Fotosintesi clorofilliana: cos’è e come funziona

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Come avviene la fotosintesi clorofilliana?

Il mondo vegetale mediante la fotosintesi clorofilliana permette la trasformazione di sostanze inorganiche semplici e molto stabili come CO2 e H2O in sostanze organiche ricche di energia, di cui tutti i viventi si nutrono sia per formare nuova sostanza vivente, sia per produrre energia, degradandole a CO2 e H2O (respirazione). La fotosintesi costituisce cioè la prima parte del complesso ciclo del carbonio, che insieme a quello dell’azoto permette un’ininterrotta circolazione di elementi chimici dal mondo minerale a quello vivente e viceversa.

Il Carbonio

Il Carbonio (C) non metallo, in natura lo si rinviene nella sua forma cristallina come diamante e come grafite; nella sua forma amorfa è contenuto nei carboni fossili. I suoi composti si dividono in organici, in numero straordinariamente grande, e inorganici. Questi ultimi si dividono in ossidi (per esempio, “monossido di carbonio” CO, “biossido di carbonio” CO2 ecc.), carbonati, composti con non metalli (per esempio, cloruri, solfuri ecc.) e composti con metalli (carburi). Il Carbonio-Tetracloruro di carbonio è un composto chimico di notevole interesse tossicologico, in quanto è spesso responsabile di avvelenamenti acuti e cronici sia a livello domestico (tetracloruro contenuto negli smacchiatori domestici) sia in campo industriale.

L’Azoto

L’Azoto è un elemento chimico di simbolo N, numero atomico 7, peso atomico 14,008. Si trova allo stato libero nell’aria, di cui costituisce i 4/5, e in numerosi composti inorganici e organici. È un gas incolore e inodore, con molecola biatomica, poco solubile in acqua, con punto di ebollizione – 195,8°C e di solidificazione – 210°C. L’impiego principale è nella preparazione di molti composti importanti come ammoniaca, sali di ammonio, acido nitrico, azoturi ecc. È detto ciclo dell’azoto il complesso delle trasformazioni che l’azoto subisce nell’ambiente e attraverso le quali viene garantito agli esseri viventi l’apporto continuo e regolare di materiali azotati indispensabili per le funzioni vitali.
L’azoto è uno degli elementi nutrienti che si possono trovare in un corpo idrico. E’ presente in diversi stati di ossidazione, sottoforma di ione nitrato, nitrito e ammonio, che è in equilibrio con l’ammoniaca in funzione del pH.

Molti composti organici, quali ad esempio urea, aminoacidi, peptidi, contengono l’azoto nella forma ridotta. In ambiente aerobico l’azoto è presente come nitrato, che può intervenire nei processi di ossidazione quando l’ossigeno scende a bassi livelli.

Determinazione dei nitrati

I nitrati si trovano nelle acque naturali in quanto rappresentano l’ultimo stadio ossidativo del ciclo dell’azoto. Tale ciclo corrisponde al processo di disgregazione della materia organica (proteine) presente nel suolo e nelle acque, da parte di microrganismi che portano dapprima alla formazione di ioni ammonio e successivamente ad una ossidazione di questi a nitriti e nitrati. Inoltre, le maggiori fonti di nitrati per le acque sono rappresentate dall’inquinamento biologico, dai fertilizzanti etc.
La determinazione dei nitrati viene fatta con il metodo colorimetrico al salicilato di sodio. I nitrati reagiscono con il salicilato di sodio formando un composto (il paranitrosalicilato di sodio) di colore giallo il cui spettro di assorbimento presenta un picco a 420 nm.

Determinazione dei nitriti

I nitriti presenti nelle acque sono indice di una incompleta ossidazione a nitrati delle forme ridotte dell’azoto (azoto organico e ammoniacale). La determinazione dei nitriti viene fatta con il metodo spettrofotometrico al reattivo di Griess.

Determinazione dell’ammoniaca

La presenza di ammoniaca nell’acqua è legata alla degradazione biologica dei composti organici azotati (proteine). La sua presenza, anche in tracce, è spesso indice di inquinamento organico recente.
L’azoto ammoniacale può essere dosato mediante spettrofotometria di assorbimento molecolare a 420 nm utilizzando la reazione di Nessler.
I risultati più attendibili nel dosaggio dell’ammoniaca si ottengono solo da campioni prelevati di fresco in quanto una eventuale flora batterica presente nell’acqua ne può variare rapidamente il contenuto. Nell’eventualità che non fosse possibile effettuare rapidamente la determinazione è opportuno prendere alcune precauzioni per bloccare l’attività biologica dei microrganismi che possono essere eventualmente presenti nell’acqua. I campioni vanno perciò conservati a bassa temperatura (4°C) dopo aver aggiunto 0,8 ml di acido solforico concentrato per litro di campione. Al momento dell’analisi il campione va neutralizzato prima con NaOH o KOH.

La fotosintesi clorofilliana

La fotosintesi clorofilliana, funzione caratteristica delle piante verdi, è un processo chimico che consiste nel trasformare l’anidride carbonica (CO2) presente nell’aria, quella sciolta nell’acqua, e l’acqua (H2O) in composti organici, in prevalenza carboidrati, e serve a produrre alle piante il nutrimento. Il processo avviene in presenza di clorofilla esposta alla luce.

La clorofilla

fotosintesi clorofilliana
Particolare di una Foglia

La clorofilla è il pigmento verde, capace di assorbire le radiazioni solari.
Chimicamente essa é costituita da carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto e magnesio ed é concentrata in alcuni corpiccioli, i cloroplasti, localizzati nelle parti verdi della pianta e, in particolare, nelle foglie.
La luce è l’agente capace di attivare tale processo chimico. Essa viene assorbita dalle molecole di clorofilla, le eccita e provoca spostamenti di elettroni all’interno degli atomi. L’energia che si accumula viene utilizzata per far avvenire le reazioni chimiche che portano alla scissione delle molecole d’acqua (H2O).
Rompendosi, la molecola d’acqua libera ossigeno (O2). L’idrogeno (H2), invece, compie un processo abbastanza complesso, che combinandosi (reagendo) con l’anidride carbonica (CO2), produce zucchero (C6H12O6).
Il destino dello zucchero, invece, é legato alla capacità che le cellule vegetali hanno di immagazzinarlo sotto forma di amido, per poi utilizzarlo quale fonte di energia per compiere le proprie attività vitali (respirazione).
In definitiva il processo fotosintetico può essere considerato l’anello di congiunzione tra due mondi, quello vivente e quello non vivente.
Infatti, osservando la reazione chimica che presiede al processo, si vede chiaramente come dall’incontro di due sostanze inorganiche, col solo apporto della radiazione solare, si pervenga alla formazione di una sostanza organica, lo zucchero, che entra a far parte del tessuto vivente delle piante.

Bisogna sottolineare come solo i vegetali verdi siano i responsabili del mantenimento della vita in ogni ambiente. Essi, infatti, catturano quell’immensa fonte di energia che é la luce solare, la quale, in assenza di questi recettori, andrebbe dispersa nello spazio.
Infatti la fotosintesi clorofilliana immagazzina una quantità di energia radiante di circa 100.000 volte inferiore di quella proveniente dal sole fissando una quantità di energia stimata in 10 volte i consumi mondiali annui di energia di ogni tipo.

In sostanza possiamo riassumere il processo di fotosintesi clorofilliana con la seguente formula (un pò semplificata):

Anidride carbonica (CO2) + Luce + Acqua (H20) = Zuccheri (Energia) + Ossigeno (O2)

La fotosintesi, in breve, è composta da due processi che si alternano tra loro: la fase luminosa e la fase oscura e la sua funzione può essere schematizzata in tre semplici passaggi:

  1. Cattura di energia luminosa (fotone) ad opera di un pigmento sensibile alla luce (clorofilla). Per una maggiore precisione la lunghezza d’onda maggiormente sfruttata dalla clorofilla è quella corrispondente alla luce rossa.
  2. Serie di reazioni chimiche (prevalentemente ossidoriduzioni) che trasferiscono gli elettroni acquisiti dalla clorofilla ad un accettore
  3. Utilizzazione dell’energia prodotta nei cicli precedenti, mendiante un processo chimico, per incorporare elettroni ed ioni H+ nel diossido di carbonio (e più H+ più CO2) per trasformarlo in un composto ridotto e con elevato contenuto energetico

Nella fase luminosa, l’energia luminosa emessa dal Sole viene assorbita dalle molecole di clorofilla presenti nei cloroplasti e fornisce la forza (che si misura in Newton N) capace di rompere i legami di una molecola d’acqua, scindendola in ossigeno e idrogeno. A questo punto l’ossigeno viene liberato come prodotto di scarto, esce dal cloroplasto e poi, attraverso gli stomi. L’idrogeno, invece, è utilizzato nelle reazioni successive della fase oscura cioè quella fase della fotosintesi che avviene anche quando la pianta è al buio e produce glucosio. Durante la fase luminosa, parte dell’energia proveniente dalla luce solare viene utilizzata per produrre ATP (molecola energetica adenosintrifosfato (ATP). Composto che immagazzina l’energia necessaria al metabolismo cellulare. È formato dalla base azotata adenina, dallo zucchero ribosio e da tre radicali fosforici).
In particolare le reazioni che compongono la fase luminosa avvengono nei tilacoidi (Sottile sacco membranoso presente nei cloroplasti che contiene clorofilla), strutture sacciformi impilate ordinatamente all’interno dei cloroplasti; quando la luce rossa o blu colpisce una molecola di clorofilla in essi contenuta, questa viene attivata e un suo elettrone assorbe energia e abbandona la clorofilla.

Gli elettroni eccitati possono seguire due percorsi: nel primo, vengono trasportati da una catena di accettori, i citocromi (Proteina che fa parte della catena di trasporto degli elettroni nei processi di respirazione cellulare e di fotosintesi), e nel passaggio cedono energia incamerata nelle molecole di ATP; alla fine della catena gli elettroni a bassa energia ritornano alla molecola di clorofilla originale, dove possono venire nuovamente eccitati con assorbimento di luce (Si intende per assorbimento: In fisica, indica la proprietà di un corpo allo stato liquido o gassoso di penetrare all’interno di un altro corpo allo stato liquido o solido mantenendo le proprie caratteristiche. Riferito alle onde elettromagnetiche, indica la quantità di energia che viene assorbita e quindi persa durante il percorso di propagazione delle onde. In fisiologia, indica il passaggio di sostanze liquide e nutritive, disciolte o gassose, nel sangue o nella linfa mediante una membrana organica o, in fisiologia vegetale, dal terreno ai vasi legnosi) . Nel secondo percorso, gli elettroni, carichi di energia, vengono trasportati all’esterno dei tilacoidi e serviranno poi per la sintesi dei carboidrati nella fase oscura.
Tutte queste reazioni durano meno di un milionesimo di secondo, tempo sufficiente per trasformare l’energia luminosa in energia chimica (l’energia di legame o energia chimica è l’energia necessaria per rompere un legame chimico oppure energia che si libera quando si forma un legame. Si misura in kJ/mole).

Quindi, in breve, la funzione meglio conosciuta con il termine di fotosintesi clorofilliana è la sintesi (formazione di composti) in presenza di luce (foto) e di clorofilla mentre il processo per cui le piante si preparano il nutrimento si chiama fotosintesi (photos che significa “luce”, e synthesis che significa “mettere assieme”).
Solo le piante verdi possono assorbire acqua dal suolo e anidride carbonica dall’aria e con l’aiuto della luce trasformarle in sostanze zuccherine.

Vediano ora in cosa consiste la fase oscura.

La fase oscura avviene sia al buio che durante le ore di luce.
In questa fase, che si realizza nel cloroplasto, l’anidride carbonica, proveniente dall’esterno, e l’idrogeno, liberatosi dall’acqua nella fase luminosa, sono impiegati per produrre glucosio (C6H12O6) utilizzando l’energia dell’ATP. Il processo che porta alla sintesi del glucosio prende il nome di “ciclo di Calvin”.

Dato che questo processo avviene anche al buio, la fonte di energia non è la luce, bensì le molecole (atomi uguali o diversi, legati fra loro da legame chimico) ricche di energia prodotte nella fase luminosa (come l’ATP).
Questa fase, costituita da un insieme di reazioni cicliche, avviene nello stroma dei cloroplasti nei quali è presente uno zucchero composto da 5 atomi di carbonio (il ribulosio) che si combina con l’anidride carbonica prelevata dall’atmosfera.

Le molteplici reazioni di questo ciclo sintetizzano uno zucchero a 3 atomi di carbonio (la fosfogliceraldeide), che viene diffuso al di fuori del cloroplasto.
A partire da questo zucchero semplice, le cellule delle piante producono glucosio, che si presenta sotto forma di saccarosio (zucchero disaccaride formato da una molecola di glucosio e una di fruttosio legate da un legame glicosidico) e di amido o miscela di amilosio (polisaccaride costituito da una catena lineare di molecole di glucosio) e amilopectina (polisaccaride costituito da una catena ramificata di molecole di glucosio).

Quindi il glucosio è il carburante delle cellule, un composto in cui è immagazzinata l’energia utilizzabile dalle cellule di tutti gli organismi viventi, che si libera quando questo zucchero si combina con l’ossigeno.
Questo processo, detto respirazione cellulare (processo, che avviene nei mitocondri delle cellule, di demolizione chimica degli alimenti per ottenere l’energia necessaria alle funzioni vitali), è una combustione controllata, che avviene in modo da liberare energia un po’ alla volta, sotto forma di molecole di ATP, infatti il rilascio di molta energia contemporaneamente, danneggerebbe la struttura delle macromolecole cellulari.

La respirazione cellulare, controllata da diversi enzimi, si realizza in due fasi:

  • fase anaerobica o glicolisi:
    avviene nel citoplasma (sostanza gelatinosa che riempie ogni spazio della cellula, escluso il nucleo) della cellula (la più piccola porzione di materia vivente, capace di compiere tutte le funzioni vitali: nascere, crescere e riprodursi, considerata l’unità funzionale degli organismi viventi), senza ossigeno;
  • fase aerobica:
    avviene nei mitocondri (organulo di forma granulosa o filamentosa presente nel citoplasma di tutte le cellule animali e vegetali. Al suo interno sono presenti gli enzimi dei principali cicli metabolici deputati alla produzione di energia che serve alla vita della cellula stessa. La sua attività respiratoria può avvenire solo in presenza di ossigeno) in presenza di ossigeno.
    Comprende il ciclo di Krebs (serie di reazioni della fase aerobica della respirazione cellulare nelle quali vengono prodotte anidride carbonica, acqua ed energia) e la catena respiratoria.

Dato che le piante non necessitano di tutto l’ossigeno a loro disposizione, per la preparazione delle sostanze nutritive, emettono quello che hanno in eccesso. Questo ossigeno viene poi utilizzato insieme alle piante dagli animali.

Gli scienziati sono a conoscenza di tutte queste sostanze e dei procedimenti che formano questo meraviglioso processo, ma sono incapaci di copiare lo stesso processo in laboratorio: vi è un segreto nelle cellule delle piante verdi che l’uomo non ha ancora saputo scoprire.

Quindi è l’energia elettromagnetica contenuta nella luce del sole che, convertita dalla fotosintesi in energia chimica, viene racchiusa nelle molecole delle sostanze zuccherine. Lo zucchero potrà poi essere convertito in amido.

Il ritmo della fotosintesi dipende da varie condizioni, quindi tener presente quanto segue:
Una grande quantità di acqua aumenta il ritmo della fotosintesi.
La temperatura migliore per la formazione delle sostanze nutritive varia dai 20° ai 40° C.
La concentrazione di anidride carbonica presente nell’acqua risulta importante, l’aria contiene lo 0,05% di anidride carbonica e la pianta ne può usare un massimo del 5%.
Negli acquari l’anidride carbonica è presente come prodotto finale della respirazione delle stesse piante, dei pesci e del lavoro che i milioni di microrganismi che vivono sul fondo o nei filtri fanno consumando ossigeno ossidando le sostanze di rifiuto. Per cui è consigliabile non superare mai il limite di 20 milligrammi per litro e mantenerli tra i 5-15 milligrammi/litro.

La concentrazione e la natura della luce controllano la fotosintesi e quindi è importante un buon impianto di illuminazione ma rammentare che la produzione delle sostanze nutritive è più attiva in circa un decimo dell’intera luce solare e che in definitiva troppa luce tende a distruggere alcuni prodotti della fotosintesi.
L’alimento preparato nelle foglie od in altre parti verdi di una pianta viene distribuito alle varie parti della stessa e solo in parte conservato per ulteriori utilizzazioni.

Si deduce da tutto quanto su scritto che le piante verdi sono praticamente gli unici organismi viventi capaci di fabbricarsi da soli il nutrimento, ricavandolo da sostanze inorganiche ( acqua, anidride carbonica e sali minerali )e per questo sono dette autotrofe, cioè che si nutrono da sé.

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