Cos'è la fotosintesi?

La fotosintesi è il processo utilizzato dalle piante, dalle alghe e da alcuni batteri per sfruttare l'energia della luce solare e trasformarla in energia chimica. Qui, descriviamo i principi generali della fotosintesi ed evidenziamo 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 ossigenata e fotosintesi anossigenica. I principi generali della fotosintesi anossigenica e ossigenata sono molto simili, ma la fotosintesi ossigenata è la più comune e si osserva nelle piante, nelle alghe e nei cianobatteri. 

Durante la fotosintesi ossigenata, l'energia della luce trasferisce elettroni dall'acqua (H.₂O) all'anidride carbonica (CO₂), per produrre carboidrati. In questo trasferimento, il CO₂ è "ridotto" o riceve elettroni e l'acqua diventa "ossidata" o perde elettroni. Infine, l'ossigeno viene prodotto insieme ai carboidrati.

La fotosintesi ossigenica funge da contrappeso alla respirazione assorbendo l'anidride carbonica prodotta da tutti gli organismi respiratori e reintroducendo 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 i batteri viola e i batteri dello zolfo verde, che si trovano principalmente in vari habitat acquatici.

"La fotosintesi anossigenica non produce ossigeno, da cui 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 gas idrogeno solforato dall'odore di uova sgradevoli, producendo come sottoprodotto zolfo solido".

Sebbene entrambi i tipi di fotosintesi siano affari complessi e multistep, il processo complessivo può essere riassunto chiaramente come un'equazione chimica.

La fotosintesi ossigenica è scritta come segue: 

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

Qui, sei molecole di anidride carbonica (CO₂) si combinano con 12 molecole di acqua (H.₂O) usando l'energia della luce. Il risultato finale è la formazione di una singola molecola di carboidrato (C₆H₁₂O₆, o glucosio) insieme a sei molecole ciascuna di ossigeno respirabile e acqua.

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

CO₂ + 2H₂A + Energia leggera → [CH₂O] + 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 nell'idrogeno solforato donatore di elettroni (H.₂S), hanno spiegato Govindjee e John Whitmarsh, biologi vegetali dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, nel libro "Concepts in Photobiology: Photosynthesis and Photomorphogenesis" (Narosa Publishers and Kluwer Academic, 1999).

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. I 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, denominate clorofilla a, clorofilla be clorofilla c. Secondo Eugene Rabinowitch e Govindjee nel loro libro "Photosynthesis" (Wiley, 1969), la clorofilla a si trova in tutte le piante fotosintetizzanti. Esiste anche una variante batterica, giustamente chiamata batterioclorofilla, che assorbe la luce infrarossa. Questo pigmento si trova principalmente nei batteri viola e verdi, che svolgono la fotosintesi anossigenica.  
• Carotenoidi: questi pigmenti di colore rosso, arancione o giallo assorbono la luce verde-bluastra. Esempi di carotenoidi sono la xantofilla (giallo) e il carotene (arancione) da cui le carote prendono il loro colore.
• Ficobiline: questi pigmenti rossi o blu assorbono le lunghezze d'onda della luce che non sono assorbite altrettanto bene dalle clorofille e dai carotenoidi. Sono presenti nei cianobatteri e nelle alghe rosse. 

Plastidi

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

I plastidi generalmente contengono pigmenti o possono immagazzinare sostanze nutritive. I leucoplasti incolori e non pigmentati immagazzinano grassi e amido, mentre i cromoplasti contengono carotenoidi e 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. La grana è la parte più interna dell'organello; una collezione di membrane a forma di disco, impilate in colonne come piatti. I singoli dischi sono chiamati tilacoidi. 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, contenuto nel DNA circolare. Questi geni codificano proteine ​​essenziali per l'organello e per 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. Baum ha spiegato che l'analisi dei geni del cloroplasto mostra che una volta era un membro del gruppo dei cianobatteri, "l'unico gruppo di batteri in grado di 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 del pigmento sono associate alle proteine, che consentono loro la flessibilità di muoversi verso la luce e l'una verso l'altra. Secondo un articolo di Wim Vermaas, professore all'Arizona State University, una vasta collezione di 100-5.000 molecole di pigmento costituisce "antenne". Queste strutture catturano efficacemente l'energia luminosa del sole, sotto forma di fotoni.

Infine, 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 si ottiene quando un pigmento di 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 degli 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 richiedono. Entrambi i tipi di reazioni avvengono nei cloroplasti: reazioni dipendenti dalla luce nel tilacoide e reazioni indipendenti dalla luce nello stroma. 

Reazioni dipendenti dalla luce (chiamate anche reazioni alla 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 che l'elettrone ritorni alla sua casa originale", ha detto Baum. "Questo non è facilmente evitabile, perché la clorofilla ora ha un 'buco dell'elettrone' che tende ad attirare gli elettroni vicini".

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

Reazioni indipendenti dalla luce (chiamate anche reazioni oscure e conosciute come il ciclo di Calvin): le reazioni alla 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 di Calvin: fissazione, riduzione e rigenerazione del carbonio. Queste reazioni utilizzano acqua e catalizzatori. Gli atomi di carbonio del biossido di carbonio sono “fisso,” 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. 

La 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, ha sfruttato la capacità delle alghe verdi di produrre idrogeno. Le alghe verdi possono produrre idrogeno per alcuni secondi se vengono prima esposte a condizioni anaerobiche (prive di ossigeno) e quindi esposte alla luce Il team ha escogitato un modo per estendere la produzione di idrogeno delle alghe verdi fino a tre giorni, come riportato nel loro Studio del 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 utilizzando nanofili o fili di pochi miliardesimi di metro di diametro. I fili alimentano un sistema di microbi che riducono l'anidride carbonica in combustibili o polimeri utilizzando l'energia della 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 descriveva un altro sistema fotosintetico artificiale in cui venivano utilizzati batteri appositamente progettati per creare combustibili liquidi utilizzando luce solare, acqua e anidride carbonica. In generale, le piante sono in grado di sfruttare solo l'1% circa dell'energia solare e utilizzarla per produrre composti organici durante la fotosintesi. Al contrario, il sistema artificiale dei ricercatori è stato in grado di sfruttare il 10 percento dell'energia solare per produrre composti organici.

La continua ricerca dei 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, attingere al potere della fotosintesi è un passaggio logico per creare combustibili puliti e carbon neutral.

Risorse addizionali:

• Università della California, Berkeley: Pigmenti fotosintetici
• Arizona State University: un'introduzione alla fotosintesi e alle sue applicazioni
• Università dell'Illinois a Urbana-Champaign: What Is Photosynthesis?