26 novembre 2020

Seguendo il Sole: dalla fotosintesi alla fotochimica

(prima parte)

Who loves the sun?
Who cares that it makes plants grow?
- The Velvet Underground

È l’alba. Un caldo canto africano si innalza dall’immensa savana tinta di rosso: «Nants ingonyama baghiti Baba». Tutti gli animali, dal rinoceronte al giaguaro, alzano lo sguardo verso est, là dove il portatore di un nuovo giorno sta nascendo, verso quel disco giallo che regala tepore: verso il Sole. Questa scena, che apre Il Re Leone, capolavoro del cinema d’animazione a cui molti sono affezionati, illustra come poche altre il significato del verbo “sorgere”. Potrebbe sorprendere, ma è la stessa parola “oriente, spesso associata a terre e culture esotiche, a derivare dal latino oriris, ovvero nascere, dove il riferimento alla nostra stella più amata è immediato.

 

Il Sole è in un certo senso un ottimo sinonimo dell’est, avendo guidato i marinai per secoli e fungendo ancora oggi da punto di riferimento in certi casi. In verità il Sole è un sinonimo ancora più perfetto di nascita, ovvero di vita. Alcune specie sono talmente consapevoli di questa associazione da essere in grado di seguire il Sole nella sua traiettoria ad arco, orientandosi per catturare quanta più luce possibile. Questo fenomeno si chiama eliotropismo, ed è presente in alcune piante come l’emblematico girasole (Figura 1).

Figura 1. I girasoli sono in grado di orientarsi in direzione del Sole (https://pixabay.com/it/photos/girasole-fiore-estate-giallo-4298940/)

La vita come la conosciamo su questo pianeta non sarebbe possibile senza la nostra stella e il meccanismo molecolare che mette in moto: la fotosintesi clorofilliana. Si immagini di seguire un atomo di carbonio (per semplicità come una piccola, invisibile sferetta) che svolazza nell’aria e «ha la fortuna di rasentare una foglia». Quindi «Entra nella foglia, [...] aderisce a una grossa e complicata molecola che lo attiva, e simultaneamente riceve il decisivo messaggio dal cielo sotto la forma folgorante di un pacchetto di luce solare [...] ed infine inserito in una catena, lunga o breve non importa, ma è la catena della vita. Tutto questo avviene rapidamente, in silenzio, alla temperatura e pressione dell’atmosfera, e gratis». Con questa trovata ingegnosa Primo Levi ci presenta la fotosintesi nella sua opera Il sistema periodico. Difatti, lo scopo della fotosintesi è quello di convertire molecole semplici, quali acqua (H2O) e anidride carbonica (CO2), in molecole complesse (zuccheri) da cui è possibile estrarre energia. Per questo motivo gli organismi vegetali sono detti autotrofi. Nella sua formulazione più semplice, la reazione della fotosintesi può essere espressa così:

6 H2O + 6 CO2 → 6 O2 + C6H12O6

Dove l’ultima formula C6H12O6 si riferisce al glucosio, uno zucchero molto semplice che troviamo in abbondanza nel miele e utilizziamo talvolta come dolcificante. Dall’aspetto non si direbbe una reazione complicata, d’altronde si tratta solo di trasformare acqua in ossigeno (reazione di ossidazione) e portare l’atomo di carbonio dalle molecole di CO2 a una di glucosio (reazione di riduzione). Tuttavia, questo processo, in cui alcuni legami tra atomi si devono rompere e altri devono formarsi, è energeticamente molto impegnativo. Ma quindi a cosa serve il Sole? La chiave per capirlo consiste nel considerare la luce come un pacchetto di particelle, come Einstein seppe intuire conquistandosi il premio Nobel nel 1921. Ognuna di queste particelle, dette fotoni, non sono altro che serbatoi di energia. Ogni fotone trasporta una precisa quantità di energia che, in certi casi, può essere trasferita a una molecola. Vediamo più da vicino cosa avviene nella fase luminosa della fotosintesi. Possiamo far coincidere l’inizio di questo processo con l’ossidazione dell’acqua. Come anticipato, l’acqua viene convertita in ossigeno, ma così facendo perde 4 elettroni, che d’ora in poi immagineremo come delle piccole biglie. Queste biglie raggiungono subito un’altra molecola vicina e da allora vanno incontro ad un lungo percorso in cui vengono passate di molecola in molecola come in una staffetta giù per una collina. A valle di questo percorso, sfortunatamente, l’ultima molecola-corridore si trova davanti a un’alta parete oltre la quale le biglie devono proseguire il circuito per arrivare a destinazione, e non ha abbastanza forza per lanciarle dall’altra parte. Occorre una fonte di energia. Ecco allora intervenire i fotoni che, interagendo con il corridore, trasportano le biglie verso l’alto, vale a dire in uno stato a maggiore energia, come un ascensore. Un fotone per ogni biglia. Superato l’ostacolo, le biglie possono proseguire il loro percorso in discesa, fino a trovare una seconda parete a valle, per la quale è necessario l’intervento di un altri fotoni, ancora uno per ogni biglia. In totale servono quindi 8 fotoni per ogni molecola d’acqua ossidata. Questa pazza staffetta è chiamata schema Z, proprio a causa della forma inusuale del suo circuito che prevede delle brusche interruzioni dove la luce deve fare il suo intervento (Figura 2).

Figura 2. Schema Z della fase luminosa della fotosintesi (http://www.treccani.it/enciclopedia/fotosintesi-clorofilliana/)

Lo scopo finale della fase luminosa della fotosintesi non è altro che trasportare le biglie (che, si ricordi, sono una metafora degli elettroni) dall’acqua, la quale se ne deve liberare per formare ossigeno, a una molecola finale chiamata nicotinamide adenina dinucleotide fosfato (abbreviata con la sigla molto meno enigmatica “NADP”). Questa a sua volta, ricevendo finalmente le biglie, può convertirsi nella sua forma attiva NADPH. È proprio grazie a NADPH che l’anidride carbonica (CO2), potrà essere sfruttata per ottenere zuccheri, nel processo noto come ciclo di Calvin, che corrisponde alla fase non luminosa della fotosintesi.

In generale, l’effetto dell’interazione della luce (sia visibile, ovvero quella di cui distinguiamo i colori, sia ultravioletta, invisibile ai nostri occhi) con una molecola è quello di portare un suo elettrone da uno stato energetico più basso E1 a uno più alto E2. Con un’altra metafora, ciò significa portare una biglia dal piano terra a un piano superiore ed è compito della luce premere il pulsante che attiva l’ascensore (Figura 3). Questo fenomeno prende il nome di eccitazione e quando esso avviene la molecola si dice eccitata.

Figura 3. Schema generale di eccitazione per interazione della luce con la materia (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Atomic_Absorption_(hv_corrected).png)

Perché l’eccitazione avvenga, tuttavia, è necessario che il fotone interagente con la molecola trasporti un’energia esattamente pari alla differenza di energia tra lo stato finale e iniziale. Ci sono, cioè, alcuni fotoni in grado di scalare tre piani, altri solo un piano e altri ancora permettono di sfondare il tetto (che nel caso dell’eccitazione elettronica corrisponde a rimuovere un elettrone dalla molecola e quindi ionizzarla). Nella fotosintesi accade che la molecola da eccitare (il corridore che si trova sbarrata la strada dall’alta parete) è una clorofilla, la quale richiede l’energia di un fotone tipico della luce rossa. Il Sole irradia sulle foglie luce cosiddetta bianca, composta cioè da tutti i colori dell’arcobaleno mescolati insieme. Quando avviene la fotosintesi, la clorofilla consuma la componente rossa e violetta, lasciando passare quella blu e gialla. Che colore risulta? Come c’era da aspettarsi: il verde. Ed ecco, come per magia, che le foglie assumono il colore che tanto ci gratifica e ci comunica l’indelebile simbolo della Natura!

 

 [Leggi la seconda parte]

 

 

Per saperne di più:

Vincenzo Balzani, professore emerito dell’Università di Bologna, ha dedicato gran parte dei suoi studi alla fotochimica, alla produzione di energia sostenibile e alla divulgazione scientifica in memoria di Giacomo Ciamician. Tra le sue pubblicazioni più notevoli: N. Armaroli, V. Balzani, Energia per l’astronave Terra, Zanichelli, Bologna 2017.

Un breve dossier sulla fotosintesi naturale e artificiale è apparso sulla rivista Ecoscienza nel 2011, reperibile al seguente link.

Per una descrizione approfondita della fotosintesi: Nelson, D.L.; Cox, M.M.; I principi di biochimica di Lehninger 7° ed., Zanichelli, Bologna 2018.

 

Immagine di Sebastian Voortman via Pexels, libera per usi commerciali; attribuzione non richiesta.

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