LA FOTOSINTESI CLOROFILLIANA
Il carburante per i motori
Un’automobile per funzionare ha bisogno di un carburante, che in genere è un derivato del petrolio.
Il petrolio, a sua volta, è una miscela di moltissime sostanze diverse, che prendono il nome di
idrocarburi perché composte tutte da due soli elementi:
carbonio (C) e idrogeno (H). Benzina, kerosene, gasolio,
nafta, sono tutti carburanti che derivano dalla distillazione
del petrolio.
Il carburante viene bruciato e sviluppa l’energia che viene utilizzata dal motore. Così funziona non
solo l’automobile, ma anche qualunque altro macchinario che possa compiere qualunque tipo di
lavoro.
A seguito della combustione, il carburante non viene distrutto ma semplicemente trasformato in
altre sostanze.
Il caso più semplice è quando viene usato come carburante il metano, la cui
molecola è composta da un atomo di carbonio e 4 atomi di idrogeno (CH4).
Nella combustione il metano viene combinato con l’ossigeno presente nell’aria: si
formano anidride carbonica (CO2) e vapore acqueo (H2O) e, naturalmente, si sviluppa
l’energia che serve a far funzionare il motore.
METANO + OSSIGENO
ANIDRIDE CARBONICA + ACQUA +
CH4 + 2 O2
Energia
CO2 + 2 H2O + Energia
Si noti che le molecole dell’ossigeno contenuto nell’aria sono formate dall’unione di
2 atomi uguali.
?
molecola di
metano
molecola di
ossigeno
Ci si potrebbe chiedere: utilizzando le sostanze prodotte dalla combustione, non sarebbe
possibile, con opportune trasformazioni, riuscire a riottenere il metano?
In effetti sarebbe anche possibile realizzare la trasformazione inversa:
ANIDRIDE CARBONICA + ACQUA +
Energia
1
METANO + OSSIGENO
ma si deve risolvere un problema: poiché quando il metano è stato bruciato si è prodotta una certa
quantità di energia, per riuscire a ricostituirlo, bisognerebbe consumare la stessa quantità di
energia.
Dove prendere questa energia? Non sarebbe una buona soluzione quella di
bruciare altro metano, perché in questo modo per fare 1 litro di metano,
sarebbe necessario bruciare esattamente un altro litro di metano, senza
ottenere quindi nessun vantaggio (anzi sicuramente ci sarebbero delle perdite
per cui si avrebbe addirittura un danno).
Anche usare un altro carburante non risolverebbe il problema, perché sarebbe comunque necessario
consumarne una quantità equivalente a 1 litro di metano.
Riuscire a trovare una soluzione efficace significherebbe risolvere il problema delle fonti di energia
sulla terra.
!
È sorprendente, ma qualcuno una soluzione l’ha già trovato da milioni di anni!
Il carburante per gli esseri viventi
Un essere vivente (animale o vegetale) non è tanto
diverso da un motore: per funzionare ha bisogno di
consumare carburante, che però in questo caso non è un
idrocarburo, ma un’altra sostanza: il glucosio.
Il glucosio ha una molecola molto complicata, formata
da 6 atomi di carbonio, 12 atomi di idrogeno e 6 atomi
di ossigeno, per cui la sua formula è:
C6H12O6.
Esattamente come il motore dell’automobile, ogni essere
vivente utilizza il glucosio per ottenere l’energia
necessaria alla propria esistenza.
GLUCOSIO + OSSIGENO
molecola di glucosio
ANIDRIDE CARBONICA + ACQUA +
C6H12O6 + 6 O2
Energia
6 CO2 + 6 H2O + Energia
Questo processo prende il nome di respirazione cellulare (da non confondere con la
respirazione polmonare o esterna cui è comunque collegato).
2
Ogni essere vivente è costituito da piccole unità, chiamate cellule, visibili
solo al microscopio. Ci sono esseri formati da una sola cellula (ad es. i
batteri), altri (come noi) formati da molti milioni di cellule. Il processo di
respirazione avviene in tutte le cellule dell’essere vivente perché tutte
devono continuare a vivere.
La cosa importante è che alcuni esseri viventi sono in grado, oltre che di
utilizzare il glucosio, anche di fabbricarlo: sono le piante con foglie verdi.
Il processo viene chiamato
cellule al microscopio
fotosintesi clorofilliana:
ANIDRIDE CARBONICA + ACQUA +
Energia
6 CO2 + 6 H2O + Energia
GLUCOSIO + OSSIGENO
C6H12O6 + 6 O2
esattamente il processo inverso della respirazione cellulare e più o meno quello che si tentava di
ottenere per il motore dell’auto.
Ma l’energia da dove viene presa? Non certo consumando il glucosio,
sarebbe di nuovo un processo inutile: l’energia viene assorbita dalla
luce del sole.
Ma perché il processo possa avvenire deve essere presente una sostanza,
la clorofilla, che dà il colore verde alle foglie e che è in grado di filtrare la
parte utile della luce solare.
Nel processo di fotosintesi la pianta assorbe l’anidride carbonica dall’aria,
e l’acqua dal terreno, per mezzo delle radici e mentre il glucosio resta
immagazzinato nelle cellule della pianta stessa, l’ossigeno viene liberato
nell’atmosfera.
Bisogna tenere presente però che
non sempre una pianta è in grado
di compiere la fotosintesi: durante
la notte, mancando la luce del sole
viene a mancare la sorgente di
energia e il processo non può
avvenire.
Durante le ore diurne, la piante
compie la fotosintesi clorofilliana,
perciò produce glucosio, assorbe
anidride carbonica dall’aria, ed
emette ossigeno.
3
Contemporaneamente la pianta deve compiere anche il processo di respirazione, per cui consuma
parte del glucosio prodotto e inoltre, assorbe ossigeno dall’aria ed emette anidride carbonica.
La parte di glucosio consumata è però molto inferiore a quella prodotta, perché la fotosintesi è
molto più intensa della respirazione.
Lo stesso vale per gli scambi di gas con l’atmosfera: l’anidride carbonica consumata è molta di più
di quella emessa, mentre l’ossigeno consumata è invece molto minore di quello prodotto.
Durante le ore notturne la piante può solo compiere
il processo di respirazione, per cui consuma un po’
del glucosio accumulato durante il giorno, assorbe
ossigeno dall’aria ed emette anidride carbonica.
Nel complesso, tuttavia, poiché la quantità di
glucosio prodotta è molto elevata, la pianta ne
consuma solo una piccola parte e ne conserva una
grossa quantità.
Così, come risultato in tutte le 24 ore, la pianta
assorbe anidride carbonica dall’aria e emette
ossigeno.
Le molecole di glucosio prodotto e non immediatamente utilizzato vengono unite fra loro a formare
lunghe catene che prendono il nome di amido. L’amido viene immagazzinato nelle cellule dalla
pianta e conservato come riserva di carburante.
Un momento di pausa nella fotosintesi avviene anche nei mesi invernali (almeno per le piante a
foglie caduche), quando la pianta cade in una specie di letargo e rallenta le funzioni vitali,
utilizzando comunque il glucosio precedentemente accumulato.
Gli animali (e quindi anche gli esseri umani) non
sono in grado di compiere la fotosintesi
clorofilliana, ma hanno bisogno di rifornirsi in
continuazione di glucosio: perciò devono mangiare
vegetali, oppure mangiare altri animali che, a loro
volta si siano già nutriti di vegetali.
4
Gli
animali,
inoltre,
sottraggono
ossigeno
all’aria
ed
emettono
anidride carbonica, perciò le
piante sono indispensabili
alla sopravvivenza degli
animali, non solo perché
producono il glucosio, ma
anche perché riforniscono
l’aria di ossigeno e la
liberano
dall’anidride
carbonica.
produzione e consumo di glucosio
scambi gassosi fra esseri viventi e atmosfera
Perché un essere vivente continui a vivere è indispensabile che tutte le sue cellule possano utilizzare
la necessaria quantità di energia, cioè possano compiere il processo di respirazione (infatti parliamo
di respirazione cellulare). Ma per questo ogni cellula deve disporre del glucosio (il carburante) e
dell’ossigeno necessario a “bruciarlo”.
Vediamo cosa succede, ad esempio, nell’organismo umano.
5
L’ apparato circolatorio e respiratorio
Il glucosio viene introdotto con l’alimentazione e quindi attraverso l’apparato digerente.
Da qui viene portato a tutte le cellule da un “nastro
trasportatore” particolare: l’apparato circolatorio.
L’apparato circolatorio è costituto da un organo principale, il
cuore, che fa circolare in continuazione nell’organismo un
tessuto fluido dalla composizione molto complessa: il sangue.
Il sangue circola in piccoli condotti, i vasi sanguigni, che,
partendo dal cuore, si irradiano in tutto il corpo. Durante il
percorso i vasi sanguigni si suddividono in vasi sempre più
piccoli, fino ad arrivare a dimensioni microscopiche, i
capillari, che raggiungono ogni cellula del corpo. Il cammino
del sangue, però, prosegue nei capillari che tornano a
ricongiungersi e a confluire in vasi sanguigni sempre più
grandi, fino a tornare nuovamente al cuore. I vasi sanguigni
che portano dal cuore al
resto del corpo sono
chiamati arterie, quelli che
tornano dal resto del corpo
al cuore, sono chiamati
vene.
Passando
attraverso
l’intestino, il sangue assorbe
il glucosio e lo trasporta a
tutte le cellule del corpo.
struttura dei polmoni
apparato circolatorio umano
Il glucosio però non basta:
serve anche l’ossigeno, e
questo viene assorbito quando il sangue passa attraverso i
polmoni, l’organo principale dell’apparato respiratorio.
In effetti il sangue uscito dal cuore si dirige per prima cosa
verso i polmoni dove si arricchisce di ossigeno, contenuto
nell’aria che entra nei polmoni con la respirazione.
alveolo ingrandito
6
L’ aria
L’aria non è una sostanza, ma un miscuglio di parecchi gas: il più abbondante è l’azoto (N2)
che rappresenta il 78% dell’aria, mentre l’ossigeno (O2) ne costituisce il 21%.
molecola di azoto
molecola di ossigeno
Il rimanente 1% è costituito da vari gas tra cui l’argo, l’idrogeno, l’anidride carbonica, il
vapore acqueo, ecc..
Per la verità l’ossigeno presente nell’aria non può essere assorbito direttamente dal sangue: perché
questo succeda l’ossigeno deve prima essere sciolto nell’acqua. Nei nostri polmoni esiste perciò un
po’ di acqua, un velo di umidità: è proprio qui che si scioglie una piccola quantità di ossigeno, che
poi può passare nel sangue.
Occorre che ogni volta entri nei
polmoni una grossa quantità di aria,
perché solo una minima quantità di
ossigeno possa essere utilizzata.
Certamente sono più fortunati i pesci,
che, attraverso le branchie, assorbono
l’ossigeno già sciolto nell’acqua del
mare o del corso d’acqua in cui vivono.
Il sangue che esce dai polmoni ricco di
ossigeno è detto sangue arterioso e
naturalmente oltre all’ossigeno contiene
passaggio di ossigeno al sangue nei polmoni
il glucosio assorbito precedentemente
nell’intestino.
Il
sangue
torna
immediatamente al cuore (piccola circolazione o circolazione polmonare) e ne esce per dirigersi
verso tutte le cellule del corpo (grande circolazione o circolazione sistemica).
Passando vicino ad ogni cellula, la rifornisce di glucosio e di ossigeno, necessari per la respirazione
cellulare, ma riceve anche l’anidride carbonica e l’acqua che ogni cellula ha prodotto.
Il sangue perciò torna al cuore povero di ossigeno e ricco di anidride carbonica e viene chiamato
sangue venoso.
Terminata la grande circolazione il sangue torna al cuore, e poi nuovamente ai polmoni. Qui scarica
l’anidride carbonica e parte dell’acqua (parte dell’acqua viene scaricata anche dai reni) e assorbe
nuovamente ossigeno, ripetendo poi il ciclo precedente.
7
schema dell'apparato circolatorio e degli scambi di sostanze con il resto del corpo
8
Le proteine
Durante la fotosintesi clorofilliana non si forma solo il glucosio, ma anche altre
sostanze importanti chiamate amminoacidi.
Per formare gli amminoacidi, oltre all’anidride carbonica e all’acqua, è necessaria
un’altra sostanza: l’ammoniaca (NH3) che viene assorbita dal terreno per mezzo dei
sali minerali sciolti nell’acqua.
ANIDRIDE CARBONICA + ACQUA + AMMONIACA + Energia
molecola di
ammoniaca
AMMINOACIDI
Esistono 20 tipi di amminoacidi diversi. Questi
amminoacidi vengono uniti in lunghe catene che prendono
il nome di proteine.
Come il glucosio rappresenta il carburante degli esseri
viventi, così le proteine rappresentano il materiale di
costruzione di cui sono fatti tutti gli esseri viventi animali e
vegetali.
Ogni specie di esseri viventi è costituita da proteine
diverse da tutte le altre specie, ma ciascuna di queste
proteine deriva dall’unione dei 20 tipi di amminoacidi
naturali. Si può dire che gli esseri viventi sono fatti da
materiali diversi, ma tutti ottenuti dalla composizione di 20
“mattoni”.
Come per il glucosio, gli animali non possono fabbricare il
proprio materiale di costruzione, non essendo in grado di
compiere la fotosintesi, ma devono assorbire questo
materiale nutrendosi di vegetali o nutrendosi di altri animali
che si siano nutriti di vegetali.
C’è però un problema: se le proteine sono diverse da una
specie all’altra, come è possibile per un animale utilizzare le
proteine di un’altra specie per costruire il proprio corpo?
Nell’apparato digerente degli animali, le proteine vengono
spezzate e vengono rimessi in libertà i singoli amminoacidi.
L’apparato circolatorio porta poi questi amminoacidi a tutte
le cellule del corpo (come avviene per il glucosio). In ogni
cellula esiste uno stampo speciale chiamato RNA (Acido
RiboNucleico) che provvede a ricomporre le catene di
amminoacidi, ma questa volta a formare le proteine della
propria specie.
9
Il fatto che tutte le proteine di tutte le specie siano formate sempre solo dagli stessi 20 amminoacidi,
rende possibile trasformare le proteine di una specie in quelle di un’altra.
L’alimentazione
Nelle cellule sia animali che vegetali, dalla trasformazione del glucosio, si ottengono altre sostanze
chiamate grassi o lipidi. I lipidi possono essere usati come carburante al posto del glucosio, e
vengono immagazzinati nelle cellule come riserva di energia.
In certe occasioni tuttavia, anche le proteine possono essere “bruciate” per ottenere energia.
alimenti
ricchi di
glucidi:
L’alimentazione, per fornire all’organismo le
sostanze necessarie, deve prevedere la presenza
di:
pane,
pasta,
zucchero,
datteri,
banane
Carboidrati (o glucidi o zuccheri) che sono
sostanze derivate dalla trasformazione del
glucosio e servono soprattutto per produrre
energia in modo rapido;
Lipidi (o grassi) che servono sempre per
produrre energia, ma vengono di preferenza
immagazzinati come riserva;
alimenti
ricchi di
lipidi:
strutto,
salsiccia,
burro,
olio di oliva,
cacao,
cioccolato
Proteine che possono anche essere utilizzate per
ottenere energia, ma servono soprattutto come
materiale di costruzione dell’organismo.
Sono necessarie però anche altre sostanze:
alimenti
ricchi di
proteine:
le vitamine che regolano alcuni processi vitali;
i sali minerali, che le piante assorbono dal
terreno sciolti nell’acqua, e che sono importanti
soprattutto per la presenza di alcuni elementi
metallici che vengono detti elettroliti, coinvolti
in molti processi vitali (ad esempio il calcio nella
formazione delle ossa, il ferro nel trasporto nell’ossigeno nel sangue, ecc.).
La maggior parte degli alimenti contiene in misura variabile le sostanze su elencate.
Una persona adulta, di statura e peso normali, avrebbe bisogno ogni giorno di:
3000 Kcal
di energia
64 g
di proteine
e inoltre:
600 mg
10 mg
di calcio
10
di ferro
carne,
pesce,
uova,
latte,
formaggio
kcal
247
Pane (integrale)
257
358
360
304
35
65
326
395
402
728
730
890
Pane (bianco)
Riso (brillato)
Riso (integrale)
Miele
Latte (scremato)
Latte (intero)
Stracchino
Parmigiano
Emmenthal
Margarina
Burro
Strutto
g
g
48
2.9
52,7
80
77,4
80
5
4.8
0,4
1
2.7
0,4
0.7
0
894
77
341
394
500
421
113
122
0
Fegato di vitello
140
4.5
Carne di vitello
142
161
162
171
74
75
119
241
74
17
17
22
26
35
42
43
80
92
135
0lio d'oliva
Uovo di gallina
Salsiccia fresca
Mortadella
Prosciutto crudo
Prosciutto cotto
Carne ai cavallo
Carne magra di manzo
-
Carne magra di maiale
Coniglio
Pollo
Merluzzo
Sogliola
Triglia
Anguilla
Mitili
Lattuga
Zucchine
P0modori freschi
Spinaci
Fagiolini
Cipolla
Carota
Patate
Piselli
Fagioli freschi
Patatine fritte
Limone
Fragole
Mandorle secche
Noci secche
Arachidi tostate
Ribes
Arance
The
Caffè (amaro)
Coca-Cola
_.~
568
26
38
622
659
588
58
48
1.4
4.5
43
0,4
0.62
0.51
0,79
0,75
0,8
0
.
-
B1
B2
B6
PP
C
Na
K
Ca
Fe
g
mg
mg
mg
mg
mg
mg
mg
mg
mg
mg
9.4
0
0.29
0.14
-
3.20
0
650
340
96
2,4
400
3
9
3
53
57
816
420
212
10
0.3
126
40
100
18
150
32
30
5
145 126
142 123
- 121
141 1188
105 1135
7
12
18
15
0.20 1
1
0.8
1.6
0,7
0.15
0.10
0,44
1
1,10
0.05
0.20
0,10
0.20
67
140
84
350
350
245
370
0.5
26
6
9
9.50
9,50
12
11
0.08
1.30
1,60
2.20
2,40
2.40
2.70
2.80
6
8,3
7.1
7.5
0
0,4
0.1
3.5
3,7
3,5
26,4 22.1
26
37
30
29
81
0,6
82
0,7
0
99
5
39.8
0.3
0,6
54.1
60
48
0.1
0.2
0
0.1
0
0
0
0
0
0.01
0.04
0.32
0.50
0.34
0.90
0,90
0.14
0.15
0,01
0.05
0.05
0.08
0.04
0.05
0.05
0.18
0.16
0.35
0,63
0,40
0
0
0
0.01
0
0.10
0.30
0
0
0
0.12
0
0
0,04
2.30
3
4
4
4,7
4,4
0
-
0,09
0
0
0
.0
6.1
14,32
16.60
19.50
20.18
21,7
19
0,16
0.02
0.06
0.32
0.31
0.82
0.54
0,06
0,12
0.16
0.16
0.30
0.19
0.21
0.11
0.20
19.5
8,40
0.20
2,80
1.20
0
0.24
0.24
0.10
0.20
0.11
0.14
0.07
0,37
0.22
0.08
0.06
0.04
0.20
0.15
0.04
0.06
0.04
0.16
0.12
0.20
0,54
0.05
0.26
0.10
0.30
2,40
0.20
0.01
3.60
0.01
0.20
0.08
0.15
0.90
0,05
0.10
0.08
0.10
0.07
0.28
0.16
0.06
0.04
0.06
0.10
0.09
0.03
0.09
0.11
0.30
0.22
0
0.01
0.02
0.02
0.01
0.11
0.07
0,06
0.21
0,04
0.03
0,20
0.35
0.70
0.05
0.10
0
0
0.07
0.02
0.07
0.80
0.13
0.26
0.03
0.03
0.04
0
0.01
0
5.3
1.1
0.7
19.5
16
26
1
0,9
0.1
0,3
-
0
0
0
-
0.01
0
0
0
-
-
-
11
0.30
0.10
0,10
0.11
0.20
0.10
-
0
0
0
0.90
1,60
4,70
0
0.10
0.06
0.29
0.01
0.04
0.04
0,02
0.02
0.04
0.06
0
0
0.5 10,4
19.7
1
8.2
19.6
0.5
8
21
1.3
9.7
19.6
0.40 1
15.7
0.50 1
16
1.16 5.20 15,7
0.67 19.60 14.6
2.20 1.80 12
2,4
0.3
1.2
3
0.1
1.5
4.5
0.2
1.1
4
0,4
3.3
7
0.2
2,2
9.5
0.1
1.5
9.3
0.3
1.1
18
0.2
2.1
16
0,4
6,7
22
1
9
50
9
8
18.5
16
20
14
11
0.2
0.6
11
Elettroliti
A
0,9
0.5
1,9
99.9
5.5
30.8
36.1
46
34.5
2.3
1.7
Vitamine
Proteine
Lipidi
Glucidi
Calorie
Composizione e valore calorico dei principali alimenti (quantità presenti in 100 g di prodotto):
-
0
-
0.60
0.50
0.20
0.25
-
0.07
0.10
0.20
0.14
0.10
0.12
0.20
0.18
0.55
-
0.06
0.04
0.10
1
0.30
0.08
0.03
-
-
-
16.5
7
5.5
0
7,4
2.10
4
4.20
1,40
1.60
0,30
1
0.60
1
0.50
0.20
0.50
1.60
2
1.40
0
0
7
1.70
1.70
0
0
0.50
2
1
0.15
66
740
220
1100
1100
32
51
33
90
324
9
0
1
3
3.2
2
2
2
17
12
15
25
45
17
12
6
20
25
25
69
67
40
84
81
110
94
290
12
1
3.5
110
1.2
10
45
3
1.5
1
345
303
392
338
350
290
275
10.5
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15
12
14
70
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18
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20
12
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14
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0
0
0
0
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0
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0
0.90
-
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4
-
2.70
2.20
2.70
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24
'1.20
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2
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1.8.9
.
0.60
0.90
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2.50
2.20
1
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0.20
-
