, avendo sempre presente una visione globale dei fenomeni.  Accostandoci a ciascuno dei livelli biologici sarà utile distinguere i seguenti aspetti:

 

Funzionale

Ogni sistema vivente è caratterizzato da flussi di energia, materia e informazione. I flussi sono regolati da varie modalità di controllo: feedback (anelli di retroazione positivi o negativi), rallentamenti, attriti, etc.; i flussi hanno come input le informazioni (interne ed esterne).

Strutturale

Ogni sistema è caratterizzato da diverse strutture: la superficie limite, interfaccia tra ambiente interno ed esterno, che permette gli intercambi; i contenitori di energia, di informazioni, di materiali; la rete di comunicazione tra le varie strutture attraverso cui avvengono le interazioni.

Dinamico

L'aspetto dinamico si coglie osservando i sistemi viventi in azione, cioè seguendo i processi nel tempo per evidenziarne le caratteristiche della conservazione e, al tempo stesso, quelle del cambiamento.

 

Evidentemente questi tre aspetti sono tra loro strettamente interconnessi; è comunque opportuno, in un approccio sistemico, partire dalle funzioni (dinamica dei flussi di energia e materia) per passare poi alle strutture che le supportano.  Come esempio concreto abbiamo cercato di sviluppare un esame del sistema-organismo a livello della cellula eucariote.

 

La cellula, società di molecole (F. Jacob)

Nella cellula eucariote sono presenti circa cinque milioni circa di molecole diverse, organiche ed inorganiche, grandi, medie e piccole.  Questa microscopica società di molecole costituisce un sistema vivente, un organismo complesso in grado di compiere, per un tempo più o meno lungo (ciclo vitale), le funzioni che caratterizzano la vita.  Tra queste ricordiamo le più importanti: autoconservazione, autoregolazione, autoriproduzione, interazione autonoma con l’ambiente, capacità di adattamento, cambiamento, evoluzione nel tempo.  A differenza del sistema-cristallo, che è in equilibrio statico con l'ambiente, il sistema-cellula si mantiene lontano dall’equilibrio statico rinnovandosi continuamente nelle sue strutture grazie al flusso continuo di energia e di materia che lo attraversa.  La cellula, dunque, si rinnova continuamente pur conservando in ogni momento il suo ordine interno contro la generale tendenza al disordine e conservando la propria identità grazie all'interazione tra informazioni interne (genetiche) ed esterne (ambientali) che orientano e regolano le operazioni di costruzione e di demolizione delle strutture.  Come in ogni sistema vivente, anche nella cellula eucariote, strutture e funzioni sono inseparabili: le prime sono assicurate dal flusso di energia e di materiali messo in moto dalle seconde.  Abbiamo cercato di evidenziare in uno schema il dinamismo energetico della cellula.

 

Schema 1

 

funzioni vitali: sequenza di reazioni (coordinate e sincronizzate)

strutture: -singole molecole organizzate nello spazio, di diversa natura, di varie dimensioni e con specifici ruoli (esempio: mattoni da costruzione, molecole/segnale, contenitori di elettroni, etc.)

               -organizzazioni sovramolecolari (membrana, citoplasma e nucleo)

               -plurimolecolari (mitocondri, cloroplasti, ribosomi, vacuoli etc:)

agenti di informazione: DNA, RNA

agenti di trasformazione: macromolecole proteiche (enzimi), molecole ricche di energia, molecole trasportatrici di elettroni, molecole di acqua.

 

Schema 2a

Schema 2b

 

È un modello estremamente semplificato di cellula; sono considerati soltanto quei pochi elementi necessari ad evidenziare dinamicamente le funzioni, cioè i flussi di energia e i cicli di materia.  Potremo poi osservare questo flusso energetico un po’ più da vicino confrontando tra loro due schemi diversi, riferiti rispettivamente ad una cellula vegetale (autotrofa) e animale (eterotrofa), per evidenziare la diversa fonte di energia ambientale: il sole nel primo caso, gli alimenti nel secondo.  Si possono poi proporre due schemi a complessità crescente.

Schema 3

Schema 4

 

Lo schema 3 vuole mettere in evidenza l’interscambio e la dipendenza tra autotrofi ed eterotrofi che, direttamente o indirettamente, utilizzano come fonte primaria l’energia solare.  Lo schema 4 vuole evidenziare più dettagliatamente: 1) come l’energia fluisca dal Sole agli organismi fotosintetici (produttori) a quelli non fotosintetici (consumatori, demolitori), degradandosi in parte a calore irrecuperabile; 2) come la materia circoli dai produttori ai consumatori ai demolitori, ritornando poi ai produttori, e come, in questo circuito, siano interessate soprattutto due funzioni fondamentali: fotosintesi e respirazione.  Crediamo che questo percorso (qui molto schematizzato) possa essere d’aiuto agli studenti per la comprensione di alcuni fondamentali concetti biologici, in particolar modo quelli di flusso di energia e di ciclo di materia che sono alla base dei processi vitali.  Saranno possibili successivi approfondimenti e sviluppi diversi, sempre riferiti a questo livello organizzativo: processi fotosintetici, respiratori e relative strutture; strutture informative della cellula (DNA, RNA, etc.); strutture comunicative (membrane, segnali chimici, etc.); origine della vita; evoluzione verso la pluricellularità; problemi energetici, alimentari, ambientali.

 

 

Pubblicato originariamente su Naturalmente, 1993, 6 (3), 47-51.