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Perché le foglie sono verdi?

 By Luca Longo

Sappiamo che l’eccesso di anidride carbonica (CO2) in atmosfera è la principale causa del cambiamento climatico. Abbiamo capito che la Terra si sta surriscaldando perché nell’ultimo secolo o due abbiamo bruciato un sacco di combustibili fossili che avevano impiegato centinaia di milioni di anni per formarsi ed accumularsi nelle viscere del nostro pianeta…

Per fortuna, sulla superficie della Terra esistono orde di feroci cacciatori di CO2 che passano la loro vita a catturare senza pietà l’anidride carbonica. Come Robin Hood, la spaccano, liberano parte dell’ossigeno e rimontano insieme quello che resta, un po’ d’acqua e un pizzico di altre sostanze per produrre semi, frutti, foglie e altre cose buone.
Le piante – i nostri cacciatori di CO2 – da circa due miliardi e mezzo di anni sanno realizzare una cosa che tutti gli animali presenti sulla Terra non hanno ancora imparato a fare. Compresi noi, sedicenti homo sapiens sapiens, che negli ultimi tempi (geologici) stiamo dominando il Pianeta.
Il trucco sta nella fotosintesi, un meccanismo piuttosto complicato che permette a minuscoli organelli specializzati presenti sulle foglie – i cloroplasti – di convertire la luce solare in energia. I fotoni provenienti dal Sole che riescono a superare la barriera dell’atmosfera hanno una lunghezza d’onda compresa fra i 380 e i 750 nanometri (nm; un nanometro è un miliardesimo di metro). La regione dello spettro solare che le piante riescono a sfruttare per la fotosintesi va dai 400 nm (blu) ai 700 nm (rosso).

Lunghezze d'onda della radiazione solare (MIT OpenCourseWare)

A differenza degli animali, le piante utilizzano i raggi solari della giusta lunghezza d’onda per eccitare alcuni elettroni in speciali molecole. L’energia del Sole convertita in energia di eccitazione di questi elettroni subisce numerose altre trasformazioni a catena ed alla fine permette di produrre carboidrati. Questi carboidrati possono essere zuccheri, amidi, cellulosa, lignina e glicogeno.
In pratica, le piante sfruttano il Sole per costruire ordine dal disordine. Convertono sostanze disordinate (l’anidride carbonica dispersa in atmosfera, l’acqua e una manciata di altre sostanze elementari sparse nel terreno) in strutture altamente ordinate e in grado di conservare un sacco di energia all’interno dei loro legami chimici. Grazie a questa gentilezza da parte delle piante, quando ne abbiamo bisogno possiamo bruciare l’energia contenuta negli zuccheri e negli amidi per fare i dolci e la pastasciutta o bruciare cellulosa e lignina per costruire oggetti di legno o per scaldarci davanti al fuoco. Ovviamente, quando abbiamo voglia di una bistecca, di uova o di latte, possiamo anche usare queste scorte concentrate di energia per allevare animali. E non dimentichiamo che il sottoprodotto di tutto questo lavorio delle piante è proprio l’ossigeno che ci permette di respirare!
Tutte le piante – dal trifoglio alla quercia – per fare la fotosintesi usano due molecole speciali in grado di interagire con la luce: la Clorofilla A e la Clorofilla B. Le alghe verdi funzionano quasi nello stesso modo, mentre le alghe rosse usano – insieme all’onnipresente A – anche la Clorofilla D al posto della B. infine le alghe brune preferiscono la Clorofilla C.
Queste differenti molecole sono costruite in modo da lavorare al meglio quando vengono colpite da raggi di luce di un colore preciso, cioè da onde elettromagnetiche di un certo intervallo di lunghezze d’onda.
In particolare, la A assorbe la luce attorno a 435 nm (blu violetto) e 670-680 nm (rosso). Invece, la B preferisce lavorare con le lunghezze d’onda 480 nm (blu) e 650 nm (arancione). Oltre alle clorofille, anche i carotenoidi e i licopeni danno il proprio contributo all’assorbimento della luce visibile – soprattutto nella zona del verde – I primi sono i responsabili dell’arancione delle carote mentre i secondi fanno rossi i pomodori.

Spettri di assorbimento della clorofilla A e B (Wikimedia)

Quindi, tenendo conto di tutte le componenti, le piante assorbono la luce viola-blu e rosso-arancione, mentre non sono in grado di utilizzare la luce nelle lunghezze d’onda del giallo e del verde. Tutti i raggi di luce giallo-verdi, quindi, vengono riflessi dalle foglie.

Ecco perché le foglie sono verdi!

A questo punto, nasce una domandona: se tutte le piante superiori (dette, appunto, piante verdi) catturano solo la luce rossa e blu, perché non sono in grado di utilizzare proprio la parte dello spettro solare nella zona del giallo e del verde che, oltretutto, è anche quella più succosa, cioè dove si trova il massimo dell’emissione solare?
(Ecco spiegato perché il Sole lo vediamo giallo: la maggior parte della luce che emette e che arriva sotto l’atmosfera è costituita da fotoni di quella lunghezza d’onda!)
Dicevamo, perché nessuno usa la parte gialla – quella più intensa – dello spettro solare?

È una storia lunga. Anzi: è una storia molto antica.

Quando si sono formati i primi meccanismi prodotti dal rimescolamento casuale delle molecole presenti nelle pozzanghere sulla superficie della Terra primordiale, alcuni di questi si sono sviluppati a tal punto da riuscire ad effettuare una prima rudimentale fotosintesi. Erano microscopici batteri acquatici, alcuni dei quali sono ancora in circolazione pure oggi. Uno di questi, l’halobacterium halobium, sopravvive in acque molto salate.
Questo utilizza un pigmento, chiamato bacteriorhodopsina, in grado di realizzare una specie di fotosintesi non tanto efficiente ma, comunque, sufficiente per permettergli di cavarsela. La bacteriorhodopsina lavora benissimo con la zona dello spettro solare corrispondente al giallo-verde. Teniamolo a mente perché poi ci servirà.
È probabile che i primi batteri capaci di sintetizzare al loro interno la bacteriorhodopsina – o un pigmento molto simile – si siano trovati con una marcia in più rispetto a tutti gli altri che se la dovevano cavare solo col calore. Anzi, grazie al segreto della bacteriorhodopsina, si sentivano un po’ come se avessero inventato la bicicletta in un mondo in cui tutti gli altri batteri dovevano andare a piedi. Questi batteri si sono scatenati e hanno rapidamente ricoperto tutte le zone utilizzabili sulla superficie del Pianeta dove potevano ricevere tutta la luce che volevano. In quel mondo circa 3 miliardi e mezzo di anni fa – giorno più giorno meno – sono diventati le specie dominanti.

Lo spettro di assorbimento di bacteriorhodopsina confrontato con clorofilla A

Precisiamo: assorbivano la luce per ricavare energia e produrre zolfo e solfati. Nessuno aveva ancora imparato a sfruttare l’anidride carbonica per produrre ossigeno. Non doveva essere un pianeta molto confortevole…
La loro sfortuna è stata che, sotto sotto – ma proprio sotto sotto, cioè sotto la superficie dove si trovavano quei batteri fotosintetici primordiali – un’altra serie di meccanismi si è pure lei organizzata per sfruttare la luce del Sole, ma, all’ombra dello strato di quei primi batteri fotosintetici, si è dovuta accontentare solo di quella parte della luce che restava dopo che i primi ingordi batteri sulla superficie avevano assorbito tutta la luce nella zona del giallo e verde. Per questo, questi ultimi hanno inventato un meccanismo in grado di sfruttare le zone più esterne dello spettro solare visibile. Si trattava proprio dei cianobatteri: i primi esseri viventi in grado di fare la fotosintesi come la conosciamo noi, a base di clorofilla A e clorofilla B ecc. ecc. Il bello era che questa nuova fotosintesi 2.0 era enormemente più efficiente della precedente. Quindi è come se questi ultimi organismi “verdi” si fossero trovati a bordo di una formula uno mentre gli organismi che avevano dominato il pianeta fino ad allora erano ancora in bicicletta.
A questo punto – prima i cianobatteri 2,7 miliardi di anni fa, poi le alghe rosse e brune un miliardo e duecento milioni di anni fa, quindi le alghe verdi 750 milioni di anni fa, e finalmente le piante verdi 475 milioni di anni fa – si sono scatenate e hanno praticamente eliminato per competizione naturale tutti gli organismi capaci di fare la fotosintesi alla vecchia maniera. Per questo, oggi gli ultimi esemplari di organismi in grado di fare quel tipo di fotosintesi si trovano in nicchie ecologiche dove le piante verdi non si curano nemmeno di andare, come le acque molto salate o le profondità degli oceani.

Immagine a raggi-X della più antica pianta fossile mai scoperta (evidenziata in verde), un'alga di 1,6 miliardi di anni di anni fa (Stefan Bengtson)

Ma che dire dello sviluppo delle piante terrestri? Perché sono rimaste verdi? Perché nessun vegetale ha imparato a realizzare una nuova fotosintesi (la 3.0) in grado di sfruttare anche la luce giallo-verde che non usa praticamente più nessuno da due miliardi e mezzo di anni in qua?
Si pensa che gli organismi fotosintetici non sentano una pressione selettiva che li spinga a sviluppare un modo più efficiente di usare la luce. In pratica, con tutta la luce del Sole a disposizione (e una atmosfera molto più pulita e trasparente di quella primordiale) la quantità di luce che le piante riescono a convertire in energia è già più che sufficiente. In sostanza, la luce non è la risorsa limitante nella fotosintesi delle piante.
Infatti, la quantità di energia solare catturata dalla fotosintesi è immensa, dell’ordine dei 130 TW/a (teraWatt all’anno), che è solo lo 0,01 % dei 122.000 TW/a contenuti nel flusso di energia solare che raggiunge la Terra, ma che è anche otto volte di più di quanto consuma attualmente l’intera civiltà umana: circa 16 TW all’anno.
La fotosintesi non è solo il principale metodo per produrre energia a disposizione degli organismi viventi terrestri, ma è anche la loro principale fonte di carbonio per la costruzione dei composti organici: ogni anno la fotosintesi trasforma in biomassa circa 115 miliardi di chilogrammi di carbonio portandoli via dall’anidride carbonica atmosferica.
Se le piante non hanno bisogno di più energia di quella che già sono capaci di ottenere dal Sole, questo non è proprio vero anche per gli esseri umani. A differenza delle piante, noi siamo continuamente a caccia di energia e – soprattutto – di fonti di energia che non danneggino troppo il nostro stesso Pianeta.
Al Centro Ricerche Eni per le Energie Rinnovabili e l’Ambiente è stata inventata una tecnologia per produrre energia elettrica dal Sole senza interferire con la fotosintesi e senza combinare disastri al Pianeta. Si tratta dei Concentratori Solari Luminescenti (LSC) di cui abbiamo già parlato su Eniday.

Pensilina LSC Eni installata a Roma

Gli LSC basati sulle lastre rosse sono in grado di catturare la luce nella regione dello spettro corrispondente al giallo e di riemetterla nel rosso proprio sulla lunghezza d’onda ideale per le piante. I primi studi preliminari confermano che la presenza di LSC protegge le piante dalle radiazioni solari che non sono in grado di utilizzare e favorisce la loro crescita aumentando l’intensità della luce nella regione dello spettro solare cui sono più sensibili.
In pratica, se una pianta al riparo di un LSC rosso, quello che la lastra LSC assorbirà servirà per produrre energia elettrica, ma la lastra convertirà buona parte della radiazione che non usa in luce rossa che è proprio quella di cui è ghiotta la pianta. Se guardiamo la pianta attraverso la lastra LSC vedremo che le foglie sembrano completamente nere, perché quasi nessun fotone partito dal Sole riesce a attraversare la lastra e allo stesso tempo a non essere assorbito dalle foglie ma a rimbalzare fino ai nostri occhi.
In questo modo, sulla stessa superficie di terreno potranno essere realizzate serre per le piante, fotobioreattori per le alghe, campi coltivati – o più semplicemente si potranno lasciare crescere prati, boschi e foreste – ma al contempo si potrà produrre energia elettrica.

Grazie alla ricerca, potremo colmare un gap che la natura non è stata capace di colmare in due miliardi e mezzo di anni. E dite poco!

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informazioni sull'autore
Luca Longo
Chimico industriale specializzato in chimica teorica. Si occupa di calcolo scientifico da 30 anni. Lavora nella ricerca di nuove tecnologie per l’energia. In tutto quello che fa, ama andare fino in fondo.