Esperimenti di base sulla fotosintesi clorofilliana

La fotosintesi nelle piante e alcuni batteri è responsabile dell’alimentazione di quasi tutta la vita sulla Terra. Lo fa prendendo energia dal sole e convertendola in una forma immagazzinabile, solitamente glucosio, che le piante usano per i propri processi vitali. Anche gli animali che consumano piante fanno uso di questa energia, così come quelli che consumano gli animali che consumano piante, e così via in cima alla catena alimentare. In questo articolo vengono illustrati alcuni degli esperimenti fondamentali che hanno contribuito alla scoperta e alla comprensione della fotosintesi nel corso dei secoli.

La fotosintesi è essenziale per tutta la vita sulla terra: sia le piante che gli animali dipendono da essa. È l’unico processo biologico in grado di catturare l’energia che ha origine nello spazio (luce solare) e convertirla in composti chimici (carboidrati) che ogni organismo utilizza per alimentare il suo metabolismo. In breve, l’energia della luce solare viene catturata e utilizzata per energizzare gli elettroni, che vengono quindi immagazzinati nei legami covalenti delle molecole di zucchero.

Quanto durano e sono stabili quei legami covalenti? L’energia estratta oggi dalla combustione del carbone e dei prodotti petroliferi rappresenta l’energia della luce solare catturata e immagazzinata dalla fotosintesi quasi 200 milioni di anni fa. I processi in tutti gli organismi, dai batteri agli umani, richiedono energia. Per ottenere questa energia, molti organismi accedono all’energia immagazzinata mangiando, cioè ingerendo altri organismi. Tutta questa energia può essere ricondotta alla fotosintesi.

Schema della fotosintesi clorofilliana, che porta alla sintesi delle molecole di glucosio.

La fotosintesi è dunque un processo molto importante e complesso in natura e alcune delle sue fasi non sono ancora completamente comprese. Un lavoro tanto importante quanto la produzione di tutto il cibo del mondo è una funzione vitale che la fotosintesi svolge: essa genera l’ossigeno necessario agli animali che respirano ossigeno per sopravvivere. Ma gli animali e noi restituiamo il favore: infatti, espiriamo l’anidride carbonica di cui le piante hanno bisogno per la fotosintesi.

Piante, alghe e un gruppo di batteri chiamati cianobatteri sono gli unici organismi in grado di eseguire la fotosintesi. Poiché usano la luce per produrre il proprio cibo, vengono chiamati fotoautotrofi. Altri organismi – come animali, funghi e la maggior parte degli altri batteri – sono chiamati eterotrofi, perché ricavano energia dagli zuccheri prodotti dagli organismi fotosintetici. I batteri che sintetizzano gli zuccheri estraendo energia dai composti chimici inorganici sono chemioautotrofi.

L’importanza della fotosintesi non è solo che può catturare l’energia della luce solare. La fotosintesi è vitale perché si è evoluta come un modo per immagazzinare l’energia solare (la parte “foto-“) sotto forma di elettroni ad alta energia nei legami carbonio-carbonio delle molecole di carboidrati (la parte “-sintesi”). Quei carboidrati sono la fonte di energia che gli eterotrofi usano per alimentare la sintesi di ATP attraverso la respirazione. Pertanto, la fotosintesi alimenta il 99% degli ecosistemi terrestri.

I primi esperimenti storici sulla fotosintesi

Jan Baptista van Helmont, medico, chimico e fisico fiammingo, nel 1600 condusse un famoso esperimento facendo crescere un salice in una pentolone per cinque anni. Alla fine di questo periodo l’albero era cresciuto in massa di 74 kg, ma la massa del terreno era cambiata poco. Van Helmont credeva che l’acqua fosse la fonte della massa extra e la fonte di vita della pianta. John Woodward, professore e medico dell’Università di Cambridge alla fine del 1600, tentò di progettare un esperimento per testare l’ipotesi di Van Helmont secondo cui l’acqua era la fonte della massa extra.

L’esperimento di van Helmont del salice.

In una serie di esperimenti per ben 77 giorni, Woodward ha misurato l’acqua consumata dalle piante. Ad esempio, una pianta ha mostrato un aumento di massa di circa 1 grammo, mentre Woodward ha aggiunto un totale di quasi 76.000 grammi di acqua durante i 77 giorni di crescita della pianta, almeno questo è stato un risultato tipico. Woodward suggerì correttamente che la maggior parte di quest’acqua veniva “prelevata e convogliata attraverso i pori delle foglie ed espirata nell’atmosfera”. Quindi l’ipotesi che l’acqua sia il nutriente usato dalle piante è stata in questo modo respinta.

Nell’agosto del 1771 Joseph Priestley, un chimico inglese, mise un rametto di menta in uno spazio chiuso trasparente con una candela che bruciò l’aria (l’ossigeno non era ancora stato scoperto) fino a quando non fu presto spento. Dopo 27 giorni, rimise di nuovo la candela spenta ed essa bruciò perfettamente nell’aria che in precedenza non l’avrebbe supportata. E in che modo Priestley ha potuto accendere la candela dato che questa era collocata in uno spazio chiuso? Egli concentrò i raggi di luce solare con uno specchio sullo stoppino (oggi potremmo accendere la candela con una scintilla elettrica).

Così, questo sacerdote dimostrò che le piante, in qualche modo, cambiano la composizione dell’aria. In un altro celebre esperimento del 1772, Priestley tenne un topo in un barattolo d’aria fino al collasso. Scoprì che un topo tenuto con in un barattolo analogo ma con anche una pianta sarebbe sopravvissuto. Tuttavia, non consigliamo di ripetere questo esperimento e ferire animali innocenti. Questo tipo di osservazioni ha portato Priestley a offrire un’interessante ipotesi: che le piante ripristinino nell’aria qualsiasi cosa che gli animali rimuovano e che le candele accese brucino.

Sulla base delle sue osservazioni, Priestley concluse che nel primo caso l’aria nella campana veniva inquinata dalla candela e dal ratto. Tuttavia, nel secondo caso, la pianta ha ripristinato l’aria che è stata rovinata dalla candela e dal ratto.

Jan Ingenhousz portò avanti il lavoro di Priestley e dimostrò che le piante avevano bisogno di produrre ossigeno (l’ossigeno fu scoperto alcuni anni prima, nel 1772 da Carl W. Scheele). Tuttavia, Jan Ingenhousz è stata la prima persona a dimostrare che la luce è essenziale per il processo vegetale che in qualche modo purifica l’aria contaminata da candele o animali. Nel 1779 Ingenhousz mise una pianta e una candela in uno spazio chiuso trasparente. Ciò permetteva al sistema di resistere alla luce del sole per 2-3 giorni.

Ciò assicurava che l’aria all’interno fosse abbastanza pura da sostenere una fiamma di candela. Ma egli non accese la candela. Dopodiché, coprì lo spazio chiuso con un panno nero e lo lasciò coperto per diversi giorni. Quando cercò di accendere la candela, questa non si accese. Ingenhousz concluse che in qualche modo la pianta doveva agire nell’oscurità come un animale. Deve aver in pratica respirato, sporcando l’aria. E per purificare l’aria le piante hanno bisogno di luce.

L’esperimento di Ingenhousz del 1779.

In un altro esperimento, Ingenhousz collocò una piccola pianta acquatica verde in un contenitore trasparente contenente dell’acqua ed espose il contenitore alla luce solare intensa. Osservò la formazione di bolle di gas attorno alle foglie e alle parti verdi degli steli. Quando il sistema fu posto nell’oscurità, le bolle si fermarono.

Queste bolle potrebbero essere ciò che la pianta ha prodotto per purificare l’aria contaminata da animali o da candele. In questo esperimento Ingenhousz dimostrò che le piante dipendono dalla luce e dalle loro parti verdi per ricavare i nutrienti e l’energia. Se volete esplorare quantitativamente il tasso di tale processo (cioè della fotosintesi), potete leggere il nostro articolo Come misurare il tasso della fotosintesi, che trovate qui.

La formazione di bollicine nell’esperimento di Ingenhousz.

Esperimento 1: la mezza foglia di Moll

L’esperimento a mezza foglia di Moll serve per dimostrare che anidride carbonica (CO2), luce, clorofilla e acqua sono requisiti necessari per la fotosintesi. In particolare, l’esperimento di Moll mostra che la CO2 è essenziale per la fotosintesi. L’occorrente è: una pianta in vaso, potassa caustica, bottiglia a bocca larga, iodio, sughero, acqua. La procedura da seguire è invece la seguente:

  • Elimina l’amido di una pianta in un vaso mettendola nell’oscurità completa per due giorni.
  • Riempi parzialmente una bottiglia a bocca larga con una soluzione forte di potassa caustica e monta un tappo di sughero con una fessura sulla bocca.
  • Inserisci circa la metà della porzione di una foglia della pianta de-amidata nella bottiglia attraverso la fessura nel tappo di sughero.
  • Posiziona l’intero apparato alla luce dopo aver applicato grasso sulla parte superiore della fessura nel tappo di sughero e controlla la foglia dopo circa 10 ore.

Le parti della foglia all’interno della bottiglia e tra il tappo diviso risultano negative a un test per l’amido, il che indica l’assenza di fotosintesi; mentre le parti esterne al tappo risultano positive al test per l’amido, il che indica la presenza di un processo di fotosintesi in questa parte.

Dimostrazione dell’esperimento a mezza foglia di Moll.

Il test negativo per l’amido nella parte fogliare presente all’interno della bottiglia indica che in questa regione è assente il processo di fotosintesi. Questa porzione di foglia sta ricevendo tutti i requisiti essenziali – cioè luce, clorofilla e acqua – tranne la CO2, perché quest’ultima è assorbita dalla potassa caustica. Pertanto, si può concludere che la CO2 è necessaria per questo processo.

Il test negativo per l’amido mostrato anche dalla porzione di foglia presente nella spaccatura del tappo di sughero può essere spiegato come dovuto alla mancanza di CO2 e luce, indicando quindi che entrambi sono requisiti essenziali. Il test positivo per l’amido mostrato dalle porzioni di foglia presenti all’esterno della bottiglia indica che il processo di fotosintesi lì è in corso continuamente perché tutti i requisiti essenziali – cioè luce, clorofilla, acqua e CO2 – sono prontamente disponibili per questa porzione.

Il test dell’amido (starch test) effettuato ponendo della tintura di iodio sulla parte della foglia che vogliamo testare. A destra è positivo, cioè il colore scuro indica che c’è amido.

Esperimento 2: la fotosintesi produce ossigeno

Questo esperimento serve dimostra che durante il processo di fotosintesi si sviluppa ossigeno. L’occorrente è: becher, acqua, provetta, imbuto, una pianta acquatica, come ad esempio l’Hydrilla. La procedura da seguire è la seguente:

  • Riempi il becher con l’acqua e metti una pianta acquatica, come l’Hydrilla, nel becher.
  • Taglia le basi delle piante, legale con un filo e coprile con un imbuto rovesciato in modo tale che le estremità tagliate delle piante siano verso il collo dell’imbuto.
  • Riempi una provetta con l’acqua e capovolgila sull’estremità superiore dell’imbuto.
  • Mantieni l’intero apparato alla luce del sole e osservalo per qualche tempo.

Dimostrazione della produzione di ossigeno durante la fotosintesi.

Dalle estremità tagliate della pianta escono continuamente alcune bolle e vengono raccolte nella parte superiore della provetta, spostando l’acqua. Testando questo gas si scopre che si tratta di ossigeno. Il gas liberato è l’ossigeno e si è evoluto a causa della fotolisi dell’acqua sotto il processo di fotosintesi. Il gas liberato arriva negli spazi intercellulari e alla fine fuoriesce attraverso gli stomi.

Esperimento 3: effetto di varie lunghezze d’onda della luce sulla fotosintesi

Ora illustriamo un esperimento per mostrare l’effetto di diverse lunghezze d’onda della luce durante il processo di fotosintesi. L’occorrente è una grande scatola in cui è possibile inserire la foglia, un piano in vetro coperto di colori blu, verde e rosso, un ramoscello di pianta, un supporto e della tintura di iodio. Ecco la procedura da seguire per effettuare l’esperimento:

  • Metti una pianta in vaso al buio per circa 24 ore. Ciò renderà le sue foglie de-amidate.
  • Fissa una foglia de-amidata sotto la parte superiore in vetro della scatola e tieni l’apparato alla luce del sole.
  • Stacca la foglia dopo alcune ore. La clorofilla è stata rimossa.
  • Macchia la foglia di iodio per verificare la presenza di amido.
  • Confronta l’intensità dell’amido nelle tre parti della foglia.

Il setup per l’esperimento sull’effetto del colore della luce sulla fotosintesi.

Vedremo che la lunghezza d’onda rossa è la più efficace, la lunghezza d’onda blu viene dopo come ordine e il verde è la meno efficace. Infatti, la parte fogliare che riceve la luce verde mostra una colorazione negativa per l’amido. Poiché il prodotto finale della fotosintesi è proprio l’amido, la colorazione negativa al test per l’amido nella regione verde indica che il processo di fotosintesi non ha avuto luogo in questa regione. Quindi, la lunghezza d’onda verde è inefficace nella fotosintesi.

La parte fogliare che riceve la luce rossa, invece, risulta essere macchiata di scuro. La colorazione più scura nella regione rossa indica che in questa regione si è verificata la massima fotosintesi, e ciò ha portato al più grande accumulo di amido in questa regione. Infine, la regione della foglia che riceve la luce blu è la successiva nell’ordine. Ciò indica che la fotosintesi ha avuto luogo anche in questa regione, ma è avvenuta a un ritmo inferiore a quello della regione rossa.

Un altro setup per testare l’effetto della lunghezza d’onda della luce sulla fotosintesi.