LO STUDIO DELLA FOTOSINTESI NEL CORSO DEL
TEMPO, IL SUO UTILIZZO ODIERNO E LE PROSPETTIVE
FUTURE
Che cos’è?
La fotosintesi è il processo biochimico tramite il quale gli organismi autotrofi producono glucosio a partire da acqua
e diossido di carbonio (anidride carbonica) utilizzando la luce solare come fonte di energia. La fotosintesi consente
di trasformare l'energia solare in energia chimica. E' utilizzata dagli organismi che contengono clorofilla (piante)
per produrre glucosio dall'acqua contenuta nel terreno e dall'anidride carbonica presente nell'atmosfera (aria). La
clorofilla è un particolare pigmento verde fotosensibile, contenuto all'interno dei cloroplasti, in grado di assorbire
la luce solare. Tramite la fotosintesi l'organismo è in grado di utilizzare nel processo alimentare le sostanze
inorganiche semplici.
Formula chimica della fotosintesi clorofilliana:
Nella formula abbiamo due sostanze reagenti:
o
6 molecole di diossido di carbonio (CO2)
o
6 molecole d'acqua (H2O)
L'azione della luce solare catturata tramite la clorofilla permette di ottenere due prodotti:
o
1 molecola di glucosio (C6H12O6)
o
6 molecole di ossigeno (O2)
Quali sono i suoi effetti biologici?
Nella biologia la fotosintesi clorofilliana ha una fondamentale importanza per gli esseri viventi. Possiamo
individuare due effetti biologici:
.
1)
Metabolismo e sintesi molecolare:
La fotosintesi è alla base della catena alimentare. Consente di utilizzare nel processo
alimentare le sostanze inorganiche semplici, come l'acqua nel terreno e il biossido di carbonio
nell'atmosfera. La fotosintesi è anche l'unico sistema in grado di trasformare direttamente
l'energia solare in energia chimica (glucosio) utilizzabile per la sintesi molecolare e per il
metabolismo degli esseri viventi. Gli organismi che contengono clorofilla (piante verdi) sono capaci
di attuare il processo biochimico della fotosintesi e produrre il glucosio necessario al
metabolismo. Tutti gli altri organismi non fotosintetici sono, invece, obbligati a procurare il
glucosio tramite l'alimentazione, cibandosi degli organismi fotosintetici. Da questo rapporto di
dipendenza ha origine la catena alimentare della bisosfera.
2)
Produzione di ossigeno:
La fotosintesi ha creato l'aria respirabile sulla Terra. Nel corso del processo di fotosintesi
clorofilliana gli organismi fotosintetici non producono soltanto energia, tramite gli zuccheri
(glucosio), ma anche ossigeno. Le piante assorbono l'anidride carbonica presente nell'aria e
rilasciano ossigeno. Questo processo ha consentito a creare sulla terra l'aria respirabile che oggi
gli esseri viventi utilizzano nei processi respiratori per la vita in superficie. La fotosintesi ha
permesso agli organismi viventi di lasciare progressivamente l'ambiente marino per colonizzare
quello terrestre.
Chi l’ha scoperta?
Aristotele
Jan Ingenhousz
J. Helmont
Già Aristotele osservò che, se gli animali si procuravano cibo per potere sopravvivere, le piante, che non
ingeriscono alimenti dall'esterno, dovevano in qualche modo trarre dal terreno i principi nutritivi. La prima prova
che la nutrizione delle piante non poteva dipendere soltanto dalle sostanze contenute nel terreno fu data nel
XVII secolo dal medico J. Helmont che, dopo avere coltivato un salice in vaso, fornendo solo acqua, in cinque anni
osservò che la piantina si era accresciuta fino a raggiungere 74,4 kg, mentre il peso del terreno sostanzialmente
non era variato (pesava solo 57 grammi in meno). Egli dedusse che le sostanze della pianta dovevano derivare
dall'acqua. Nel 1771 il chimico inglese Joseph Priestley, dopo avere posto una piantina (un rametto di menta,
come si legge nei suoi scritti) entro una campana di vetro in cui precedentemente aveva bruciato una candela,
vide che la piantina sopravviveva e che, dopo alcuni giorni, nella campana si poteva fare bruciare una nuova
candela o mantenere in vita un topo: lo studioso ipotizzò allora che i vegetali riuscissero a rigenerare l'aria.
Fu il medico inglese Jan Ingenhousz, nel 1796, a teorizzare la capacità delle piante di utilizzare l'anidride
carbonica dell'aria scindendola per ottenere carbonio, e che in questo processo esse liberassero ossigeno. Osservò
anche che le piante emettevano l'ossigeno solo in presenza di luce, e che tale fenomeno avveniva in corrispondenza
delle parti verdi. La fotosintesi fu descritta secondo l'equazione:
CO2 + H2O ? (CH2O) + O2
Secondo l'idea di Ingenhousz, l'ossigeno che si liberava dalla fotosintesi derivava dalla scissione dell'anidride
carbonica. Intorno al 1930 il biochimico statunitense Cornelius B. van Niel osservò che un particolare gruppo di
batteri, detti solfobatteri, in presenza di anidride carbonica e di luce utilizzavano l'acido solfidrico e accumulavano
granuli di zolfo. Lo studioso formulò una reazione biochimica che poteva descrivere in modo generale sia la
fotosintesi delle piante, sia quella, da lui osservata, dei batteri:
n CO2 + 2n H2A ? (CH2O)n + n H2O + 2n A
in cui n corrisponde al numero di molecole di anidride carbonica che reagiscono. Secondo Niel, in tale reazione
veniva scissa l'acqua e non l'anidride carbonica; ciò fu confermato in seguito, quando si constatò che da acqua
contenente un isotopo dell'ossigeno, dopo la fotosintesi, si liberava ossigeno isotopico.
La dimostrazione che la fotosintesi avviene in due fasi si deve a F. Blackman che, nel 1905, osservò che durante
tale processo si verificano trasformazioni chimiche che dipendono dalla quantità di luce disponibile e non dalla
temperatura, e altre che invece dipendono dalla temperatura e non dalla intensità luminosa.
Come ricavare energia imitando il processo della fotosintesi?
Da molti anni replicare la foto-sintesi clorofilliana è l’oggetto dei desideri dei ricercatori di energia alternativa. Si
tratta di un processo completamente compreso dalla scienza, ma ancora molto lontano da essere riprodotto in un
laboratorio. È di questi giorni la notizia, pubblicata sulla rivista Nature Nanotechnology, che al Massachusetts
Institute of Technology (MIT) di Boston i ricercatori hanno compiuto un notevole passo avanti che apre ottimistici
spiragli verso un futuro di energia prodotta solo con acqua e sole.Gli scienziati del MIT hanno utilizzato dei virus
(chiamati M13) che normalmente infettano alcuni batteri e sono innocui per l'uomo e li hanno organizzati in
strutture filamentose e legati a un catalizzatore (ossido di iridio) e a un pigmento biologico (porfirina di zinco). Il
ruolo del pigmento è quello di agire come un' antenna deputata a captare la luce e a trasferirla al virus che, aiutato
dal catalizzatore, la raccoglie. Il fine ultimo dei ricercatori è quello di riuscire a scomporre l'acqua in idrogeno e
ossigeno e qualora si arrivasse a un simile risultato si avrebbe tra le mani un'inesauribile fonte di energia pulita che
potrebbe essere usata per produrre elettricità e carburante e per far muovere qualunque tipo di veicolo.
Inoltre Un gruppo di ricercatori della North Carolina State University ha realizzato foglie artificiali in grado di
produrre energia solare. Se finora erano state inventate fogliein grado di catturare con più velocità delle foglie
naturali il carbonio nell’aria per purificare l’ambiente domestico, oggi le foglie artificiali possono produrre energia
pulita.
Le foglie artificiali create dai ricercatori americani sono realizzate con la clorofilla, il pigmento naturale presente
nei grani delle cellule vegetali o nei piccoli organismi che realizzano la fotosintesi clorofilliana, ossia la
trasformazione dell’energia solare in zucchero, nutrimento essenziale per la crescita e lo sviluppo della pianta. Il
principio che regola l’assorbimento dei raggi del sole e la sua trasformazione in energia è il medesimo, le foglie
create in laboratorio sono come dei piccoli pannelli fotovoltaici.
Le foglie artificiali sono state realizzate con una sostanza gelatinosa contenente acqua e molecole di clorofilla,
sensibili alla luce, ed elettrodi ricoperti da uno strato di nanotubi di carbonio o di grafite. Quando i raggi solari
colpiscono le molecole di clorofilla, queste attraverso un processo simile alla fotosintesi clorofilliana, producono
energia dal sole. La trasformazione avviene perché la clorofilla attraverso l’energia solare trasforma l’anidride
carbonica presente nell’aria e l’acqua, conservata nelle foglie vegetali così come in quelle artificiali, nel glucosio,
uno zucchero fondamentale per la vita delle piante. La ricerca, coordinata da Orlin Velev, apre nuovi orizzonti
sull’utilizzo dell’energia fotovoltaica, una fonte di energia pulita e rinnovabile, e sulla creazione di celle solari.
Cosa si sta pensando di sfruttare per produrre energia?
Una delle fonti rinnovabili di energia potrebbe essere l’utilizzo delle biomasse. S'intende per biomassa ogni
sostanza organica derivante direttamente o indirettamente dalla fotosintesi
clorofilliana.
In forma generale, si può dire che è biomassa tutto ciò che ha matrice organica,
con esclusione delle plastiche di origine petrolchimica e dei materiali fossili, es.
petrolio e carbone che esulano dall’argomento in questione. Le più importanti
tipologie di biomassa sono residui forestali, scarti dell’industria di trasformazione
del legno (trucioli, segatura, etc.) scarti delle aziende zootecniche, gli scarti
mercantili,ecc.
Il settore delle biomasse per usi energetici è probabilmente la più concreta ed
immediata F.E.R. disponibile. Le principali applicazioni sono: produzione di energia
(bioenergia), sintesi di carburanti (biocarburanti) e sintesi di prodotti
(bioprodotti).
Il biossido di carbonio emesso dagli impianti termici alimentati a biomasse è lo stesso che viene assorbito dai
vegetali per produrre una quantità uguale di biomassa.Nel ciclo energetico della biomassa il bilancio del biossido di
carbonio è in pareggio-equilibrio. I principali vantaggi delle biomasse sono: abbondanza, facilità di estrazione
energetica, economica, rigenerante terre desolate, sviluppabile in aree inutilizzate e creare occupazione, non
contribuisce all'effetto serra, basso tenore di zolfo e quindi non contribuisce alla produzione di piogge acide, è
rinnovabile e il suo fine ciclo costituisce potenziale fertilizzante.
Pensi che i metodi citati siano gli unici che permettono di fornire
energia?
Sarebbe davvero bello se una fonte di energia fosse l’uomo. Sappiamo che il nostro corpo è già predisposto a
ricavare luce con la produzione di vitamina D,ma sarebbe meglio se riuscissimo a prendere la luce solare e
sfruttarla per le nostre esigenze, come ad esempio il cibo. Inoltre il mondo andrebbe meglio se fossimo produttori
invece che consumatori,l'ambiente sarebbe più pulito se non avessimo l'inquinamento derivante dalla produzione di
cibo. La gente sarebbe più sana e gli animali non soffrirebbero! Ma purtroppo ciò non è possibile e si spera che la
scienza faccia altri passi avanti per cercare soluzioni migliori.
Lavoro eseguito da :
Calderoni Raffaella
Carducci Mariateresa
Losacco Arcangela
Piemonte Daniela Antonia
Saponaro Anna
