Fissaidee 2

1. Ruolo ecologico della fotosintesi /1

Le piante sono in grado di realizzare la fotosintesi ossigenica. Non è una loro prerogativa esclusiva, infatti anche altri gruppi di organismi, come le alghe pluricellulari, alcuni protisti unicellulari e i cianobatteri, sono in grado di far avvenire questo processo. Questi organismi vengono detti fotoautotrofi, cioè in grado di nutrirsi di sostanze inorganiche, e grazie all’energia ricavata dalla luce del sole, trasformarle in sostanze organiche assimilabili dagli altri organismi, per questo definiti eterotrofi.

La capacità fotosintetica delle piante è fondamentale per la vita sul nostro pianeta e in particolare per quanto riguarda il loro ruolo ecologico sulla terra ferma. 

Attraverso questo processo infatti alcuni organismi viventi sono in grado di catturare l’energia radiante delle onde elettromagnetiche nella frequenza della luce visibile, e trasformarla in energia chimica, che è alla base del flusso di energia che riguarda quasi tutti gli ecosistemi sulla terra.

2. Ruolo ecologico della fotosintesi /2

Grazie alla fotosintesi inoltre, due reagenti inorganici, cioè la CO₂ e l’acqua, entrano a far parte dei composti di cui sono costituiti gli organismi viventi. 

L’azione fotosintetica delle piante, quindi, tende ad aumentare la biomassa sul nostro pianeta; mentre noi animali e altri eterotrofi tendiamo a farla calare. La fotosintesi ossigenica inoltre negli ultimi 2 miliardi di anni ha permesso un aumento del livello di ossigeno nell’atmosfera. La presenza di ossigeno molecolare inoltre è fondamentale perché attraverso alcuni processi fotochimici possa formarsi uno strato di ozono che scherma una parte consistente dei raggi ultravioletti, dannosi per gli organismi viventi.

3. La biochimica della fotosintesi /1

La fotosintesi è un processo complesso costituito da due fasi fortemente interconnesse l’una all’altra, che nella maggior parte dei casi avvengono contemporaneamente e accoppiate.

L’energia della luce viene utilizzata per eccitare una coppia di elettroni delle clorofille, molecole di colore verde legate a speciali proteine che costituiscono i fotosistemi.

Questi complessi pigmenti/proteine sono localizzati sul sistema di membrane interne dei cloroplasti detto tilacoidale. 

Il passaggio di questi elettroni attraverso una serie di molecole in grado di acquisirli e cederli molto rapidamente porta alla produzione di alcune molecole particolarmente energetiche come l’ATP e il NADPH. In questo processo gli elettroni vengono strappati da molecole d’acqua che perdono così anche i protoni (H⁺) e si trasformano in ossigeno molecolare (O₂). Questa prima fase della fotosintesi viene definita “fase luminosa”.

4. La biochimica della fotosintesi /2

La seconda fase, detta “di organicazione”, avviene nello spazio acquoso delimitato dalla membrana interna ed esterna dei cloroplasti, cioè nello stroma, dove avviene il ciclo di Calvin che permette l’organicazione del carbonio. In un momento fondamentale di questo processo ciclico, l’enzima RuBisCO riesce a legare una molecola di CO₂ ad uno zucchero a 5 atomi di carbonio, creando momentaneamente uno zucchero a 6 atomi di carbonio. Una serie di reazioni chimiche successive permette che questa reazione di organicazione possa ripetersi molte volte in modo che si possa ricostituire lo zucchero a 5 atomi di carbonio necessario alla RuBisCO per la reazione di organicazione primaria e che i vari atomi di C derivanti dalla CO₂ possano essere convertiti in molteplici molecole organiche. 

Ovviamente entrambe le fasi sono importanti, ma è da sottolineare che è la fase luminosa quella in cui avviene la “cattura” della luce, cioè la trasformazione dell’energia da una forma fisica (il fotone di luce) a una chimica (l’energia di legame chimico nelle molecole di ATP e NADPH). La successiva fase di organicazione della CO₂ nel ciclo di Calvin non è altro che una serie di reazioni chimiche, rese possibili dalla disponibilità di ATP e NADPH.

5. Fisiologia e fotosintesi

La CO₂ entra nelle piante attraverso gli stomi e in ultima istanza questo processo permette la sottrazione di anidride carbonica dall’aria. Nella maggior parte delle piante queste due fasi avvengono negli stessi cloroplasti e in sincronia. Eppure in alcuni gruppi di piante, che si trovano tipicamente a latitudini più calde e in cui l’acqua scarseggia, esistono delle differenze. Le piante C4, a cui appartengono anche il mais e la canna da zucchero, fanno avvenire le due fasi in due tipi di cellule diverse; 

di contro le piante CAM, a cui appartengono molte piante succulente, hanno adottato una compartimentazione temporale e la cattura della CO₂ può avvenire di notte. 

Come abbiamo visto l’acqua è essenziale per la fotosintesi, dato che ne è reagente. Inoltre risulta fondamentale perché una sua continua fuoriuscita dalle foglie sotto forma di vapore (traspirazione) permette di creare un flusso che trasporta i nutrienti minerali dalle radici alle zone fotosintetiche. Infine, il suo passaggio di stato da liquido a gassoso negli spazi tra le cellule del mesofillo della foglia raffredda la foglia stessa, evitando così che le cellule si danneggino per le temperature eccessive. Per questo motivo durante i periodi più caldi in carenza di acqua si instaura un vero e proprio equilibrio nell'apertura e chiusura degli stomi: l’apertura è essenziale per far entrare più anidride carbonica, ma può far disperdere troppa acqua; e viceversa. 

Non sorprende quindi che la crescita delle piante, e quindi la produttività degli ecosistemi e delle colture agricole sia fortemente influenzata dalla disponibilità d’acqua nel suolo.