Cos’è la fotosintesi?

La fotosintesi è il processo utilizzato da piante, alghe e alcuni batteri per sfruttare l’energia dalla luce solare e trasformarla in energia chimica. Qui, descriviamo i principi generali della fotosintesi ed evidenziiamo come gli scienziati stanno studiando questo processo naturale per aiutare a sviluppare combustibili puliti e fonti di energia rinnovabile.

Tipi di fotosintesi

Esistono due tipi di processi fotosintetici: fotosintesi ossigenica e fotosintesi anossigenica., I principi generali della fotosintesi anossigenica e ossigenica sono molto simili, ma la fotosintesi ossigenica è la più comune e si vede nelle piante, nelle alghe e nei cianobatteri.

Durante la fotosintesi ossigenata, l’energia luminosa trasferisce elettroni dall’acqua (H2O) all’anidride carbonica (CO2), per produrre carboidrati. In questo trasferimento, la CO2 viene “ridotta” o riceve elettroni e l’acqua diventa “ossidata” o perde elettroni. In definitiva, l’ossigeno viene prodotto insieme ai carboidrati.,

La fotosintesi ossigenata funziona come contrappeso alla respirazione assorbendo l’anidride carbonica prodotta da tutti gli organismi respiratori e reintroducendo l’ossigeno nell’atmosfera.

D’altra parte, la fotosintesi anossigenica utilizza donatori di elettroni diversi dall’acqua. Il processo si verifica in genere in batteri come batteri viola e batteri di zolfo verde, che si trovano principalmente in vari habitat acquatici.,

“La fotosintesi anossigenica non produce ossigeno — da qui il nome”, ha detto David Baum, professore di botanica presso l’Università del Wisconsin-Madison. “Ciò che viene prodotto dipende dal donatore di elettroni. Ad esempio, molti batteri usano il solfuro di idrogeno gassoso maleodorante, producendo zolfo solido come sottoprodotto.”

Anche se entrambi i tipi di fotosintesi sono complessi, affari multistep, il processo complessivo può essere ben riassunta come un’equazione chimica.,

La fotosintesi ossigenata è scritta come segue:

6CO2 + 12H2O + Energia luminosa → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

Qui, sei molecole di anidride carbonica (CO2) si combinano con 12 molecole di acqua (H2O) usando l’energia luminosa. Il risultato finale è la formazione di una singola molecola di carboidrati (C6H12O6 o glucosio) insieme a sei molecole ciascuna di ossigeno e acqua traspiranti.,

Allo stesso modo, le varie reazioni di fotosintesi anossigenica possono essere rappresentate come un’unica formula generalizzata:

CO2 + 2H2A + Energia luminosa → + 2A + H2O

La lettera A nell’equazione è una variabile e H2A rappresenta il potenziale donatore di elettroni., Ad esempio, A può rappresentare lo zolfo nel donatore di elettroni idrogeno solforato (H2S), ha spiegato Govindjee e John Whitmarsh, biologi vegetali presso l’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign, nel libro “Concetti in fotobiologia: fotosintesi e fotomorfogenesi” (Narosa Publishers e Kluwer Academic, 1999).

Le piante hanno bisogno di energia dalla luce solare per la fotosintesi. (Immagine di credito:)

L’apparato fotosintetico

I seguenti sono componenti cellulari essenziali per la fotosintesi.,

Pigmenti

I pigmenti sono molecole che conferiscono colore a piante, alghe e batteri, ma sono anche responsabili di intrappolare efficacemente la luce solare. Pigmenti di diversi colori assorbono diverse lunghezze d’onda della luce. Di seguito sono riportati i tre gruppi principali.

  • Clorofille: questi pigmenti di colore verde sono in grado di intrappolare la luce blu e rossa. Le clorofille hanno tre sottotipi, chiamati clorofilla a, clorofilla b e clorofilla C., Secondo Eugene Rabinowitch e Govindjee nel loro libro “Fotosintesi” (Wiley, 1969), la clorofilla a si trova in tutte le piante fotosintetiche. Esiste anche una variante batterica giustamente chiamata batterioclorofilla, che assorbe la luce infrarossa. Questo pigmento è visto principalmente nei batteri viola e verdi, che eseguono la fotosintesi anossigenica.
  • Carotenoidi: questi pigmenti di colore rosso, arancione o giallo assorbono la luce verde-bluastra. Esempi di carotenoidi sono la xantofilla (gialla) e il carotene (arancione) da cui le carote ottengono il loro colore.,
  • Ficobiline: Questi pigmenti rossi o blu assorbono lunghezze d’onda della luce che non sono così assorbite dalle clorofille e dai carotenoidi. Sono visti nei cianobatteri e nelle alghe rosse.

Plastidi

Gli organismi eucariotici fotosintetici contengono organelli chiamati plastidi nel loro citoplasma., I plastidi a doppia membrana nelle piante e nelle alghe sono indicati come plastidi primari, mentre la varietà a più membrane trovata nel plancton è chiamata plastidi secondari, secondo un articolonella rivista Nature Education di Cheong Xin Chan e Debashish Bhattacharya, ricercatori della Rutgers University nel New Jersey.

I plastidi contengono generalmente pigmenti o possono immagazzinare sostanze nutritive., I leucoplasti incolori e non pigmentati immagazzinano grassi e amido, mentre i cromoplasti contengono carotenoidi e i cloroplasti contengono clorofilla, come spiegato nel libro di Geoffrey Cooper, “The Cell: A Molecular Approach” (Sinauer Associates, 2000).

La fotosintesi si verifica nei cloroplasti; in particolare, nelle regioni grana e stroma. Il grana è la parte più interna dell’organello; un insieme di membrane a forma di disco, impilate in colonne come piastre. I singoli dischi sono chiamati thylakoids. È qui che avviene il trasferimento di elettroni., Gli spazi vuoti tra le colonne di grana costituiscono lo stroma.

I cloroplasti sono simili ai mitocondri, i centri energetici delle cellule, in quanto hanno il proprio genoma, o raccolta di geni, contenuti all’interno del DNA circolare. Questi geni codificano le proteine essenziali per l’organello e la fotosintesi. Come i mitocondri, si pensa che anche i cloroplasti abbiano avuto origine da cellule batteriche primitive attraverso il processo di endosimbiosi.,

“I plastidi hanno avuto origine da batteri fotosintetici inghiottiti che sono stati acquisiti da una cellula eucariotica unicellulare più di un miliardo di anni fa”, ha detto Baum a Live Science. Baum ha spiegato che l’analisi dei geni del cloroplasto mostra che una volta era un membro del gruppo cianobatteri, “l’unico gruppo di batteri che può realizzare la fotosintesi ossigenata.,”

Nel loro articolo del 2010, Chan e Bhattacharya sottolineano che la formazione di plastidi secondari non può essere ben spiegata dall’endosimbiosi dei cianobatteri e che le origini di questa classe di plastidi sono ancora oggetto di dibattito.

Antenne

Le molecole di pigmento sono associate alle proteine, che consentono loro la flessibilità di muoversi verso la luce e l’una verso l’altra. Una vasta collezione di molecole di pigmento da 100 a 5.000 costituisce “antenne”, secondo un articolo di Wim Vermaas, professore all’Arizona State University., Queste strutture catturano efficacemente l’energia luminosa dal sole, sotto forma di fotoni.

In definitiva, l’energia luminosa deve essere trasferita a un complesso pigmento-proteina in grado di convertirla in energia chimica, sotto forma di elettroni. Nelle piante, ad esempio, l’energia luminosa viene trasferita ai pigmenti di clorofilla. La conversione in energia chimica viene eseguita quando un pigmento clorofilla espelle un elettrone, che può quindi passare a un destinatario appropriato.,

Centri di reazione

I pigmenti e le proteine, che convertono l’energia luminosa in energia chimica e iniziano il processo di trasferimento di elettroni, sono noti come centri di reazione.

Il processo fotosintetico

Le reazioni della fotosintesi delle piante si dividono in quelle che richiedono la presenza della luce solare e quelle che non lo fanno. Entrambi i tipi di reazioni hanno luogo nei cloroplasti: reazioni dipendenti dalla luce nel tilacoide e reazioni indipendenti dalla luce nello stroma.,

Reazioni dipendenti dalla luce (chiamate anche reazioni di luce): quando un fotone di luce colpisce il centro di reazione, una molecola di pigmento come la clorofilla rilascia un elettrone.

“Il trucco per fare un lavoro utile, è impedire a quell’elettrone di tornare alla sua casa originale”, ha detto Baum a Live Science. “Questo non è facilmente evitato, perché la clorofilla ora ha un” buco di elettroni ” che tende a tirare gli elettroni vicini.,”

L’elettrone rilasciato riesce a fuggire viaggiando attraverso una catena di trasporto di elettroni, che genera l’energia necessaria per produrre ATP (adenosina trifosfato, una fonte di energia chimica per le cellule) e NADPH. Il “foro dell’elettrone” nel pigmento originale della clorofilla è riempito prendendo un elettrone dall’acqua. Di conseguenza, l’ossigeno viene rilasciato nell’atmosfera.

Reazioni indipendenti dalla luce (chiamate anche reazioni oscure e note come ciclo di Calvin): le reazioni della luce producono ATP e NADPH, che sono le ricche fonti di energia che guidano le reazioni oscure., Tre fasi di reazione chimica compongono il ciclo Calvin: fissazione del carbonio, riduzione e rigenerazione. Queste reazioni utilizzano acqua e catalizzatori. Gli atomi di carbonio dell’anidride carbonica sono “fissi” quando sono incorporati in molecole organiche che alla fine formano zuccheri a tre atomi di carbonio. Questi zuccheri vengono quindi utilizzati per produrre glucosio o vengono riciclati per avviare nuovamente il ciclo di Calvin.

Questa foto satellitare di giugno 2010 mostra stagni che crescono alghe nel sud della California., (Immagine di credito: PNNL, Quickbird satellite)

Fotosintesi in futuro

Gli organismi fotosintetici sono un possibile mezzo per generare combustibili a combustione pulita come l’idrogeno o anche il metano. Recentemente, un gruppo di ricerca presso l’Università di Turku in Finlandia, sfruttato la capacità di alghe verdi per produrre idrogeno., Le alghe verdi possono produrre idrogeno per alcuni secondi se vengono prima esposte a condizioni scure, anaerobiche (senza ossigeno) e poi esposte alla luce Il team ha ideato un modo per estendere la produzione di idrogeno delle alghe verdi fino a tre giorni, come riportato nel loro studio 2018 pubblicato sulla rivista Energy & Environmental Science.

Gli scienziati hanno anche fatto progressi nel campo della fotosintesi artificiale., Ad esempio, un gruppo di ricercatori dell’Università della California, Berkeley, ha sviluppato un sistema artificiale per catturare l’anidride carbonica usando nanofili o fili che hanno un diametro di pochi miliardesimi di metro. I fili si alimentano in un sistema di microbi che riducono l’anidride carbonica in combustibili o polimeri utilizzando energia dalla luce solare. Il team ha pubblicato il suo design nel 2015 sulla rivista Nano Letters.,

Nel 2016, i membri di questo stesso gruppo hanno pubblicato uno studio sulla rivista Science che ha descritto un altro sistema fotosintetico artificiale in cui sono stati utilizzati batteri appositamente progettati per creare combustibili liquidi usando luce solare, acqua e anidride carbonica. In generale, le piante sono solo in grado di sfruttare circa l’uno per cento dell’energia solare e usarlo per produrre composti organici durante la fotosintesi. Al contrario, il sistema artificiale dei ricercatori è stato in grado di sfruttare il 10% dell’energia solare per produrre composti organici.,

La continua ricerca di processi naturali, come la fotosintesi, aiuta gli scienziati a sviluppare nuovi modi per utilizzare varie fonti di energia rinnovabile. Visto che la luce del sole, le piante e i batteri sono tutti onnipresenti, sfruttare il potere della fotosintesi è un passo logico per creare combustibili a combustione pulita e a zero emissioni di carbonio.

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