Fioritura meravigliosa: i cactus sono tra le poche specie di piante che possono prosperare nel deserto. Alan Levine / Flickr, CC BY-SA

La luce solare, imbrigliata dalle piante nel processo di fotosintesi, alimenta quasi tutta la vita sulla terra. Adattamenti speciali permettono a certe piante di immagazzinare una batteria di anidride carbonica durante la notte per l'uso nella fotosintesi durante il giorno, dando loro un vantaggio succoso in condizioni di deserto secco.

I processi che costituiscono la vita - come la crescita, la riparazione, il movimento e la riproduzione - richiedono tutti una fonte di energia. La fonte immediata di questa energia per molti esseri viventi è l'energia chimica.

Le molecole a base di carbonio ad alta energia, come zuccheri e grassi, vengono decomposte per alimentare i processi della vita. Queste molecole ad alta energia non si trovano naturalmente nell'ambiente. Gli organismi schivi dal lavoro e disonesti, come gli umani, si affidano al furto di molecole ad alta energia da altri organismi mangiandoli. In definitiva, tuttavia, sono necessarie più molecole ad alta energia per sostituire quelle che sono state analizzate.

Mentre gli zuccheri e i grassi non piovono tristemente dallo spazio, i fotoni ricchi di energia (la cosa migliore da fare), sotto forma di luce solare. Organismi più responsabili di noi, come piante e alghe, eseguono la fotosintesi. Questo processo utilizza l'energia della luce solare per rigenerare le molecole ad alta energia dal loro prodotto di scarto di rottura, anidride carbonica (CO₂), che viene costantemente rilasciato nell'atmosfera da tutti gli esseri viventi.

Nella forma più comune di fotosintesi, CO₂ viene assorbito dalle foglie durante il giorno attraverso minuscoli pori nella superficie della pianta. Viene quindi attaccato, o "fissato", direttamente su una molecola di zucchero usando l'energia della luce solare, per essere usato come fonte di energia chimica - sia dalla pianta, sia dall'animale che lo mangia.

Piccoli pori lasciano anidride carbonica nella foglia - ma consentono anche l'ingresso di ossigeno e acqua. Photohound

Ma acquisendo CO₂ dall'atmosfera può essere problematico in alcune situazioni. L'apertura dei pori sulla superficie della pianta consente a CO₂ dentro, ma lascia anche entrare e uscire l'ossigeno. La perdita d'acqua è un problema in ambienti asciutti - in particolare durante il giorno, che è quando CO₂ è richiesto per la fotosintesi.

Inoltre, in ambienti caldi, la pianta è meno in grado di discriminare tra ossigeno e CO₂ e può effettivamente finire per attaccare l'ossigeno alla molecola di zucchero. Una volta che una molecola di ossigeno viene fissata a uno zucchero, deve essere nuovamente valutata a un costo energetico significativo, riducendo l'energia netta che le piante possono acquisire dalla fotosintesi.

Batterie al biossido di carbonio per efficienza

Si sono evoluti diversi gruppi di piante che non fissano direttamente CO atmosferico₂ fare zuccheri, ma allegare CO₂ su altre molecole che possono essere immagazzinate, trasportate e scomposte per rilasciare CO₂ di nuovo, come una batteria. Ciò evita i problemi di perdita d'acqua e fissazione accidentale dell'ossigeno.

Due strategie alternative si sono evolute per sfruttare questa capacità: la fotosintesi di C4, che manipola la concentrazione di CO₂ nello spazio, e la fotosintesi CAM, che manipola la concentrazione nel tempo.

La fotosintesi di C4 viene eseguita da specie 7,600, la maggior parte delle quali sono erbe, tra cui mais e sorgo. Esso ha evoluto in modo indipendente almeno per 60 volte, tuttavia è presente in meno del 0.5% di specie vegetali. Sebbene altamente competitivi in ​​ambienti caldi, i costi energetici associati alla conservazione del carbonio significano che le piante che effettuano la fotosintesi convenzionale hanno il vantaggio a temperature più basse.

La fotosintesi di C4 utilizza un enzima speciale per fissare CO atmosferico₂ su un acido Questo enzima è molto più efficace nella discriminazione tra CO₂ e ossigeno rispetto al classico enzima utilizzato nella fotosintesi tradizionale. L'acido viene trasportato in profondità all'interno della pianta, dove le concentrazioni di ossigeno sono molto più basse e la CO₂ è ripubblicato. In questo ambiente con poco ossigeno, la pianta fa meno errori di fissazione dell'ossigeno, aumentando l'efficienza della fotosintesi. C'è un costo energetico per questo modo indiretto di fare la fotosintesi, ma questo è più che compensato dalla diminuzione della costosa fissazione dell'ossigeno negli ambienti caldi.

Le piante di cactus e ananas usano la fotosintesi CAM per rimanere succose. hiyori13 / Flickr, CC BY-SA

L'altro tipo alternativo di fotosintesi è CAM, o Metabolismo dell'acido crassulacico, che precede la fotosintesi di C4 di almeno 150 milioni di anni. Questo era scoperto per la prima volta nella famiglia Crassula di piante ma ha evoluto indipendentemente in molti lignaggi di piante, per un totale di oltre 9,000 specie.

Come gli impianti C4, CAM archivia anche CO₂ in un acido, ma svolge questa reazione durante la notte e invece di trasportare le molecole acide in una parte diversa della pianta, le immagazzina semplicemente nel vacuolo - l'area di stoccaggio nel cuore di ogni cellula vegetale. Durante il giorno, quando è disponibile la luce necessaria per la fotosintesi, la pianta non ha bisogno di aprire i pori: ha un pranzo al sacco già conservato nelle sue celle. Ciò consente alla pianta di eseguire la fotosintesi senza aprire i pori durante il giorno, riducendo in modo massiccio la quantità di acqua persa.

Questo è il modo in cui piante CAM come cactus e ananas possono rimanere succulenti e acquosi nonostante gli ambienti caldi in cui crescono. Negli ambienti più umidi o più freddi, tuttavia, i problemi risolti dalla fotosintesi CAM e C4 non sono così gravi - e il costo energetico di memorizzazione e rilasciando CO₂ significa che le piante sono competitive solo con i loro cugini tradizionalmente fotosintesi in ambienti caldi o asciutti.

Forse l'ultimo posto, quindi, che ci si potrebbe aspettare di trovare le piante CAM è sott'acqua, un ambiente piuttosto umido da tutti i conti. Era con una certa sorpresa quindi che CAM era prima riportato nella pianta del lago Isoetes seguito da scoperte in quattro altri generi di piante acquatiche.

Piccole piante acquatiche del genere Isoetes effettuano CAM per concentrare l'anidride carbonica nel mondo sottomarino. Servizio US Fish & Wildlife

Nonostante i loro ambienti molto diversi, le piante nei laghi e nei deserti alla fine condividono lo stesso problema - la difficoltà di acquisire CO₂. Mentre un sacco di CO₂ può essere sciolto in acqua, si diffonde molto più lentamente che nell'aria, quindi l'acqua intorno a una pianta può esaurirsi di CO₂. Le piante acquatiche hanno evoluto la fotosintesi CAM in modo che possano continuare a prendere CO₂ di notte, utilizzandolo per integrare ciò che possono acquisire durante il giorno.

Oltre alla ricerca che mira a introdurre la fotosintesi di C4 in riso, c'è stato un significativo interesse nel modificare le piante coltivate per eseguire la fotosintesi CAM in modo da poter sopravvivere meglio alla siccità causata dai cambiamenti climatici.

Circa l'autore

Daniel Wood, studente di dottorato in Biologia vegetale, Università di Sheffield

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi il articolo originale.

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