Il metodo di indagine utilizzato nelle scienze biologiche per aumentare e rafforzare le conoscenze è il metodo scientifico, un processo che comprende quattro fasi successive (▶figura 1.6).

Osservazioni e ipotesi.

Gli scienziati compiono delle osservazioni preliminari, attraverso i propri sensi o grazie a strumenti, per esempio il microscopio. Un lavoro importante è anche quello di raccogliere i risultati di osservazioni e studi precedenti presso biblioteche e archivi in rete, cioè valutare la «bibliografia» scientifica che riguarda l’oggetto dello studio.

Quindi, gli scienziati sviluppano un’ipotesi, cioè una possibile spiegazione del fenomeno che stanno studiando, considerando soltanto quelle spiegazioni che in qualche modo si possono testare, ossia sperimentare, provare.

Test e conclusioni.

Condurre dei test circa un’ipotesi può prevedere sia esperimenti sia nuove osservazioni. Per decidere come testare un’ipotesi, lo scienziato applica il ragionamento deduttivo, che implica la logica del «se succede questo… allora…». Un ricercatore può ragionare in questo modo: «se tutti gli organismi sono fatti di cellule, allora ogni parte di un organismo che esamino al microscopio deve essere composta da cellule». In altre parole, questo scienziato ha previsto che l’ipotesi possa essere testata con osservazioni al microscopio.

I risultati di un esperimento e/o le osservazioni ulteriori, raccolti in modo standardizzato, costituiscono i dati, illustrati spesso sotto forma di tabelle e grafici. I dati aiutano gli scienziati a giungere a delle conclusioni, che indicano se i risultati sostengono oppure confutano l’ipotesi iniziale. Se l’ipotesi è provata, le conclusioni possono essere accompagnate da un margine di incertezza; in ogni caso, i dati non provano mai che un’ipotesi sia del tutto vera, poiché la conclusione può sempre essere soggetta a revisione. D’altra parte, è possibile provare che un’ipotesi sia falsa. Se un’ipotesi si dimostra falsa, se ne possono fare di diverse, programmando altri esperimenti, come è indicato dalla freccia bidirezionale della figura 1.6

Le teorie scientifiche.

Lo scopo finale delle discipline scientifiche è quello di comprendere il mondo naturale formulando delle teorie scientifiche. Mentre nel linguaggio quotidiano con il termine teoria si intende una idea ipotetica, nel linguaggio della ricerca una teoria scientifica è molto più di un’idea o di una speculazione, essendo sostenuta da molte osservazioni, esperimenti, dati, spesso derivanti da varie discipline. Le teorie scientifiche basilari che ritroverete spesso nello studio della biologia sono elencate di seguito.

• Teoria cellulare: tutti gli organismi sono composti di cellule e nuove cellule derivano solo da cellule preesistenti.
• Teoria dei geni: gli organismi contengono informazioni codificate che ne definiscono la forma, la funzione e il comportamento.
• Teoria dell’evoluzione: tutte le forme viventi derivano da un antenato comune, ciascuna è adattata a uno stile di vita.
• Teoria dell’omeostasi: l’ambiente interno di un organismo viene mantenuto relativamente costante, entro i limiti vitali.
• Teoria dell’ecosistema: gli organismi sono membri di popolazioni che interagiscono tra loro e con l’ambiente fisico in cui vivono.

L’uso dei fertilizzanti contenenti azoto è stato molto abbondante fino agli anni Ottanta del secolo scorso; tuttavia si è visto che gran parte del principio nutritivo, se somministrato in maniera eccessiva, viene dilavato dalle acque piovane prima che le piante lo possano utilizzare. L’eccesso di azoto ha provocato per decenni la contaminazione delle acque dolci e marine, con conseguenze critiche per la salute delle piante marine (che fungono da «incubatrici» per molte forme di vita) e fioriture algali (eccesso di alghe nelle acque) nei laghi, correlate a morìe di pesci. Anche le acque dolci usate per il prelievo urbano sono risultate spesso inquinate e non più potabili.

Per cambiare le modalità della concimazione azotata, i ricercatori hanno dovuto verificare se l’uso dei concimi azotati si possa attuare in modo più razionale, sia per la resa agraria sia per la salvaguardia dell’ambiente. Si è partiti dall’osservazione che le piante di pisello sono delle leguminose e che le specie di questa famiglia riescono a depositare azoto nel terreno in cui vivono; inoltre, il tipo di azoto che depositano, che è di natura organica (prodotto da esseri viventi), non viene dilavato dalle piogge, come invece accade alla forma inorganica.

Progettare un esperimento.

Quando dei ricercatori progettano un esperimento, l’ambiente sperimentale deve essere tenuto sotto condizioni costanti, eccetto per la variabile sperimentale, che invece viene appositamente cambiata. Nel caso del nostro esperimento, tutti i vasi usati per le piante devono essere esattamente uguali e le piante di frumento seccate e pesate in modo sistematico per determinarne la resa (calcolo della biomassa, cioè la quantità di massa biologica prodotta).

Inoltre, un esperimento controllato prevede che vi sia, oltre al gruppo sperimentale sottoposto ai cambiamenti della variabile, anche un gruppo di controllo che non sia esposto a quei cambiamenti. Il gruppo sperimentale deve essere il più numeroso possibile, per ridurre l’influenza di differenze non evidenti tra i soggetti sottoposti al test. L’uso del gruppo di controllo assicura che i dati derivanti dal gruppo sperimentale siano effettivamente dovuti alla variabile che si sta testando e non a influenze esterne sconosciute. I ricercatori impegnati in questo studio hanno formulato la seguente ipotesi:

IPOTESI: la rotazione di coltura pisello/frumento aumenta la resa del frumento al pari o meglio dei fertilizzanti azotati.

I ricercatori progettano il seguente esperimento, predisponendo un gruppo di vasi di controllo e tre gruppi di vasi sperimentali (▶figura 1.7A):

1. Vasi di controllo: viene seminato del frumento in vasi con terreno non concimato e senza che vi sia stato seminato in precedenza il pisello.
2. Vasi sperimentali fertilizzati 45/kg/ha: viene seminato del frumento in vasi con terreno trattato con fertilizzante azotato equivalente a 45 kg/ha (ha = ettaro = 10 000 m²).
3. Vasi sperimentali fertilizzati 90/kg/ha: viene seminato del frumento in vasi con terreno trattato con fertilizzante azotato equivalente a 90 kg/ha.
4. Vasi con pisello seminato in precedenza: nell’estate precedente viene seminato in vasi il pisello; a fine stagione le piante vengono interrate e nella stagione successiva viene seminato il frumento negli stessi vasi.

Analisi dei risultati preliminari.

Il grafico a barre della figura 1.7A ci permette di verificare la resa di frumento ottenuta dai vari gruppi di vasi. Dopo il primo anno si vede che la resa è maggiore nei vasi trattati con fertilizzante rispetto ai vasi di controllo, non trattati. Con sorpresa dei ricercatori, la produzione di frumento dopo la piantagione estiva di pisello è minore di quella dei vasi di controllo.

CONCLUSIONI: l’ipotesi iniziale non è verificata; in un anno, le rese di frumento dopo la coltivazione di pisello non risultano maggiori, anzi sono inferiori, a quelle dei vasi di controllo.

Ulteriori esperimenti e risultati.

I ricercatori decidono di proseguire con gli esperimenti usando lo stesso impianto sperimentale e gli stessi vasi, per verificare se il residuo azotato lasciato dalle piante di pisello può aumentare la resa del frumento negli anni successivi, sempre rispetto alla concimazione. Perciò, si formula una nuova ipotesi.

IPOTESI: ripetendo la rotazione pisello/frumento può aumentare la resa del frumento.

In sostanza, i ricercatori prevedono che dopo tre anni di rotazione, la resa del frumento superi quella dei vasi trattati con fertilizzanti azotati.

Analisi dei risultati finali.

Dopo due anni, la resa dei vasi trattati con concime si è abbassata rispetto al primo anno, mentre la resa dei vasi soggetti a rotazione con pisello ha mostrato un netto incremento, superando ogni altra situazione. Dopo tre anni, la resa nei vasi concimati era sempre maggiore di quelli non trattati, ma comunque di gran lunga inferiore a quella dei vasi con rotazione. Rispetto al primo anno, la resa è aumentata di almeno quattro volte nei vasi con rotazione.

CONCLUSIONI: l’ipotesi è verificata; al termine dei tre anni la resa del frumento è molto aumentata nei vasi con rotazione rispetto a tutti gli altri tipi di vasi, sperimentali e di controllo.

Per spiegare un tale risultato, i ricercatori hanno quindi suggerito che il terreno sia stato arricchito sia dalla stessa materia organica sotterrata (le piante di pisello a fine ciclo) sia dall’azoto prodotto dal pisello. I loro risultati sono stati in seguito pubblicati in una rivista scientifica, mettendo a disposizione della comunità scientifica il metodo sperimentale adottato (che, di fatto, rende ripetibile la ricerca).

Importanza ecologica dello studio.

Questi esperimenti hanno dimostrato come l’uso di una coltura di leguminose, il pisello arboreo (Cajanus cajan), per arricchire il terreno agrario, a lungo termine aumenti le rese delle colture successive molto meglio dell’uso di fertilizzanti azotati. Il fatto si spiega grazie alla presenza nelle leguminose di batteri che convertono l’azoto contenuto nell’atmosfera in una forma utilizzabile dalle piante. Questi batteri vivono in noduli radicali, dei piccoli tubercoli che costellano le radici (▶figura 1.7B). Si tratta di una relazione reciprocamente vantaggiosa per le piante e per i batteri: i prodotti della fotosintesi fogliare raggiungono i noduli radicali facendo prosperare i batteri, mentre i composti azotati prodotti dai batteri possono essere usati dalle piante per sintetizzare le proprie proteine.

Il fatto che le rese agrarie del frumento aumentino notevolmente a partire dal terzo anno si spiega nel modo seguente: quando le piante di pisello vengono interrate, il terreno si arricchisce e la loro decomposizione (specialmente delle radici) fornisce una dose extra di nutrienti, tra i quali una buona quota di azoto, che restano a disposizione della coltura successiva.

La rotazione delle colture agrarie è una pratica tradizionale e, mentre è rimasta uno dei cardini della cosiddetta agricoltura biologica (o organica), è stata parzialmente abbandonata dall’agricoltura intensiva, che fa invece un uso massiccio di fertilizzanti inorganici. Il ritorno, seppure graduale, alla rotazione agraria con leguminose farebbe risparmiare molti fertilizzanti azotati, con benefici economici e ambientali.