Biologia I

Tutti gli organismi viventi sulla terra sono composti da una o più cellule. Ogni cellula funziona con l’energia chimica che si trova principalmente nelle molecole di carboidrati (cibo), e la maggior parte di queste molecole sono prodotte da un processo: la fotosintesi. Attraverso la fotosintesi, alcuni organismi convertono l’energia solare (luce del sole) in energia chimica, che viene poi utilizzata per costruire molecole di carboidrati. L’energia usata per tenere insieme queste molecole viene rilasciata quando un organismo scompone il cibo. Le cellule poi usano questa energia per eseguire un lavoro, come la respirazione cellulare.

L’energia che viene sfruttata dalla fotosintesi entra continuamente negli ecosistemi del nostro pianeta e viene trasferita da un organismo all’altro. Quindi, direttamente o indirettamente, il processo di fotosintesi fornisce la maggior parte dell’energia necessaria agli esseri viventi sulla terra.

La fotosintesi provoca anche il rilascio di ossigeno nell’atmosfera. In breve, per mangiare e respirare, gli esseri umani dipendono quasi interamente dagli organismi che effettuano la fotosintesi.

Dipendenza dal sole e produzione di cibo

Alcuni organismi possono effettuare la fotosintesi, altri no. Un autotrofo è un organismo che può produrre il proprio cibo. Le radici greche della parola autotrofo significano “auto” (auto) “alimentatore” (troph). Le piante sono gli autotrofi più conosciuti, ma ne esistono altri, compresi alcuni tipi di batteri e alghe (Figura 1). Le alghe oceaniche contribuiscono con enormi quantità di cibo e ossigeno alle catene alimentari globali. Anche le piante sono fotoautotrofe, un tipo di autotrofo che usa la luce del sole e il carbonio dell’anidride carbonica per sintetizzare energia chimica sotto forma di carboidrati. Tutti gli organismi che effettuano la fotosintesi richiedono la luce del sole.

Gli eterotrofi sono organismi incapaci di fotosintesi che devono quindi ottenere energia e carbonio dal cibo consumando altri organismi. La radice greca della parola eterotrofo significa “altro” (hetero) “mangiatore” (troph), il che significa che il loro cibo proviene da altri organismi. Anche se l’organismo alimentare è un altro animale, questo cibo trae le sue origini dagli autotrofi e dal processo di fotosintesi. Gli esseri umani sono eterotrofi, come tutti gli animali. Gli eterotrofi dipendono dagli autotrofi, direttamente o indirettamente. I cervi e i lupi sono eterotrofi. Un cervo ottiene energia mangiando piante. Un lupo che mangia un cervo ottiene energia che originariamente proveniva dalle piante mangiate da quel cervo. L’energia nella pianta proviene dalla fotosintesi, e quindi è l’unico autotrofo in questo esempio (Figura 2). Usando questo ragionamento, anche tutto il cibo mangiato dall’uomo si ricollega agli autotrofi che effettuano la fotosintesi.

Strutture principali e riassunto della fotosintesi

La fotosintesi richiede luce solare, anidride carbonica e acqua come reagenti di partenza (Figura 4). Quando il processo è completo, la fotosintesi rilascia ossigeno e produce molecole di carboidrati, più comunemente glucosio. Queste molecole di zucchero contengono l’energia di cui gli esseri viventi hanno bisogno per sopravvivere.

Le complesse reazioni della fotosintesi possono essere riassunte dall’equazione chimica mostrata nella Figura 5.

Anche se l’equazione sembra semplice, i molti passi che avvengono durante la fotosintesi sono in realtà abbastanza complessi, come nel modo in cui la reazione che riassume la respirazione cellulare rappresenta molte reazioni individuali. Prima di imparare i dettagli di come i fotoautotrofi trasformano la luce del sole in cibo, è importante familiarizzare con le strutture fisiche coinvolte.

Nelle piante, la fotosintesi avviene principalmente nelle foglie, che consistono di molti strati di cellule e hanno lati superiori e inferiori differenziati. Il processo di fotosintesi non avviene sugli strati superficiali della foglia, ma piuttosto in uno strato intermedio chiamato mesofillo (Figura 6). Lo scambio di anidride carbonica e ossigeno avviene attraverso piccole aperture regolate chiamate stomi.

In tutti gli eucarioti autotrofi, la fotosintesi avviene in un organello chiamato cloroplasto. Nelle piante, le cellule contenenti cloroplasti si trovano nel mesofillo. I cloroplasti hanno una doppia membrana (interna ed esterna). All’interno del cloroplasto c’è una terza membrana che forma strutture impilate a forma di disco chiamate tilakoidi. Incorporate nella membrana dei tilakoidi ci sono molecole di clorofilla, un pigmento (una molecola che assorbe la luce) attraverso il quale inizia l’intero processo della fotosintesi. La clorofilla è responsabile del colore verde delle piante. La membrana tillakoide racchiude uno spazio interno chiamato spazio tillakoide. Anche altri tipi di pigmenti sono coinvolti nella fotosintesi, ma la clorofilla è di gran lunga il più importante. Come mostrato nella figura 6, una pila di tilakoidi è chiamata granulo, e lo spazio che circonda il granulo è chiamato stroma (da non confondere con gli stomi, le aperture sulle foglie).

Le due parti della fotosintesi

La fotosintesi avviene in due fasi: le reazioni dipendenti dalla luce e il ciclo di Calvin. Nelle reazioni luce-dipendenti, che avvengono nella membrana tilaconica, la clorofilla assorbe l’energia dalla luce del sole e poi la converte in energia chimica con l’uso dell’acqua. Le reazioni luce-dipendenti rilasciano ossigeno dall’idrolisi dell’acqua come sottoprodotto. Nel ciclo di Calvin, che ha luogo nello stroma, l’energia chimica derivata dalle reazioni luce-dipendenti guida sia la cattura del carbonio nelle molecole di anidride carbonica che il successivo assemblaggio delle molecole di zucchero. Le due reazioni usano molecole carrier per trasportare l’energia da una all’altra. I trasportatori che spostano l’energia dalle reazioni luce-dipendenti alle reazioni del ciclo di Calvin possono essere pensati come “pieni” perché portano energia. Dopo che l’energia è stata rilasciata, i trasportatori di energia “vuoti” ritornano alle reazioni dipendenti dalla luce per ottenere altra energia.

Riassunto della sezione

Il processo di fotosintesi ha trasformato la vita sulla terra. Sfruttando l’energia del sole, la fotosintesi ha permesso agli esseri viventi di accedere a enormi quantità di energia. Grazie alla fotosintesi, gli esseri viventi hanno avuto accesso a un’energia sufficiente, che ha permesso loro di evolvere nuove strutture e di raggiungere la biodiversità che è evidente oggi.

Solo alcuni organismi, chiamati autotrofi, possono effettuare la fotosintesi; essi richiedono la presenza della clorofilla, un pigmento specializzato che può assorbire la luce e convertire l’energia luminosa in energia chimica. La fotosintesi utilizza l’anidride carbonica e l’acqua per assemblare molecole di carboidrati (solitamente glucosio) e rilascia ossigeno nell’aria. Gli autotrofi eucarioti, come le piante e le alghe, hanno organelli chiamati cloroplasti in cui avviene la fotosintesi.