Nel 1838 il Comune di Milano accolse la donazione del museo naturalistico privato del collezionista milanese Giuseppe De Cristoforis e del botanico di origine ungherese Giorgio Jan, costituito nel 1832 quale proprietà indivisa, nominando primo direttore del nuovo Museo civico di storia naturale lo stesso Jan, al quale veniva accordato un vitalizio annuo.
Il museo aprì al pubblico nel 1844 in occasione del VI Congresso degli Scienziati Italiani che quell'anno svolgeva i suoi lavori a Milano presieduto dal botanico conte Vitaliano Borromeo. Fin dal primo regolamento del 1843 venne stabilito che il museo impartisse pubbliche lezioni di scienze naturali, questa funzione didattica si rafforzò nel 1863 con l'apertura dei corsi per l'istituto tecnico superiore (poi Politecnico di Milano) e nel 1875 con la partecipazione del museo al Consorzio degli istituti di istruzione superiore, articolata struttura formativa che diede origine nel 1924 all'Università degli Studi di Milano. Dal 1924 al 1938 ebbe sede in Museo la facoltà di Scienze naturali, Matematiche e Fisiche dell'Università Statale che, grazie ad una convenzione tra lo Stato e il Comune di Milano, poteva usufruire dei laboratori, delle collezioni, della biblioteca e del personale scientifico del Museo di storia naturale per le attività didattiche e di ricerca.
Nel 1943 l'incendio causato da un bombardamento aereo anglo-americano devastò il palazzo e distrusse buona parte delle collezioni. L'ingente lascito in denaro del medico milanese Vittorio Ronchetti permise la ricostruzione del Museo, riaperto al pubblico nel 1952, e la pianificazione di un programma di nuove acquisizioni al fine di ricostituire il patrimonio museale.
Dal 1866 il museo ospita la Società italiana di scienze naturali, fondata nel 1857 come Società geologica residente in Milano. Il sodalizio scientifico portò nel 1893 alla cointestazione delle riviste scientifiche edite dalla Società e tuttora pubblicate insieme al Museo di storia naturale. Attualmente hanno sede presso il Museo di storia naturale di Milano anche il Gruppo Mineralogico Lombardo, il Gruppo Botanico Milanese e il Centro studi archeologia africana.
Il Museo di storia naturale ha sede in un palazzo in stile neogotico appositamente edificato tra il 1888 e il 1893, su progetto dell'architetto Giovanni Ceruti, all'interno dei Giardini Pubblici di Porta Venezia. Dal 1863 aveva avuto sede nella villa settecentesca di Palazzo Dugnani, e prima ancora nell'ex convento di via Santa Marta. Il nuovo edificio del museo sorse con la risistemazione dei Giardini seguita alla grande Esposizione Nazionale di Milano del 1881 di cui lo stesso Ceruti era stato l'architetto e i cui padiglioni erano stati demoliti dopo la mostra.
Si tratta della prima architettura museale italiana, in un panorama nazionale ricco di edifici monumentali trasformati nel corso del tempo in sedi di musei. Lo stile neogotico del palazzo fa riferimento al grande successo avuto dal nuovo edificio del British Museum Natural History di Londra (1871-1881) mentre la pianta ad anello - tagliato da un corpo centrale - riproduce fedelmente la scelta operata per la nuova sede del Naturhistorisches Museum di Vienna (1872-1891). Le decorazioni in cotto vennero eseguite dalla ditta Carlo Candiani & C. di Milano.
L'incendio provocato dal bombardamento aereo dell'agosto del 1943 provocò gravissimi danni all'edificio che nel dopoguerra venne ricostruito seguendo il progetto originario. Nel 1952 terminarono i lavori strutturali sotto la direzione dell'architetto Egizio Nichelli, consentendo al Museo di riaprire parzialmente le sale espositive al pubblico, mentre gli interventi sulle parti decorative, sulle statue e sui pinnacoli della copertura si conclusero quattro anni più tardi.
Nel 2013 le facciate sono state oggetto di un completo restauro conservativo.
Il museo è costituito da 23 saloni d'esposizione distribuiti su circa 5.500 m², articolati su due piani e un sottotetto, e preserva quasi tre milioni di pezzi. Possiede inoltre un centinaio di diorami d'Italia che costituiscono la maggiore esposizione in Italia.
Al piano rialzato a una sala introduttiva che delinea la storia del museo, segue una zona illustrante le Scienze della terra con la sezione dedicata alla mineralogia, quelle sulla paleontologia e sull'origine ed evoluzione dei vegetali, degli invertebrati, e dei vertebrati, inclusa una sala con esposti scheletri di dinosauri e una ricostruzione in grandezza naturale di un triceratopo e si conclude con una sala sulla storia naturale dell'uomo. Altre due sale presentano gli invertebrati inferiori, i molluschi, gli artropodi e gli insetti attualmente viventi sulla Terra.
Le sale del primo piano sono per la maggior parte dedicate alla zoologia e alla presentazione dei principali ambienti naturali (ecosistemi marini; foreste e ambienti umidi tropicali; foreste temperate, taiga e montagne; ambienti artici e antartici e mammiferi marini; savane, praterie e deserti) con grandi diorami. L'esposizione si conclude con tre sale che descrivono gli ambienti, i parchi e le riserve naturali italiane; infine nel sottotetto sono in mostra una serie di piccoli diorami riproducenti dettagli degli ambienti naturali.
La biblioteca del museo è aperta al pubblico e nel 2015 è stata completata dall'assorbimento della Biblioteca dell'Acquario Civico.
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