La storia della fotosintesi attraverso esperimenti empirici e fisica quantistica (parte I)

Oggi parliamo di un processo senza il quale non solo noi non saremmo qui ma il nostro pianeta sarebbe totalmente diverso e decisamente inospitale: la fotosintesi clorofilliana.

Se pensate che sia un argomento noioso sappiate che si tratta del più importante processo biologico che si svolge sulla Terra e i cui segreti più profondi iniziano ad essere svelati solo da poco, grazie alla fisica quantistica.
Suona già meno noioso, vero? Sarà che infilare la meccanica quantistica in ogni argomento va di moda ultimamente! Stavolta, però, al contrario di quanto avviene con l’equazione dell’amore o con la fantomatica psicologia quantistica, è proprio necessario.
Non si tratta di una scoperta recentissima, ma mi sono accorta di non aver mai discettato sulla fotosintesi in questo blog ed ho voluto rimediare iniziando dal principio.

Se ci pensate, tra i fenomeni naturali, quello della fotosintesi è uno dei più nascosti. Mentre uomini e animali si procacciano il cibo alla luce del sole, il modo di nutrirsi delle piante non è facilmente individuabile. Aristotele per primo azzardò l’idea che, mentre gli animali si procuravano il cibo per potere sopravvivere, le piante, che apparentemente non ingeriscono alimenti, dovevano in qualche modo trarre dal substrato il proprio sostentamento.

L’idea di tentare un’analisi biometrica per appurare da dove le piante ricavassero la loro massa fu di Jan Baptista van Helmont che effettuò misurazioni per cinque anni su di una pianta di salice, alla quale forniva solo acqua. Dopo cinque anni, il salice aveva raggiunto il peso di 74 kg, mentre il peso del terreno sostanzialmente non era variato, da questo dedusse che la pianta doveva trarre dall’acqua le sostanze di cui aveva bisogno.

Fu solamente nel 1771 che il chimico inglese Joseph Priestley fece un semplice esperimento che portò all’idea che la pianta interagisse con l’aria che la circondava. Egli pose una piantina dentro una campana di vetro, dove in precedenza aveva bruciato una candela: notò che non solo la piantina sopravviveva ma che, in sua presenza, era possibile introdurre un topo e mantenerlo in vita. In questo modo formulò l’ipotesi che le piante avessero la capacità in qualche modo di rigenerare l’aria, resa nuovamente respirabile per il topo.

L’esperimento di Priestley. Nella prima serie la presenza di una pianta consente di riaccendere la candela, nella seconda permette la sopravvivenza del topo. Immagine presa da https://employees.csbsju.edu/SSAUPE/biol115/photosynthesis%20-%20classics.htm

L’esperimento era stato condotto correttamente ma male interpretato dallo studioso, infatti dedusse che la respirazione vegetale fosse un processo inverso alla respirazione animale.

Venticinque anni dopo il famoso esperimento di Priestley, il medico inglese Jan Ingenhousz ne reinterpretò i risultati, immaginando che le piante utilizzassero l’anidride carbonica dell’aria per ottenere carbonio e che, in questo processo, si liberasse ossigeno, da lui chiamato aria pura. Attraverso la sommersione della pianta sottacqua e la conseguente produzione di bollicine, osservò anche che il fenomeno avveniva solo in presenza di luce e in corrispondenza delle parti verdi della pianta.

Nel frattempo il noto chimico francese Lavoisier aveva scoperto che l’ossigeno era necessario alle combustioni ma anche ai processi vitali di animali e piante. Egli iniziò a pensare che negli organismi viventi dovesse verificarsi un meccanismo simile ad una combustione, naturalmente più blando, ma sufficiente a fornire ad essi l’energia necessaria per vivere. Processo che ora chiamiamo respirazione.

La respirazione dei vegetali, come quella degli animali, consiste nel “bruciare” gli alimenti (glucosio) in presenza di ossigeno e nell’emettere anidride carbonica, il che si può riassumere nella formula:

 C6H12O6 (glucosio) + 6O2 (ossigeno) = 6CO2 (anidride carbonica) + 6H2O (acqua) + energia

In seguito agli esperimenti di Lavoisier e dello studioso svizzero De Saussure si giunse finalmente ad una formulazione di massima del meccanismo della fotosintesi, che si può schematizzare con la formula inversa a quella della respirazione:

6CO2 (anidride carbonica) + 6H2O (acqua) + luce = C6H12O6 (glucosio) + 6O2 (ossigeno)

Le due equazioni sono sostanzialmente simmetriche: mentre attraverso il cibo (glucosio) e l’ossigeno, otteniamo l’energia di cui abbiamo bisogno e scartiamo l’anidride carbonica, le piante, utilizzando la luce come sorgente di energia, trasformano composti inorganici (anidride carbonica e acqua) in composti organici (glucosio) e liberano ossigeno come prodotto di rifiuto.

Fotosintesi e respirazione a confronto

Una volta chiarito il meccanismo, la storia delle scoperte intorno alla fotosintesi continua nel corso dei secoli; il ruolo del glucosio, le molecole delle clorofille, le fasi luminosa e oscura.

Il glucosio è il principale prodotto della fotosintesi. L’energia proveniente dal Sole viene convertita in energia chimica che, attraverso una complessa serie di reazioni, è immagazzinata nei legami presenti nella molecola del glucosio: la molecola organica più comune sul nostro pianeta in quanto usato come fonte di energia sia dagli animali che dalle piante. Perché proprio lui e non un altro monosaccaride, non è ancora dato saperlo.

I legami della molecola di glucosio, la principale fonte di energia per gli organismi viventi, a confronto con quella di anidride carbonica.

Per quanto riguarda la clorofilla, la prima individuazione risale al 1817, quando due studiosi francesi, Pelletier e Caventou, isolarono il composto e gli diedero un nome (dal greco chloròs = verde e fýllon = foglia). Se ne era capita la funzione ma la struttura della molecola rimase un mistero per quasi un secolo. Fu il chimico tedesco Richard Willstätter, nel 1907, a scoprire che di clorofille ce n’erano due (a e b) e a scriverne le formule. Negli anni ’30, poi, un altro chimico tedesco, Fischer, ne scoprì la struttura.

Allora, a questo punto, dovrei parlarvi delle due fasi della fotosintesi e spiegare a che punto entra in gioco la coerenza quantistica. Si tratta, però, di argomenti complessi che meritano più attenzione, motivo per cui ne rimandiamo la trattazione alla prossima settimana.

Nel frattempo, se non vi fosse bastato, una simpatica timeline trovata online ci racconta la storia della scoperta della fotosintesi attraverso gli scienziati che se ne sono occupati e i loro esperimenti. A giovedì prossimo!

Non posso guardare una foglia d’albero senza essere schiacciato dall’universo. (Jules Renard)

Serena Piccardi

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