Principi di biologia
Come può la luce essere usata per produrre cibo? È facile pensare alla luce come a qualcosa che esiste e che permette agli organismi viventi, come gli esseri umani, di vedere, ma la luce è una forma di energia. Come tutta l’energia, la luce può viaggiare, cambiare forma ed essere sfruttata per fare lavoro. Nel caso della fotosintesi, l’energia luminosa viene trasformata in energia chimica, che gli autotrofi usano per costruire molecole di carboidrati. Tuttavia, gli autotrofi usano solo una componente specifica della luce solare (Figura 1).
Il sole emette una quantità enorme di radiazione elettromagnetica (energia solare). Gli esseri umani possono vedere solo una frazione di questa energia, che viene chiamata “luce visibile”. Il modo in cui l’energia solare viaggia può essere descritto e misurato come onde. Gli scienziati possono determinare la quantità di energia di un’onda misurando la sua lunghezza d’onda, la distanza tra due punti consecutivi e simili in una serie di onde, come da cresta a cresta o da depressione a depressione (Figura 2).
La luce visibile costituisce solo uno dei molti tipi di radiazione elettromagnetica emessa dal sole. Lo spettro elettromagnetico è la gamma di tutte le possibili lunghezze d’onda della radiazione (Figura 3). Ogni lunghezza d’onda corrisponde a una diversa quantità di energia trasportata.
Ogni tipo di radiazione elettromagnetica ha una gamma caratteristica di lunghezze d’onda. Più lunga è la lunghezza d’onda (o più allungata appare), meno energia viene trasportata. Le onde corte e strette trasportano la maggior parte dell’energia. Questo può sembrare illogico, ma pensatelo in termini di un pezzo di corda in movimento. Ci vuole poco sforzo da parte di una persona per muovere una corda in onde lunghe e larghe. Per far muovere una corda in onde corte e strette, una persona dovrebbe applicare molta più energia.
Il sole emette una vasta gamma di radiazioni elettromagnetiche, compresi i raggi X e ultravioletti (UV) (Figura 3) . Le onde ad alta energia sono pericolose per gli esseri viventi; per esempio, i raggi X e i raggi UV possono essere dannosi per gli esseri umani.
Assorbimento della luce
L’energia luminosa entra nel processo di fotosintesi quando i pigmenti assorbono la luce. Nelle piante, le molecole di pigmento assorbono solo la luce visibile per la fotosintesi. La luce visibile vista dall’uomo come luce bianca esiste in realtà in un arcobaleno di colori. Alcuni oggetti, come un prisma o una goccia d’acqua, disperdono la luce bianca per rivelare questi colori all’occhio umano. La porzione di luce visibile dello spettro elettromagnetico è percepita dall’occhio umano come un arcobaleno di colori, con il viola e il blu che hanno lunghezze d’onda più corte e, quindi, maggiore energia. All’altra estremità dello spettro, verso il rosso, le lunghezze d’onda sono più lunghe e hanno un’energia inferiore.
Le lunghezze d’onda della luce che vengono riflesse da un oggetto e rimbalzano via vengono rilevate dai nostri occhi. Le lunghezze d’onda della luce che vengono assorbite da un oggetto non arrivano ai nostri occhi. Questo significa che il colore che un oggetto appare è dovuto alle lunghezze d’onda che vengono riflesse e non a quelle che vengono assorbite. Per esempio, la mela nella figura 4 appare rossa (supponendo che tu non sia daltonico). Questo perché le lunghezze d’onda rosse della luce vengono riflesse dalla mela e le altre lunghezze d’onda (giallo, verde, blu, viola) vengono assorbite dalla mela.
Comprensione dei pigmenti
Esistono diversi tipi di pigmenti, e ognuno assorbe solo determinate lunghezze d’onda (colori) della luce visibile. I pigmenti riflettono il colore delle lunghezze d’onda che non possono assorbire. Tutti gli organismi fotosintetici contengono un pigmento chiamato clorofilla a, che gli umani vedono come il comune colore verde associato alle piante. La clorofilla a assorbe le lunghezze d’onda da entrambe le estremità dello spettro visibile (blu e rosso), ma non dal verde. Poiché il verde viene riflesso, la clorofilla appare verde.
Altri tipi di pigmenti includono la clorofilla b (che assorbe la luce blu e rosso-arancio) e i carotenoidi. Ogni tipo di pigmento può essere identificato dal modello specifico di lunghezze d’onda che assorbe dalla luce visibile, che è il suo spettro di assorbimento.
Molti organismi fotosintetici hanno una miscela di pigmenti; tra questi, l’organismo può assorbire energia da una gamma più ampia di lunghezze d’onda della luce visibile. Non tutti gli organismi fotosintetici hanno pieno accesso alla luce del sole. Alcuni organismi crescono sott’acqua dove l’intensità della luce diminuisce con la profondità e alcune lunghezze d’onda sono assorbite dall’acqua. Altri organismi crescono in competizione per la luce. Le piante della foresta pluviale devono essere in grado di assorbire ogni po’ di luce che passa, perché gli alberi più alti bloccano la maggior parte della luce solare (Figura 5).
