Le piante sono intorno a noi. È facile abituarsi alla loro presenza. Ma, immaginate un mondo senza erbe verdi e alberi lussureggianti – un pianeta ricoperto di deserto. Potremmo sopravvivere? Le piante sono parte integrante del nostro ambiente e forniscono il cibo, l’ossigeno e le fibre da cui dipendiamo per la sopravvivenza. E la loro capacità di fotosintetizzare è uno dei fenomeni più sorprendenti ed essenziali della natura.

Questo lo sa bene Alessia Para Gallio, professore assistente di ricerca alla Northwestern e al Chicago Botanic Garden. Ha completato il suo master in Scienze Biologiche presso l’Università di Pavia, Italia, e ha ricevuto il suo dottorato in Botanica Fisiologica presso l’Università di Uppsala, Svezia, con una tesi sullo sviluppo delle piante. I suoi attuali interessi di ricerca includono l’orologio circadiano e la nutrizione minerale nelle piante.

Science in Society ha parlato con Para Gallio dell’importanza della fotosintesi e del ruolo che gioca nella sua ricerca.

A livello base, cos’è la fotosintesi?

La fotosintesi è il processo con cui l’energia luminosa del sole viene assorbita e convertita in composti organici. I composti organici sono fondamentalmente diverse forme di zucchero. Vengono metabolizzati e poi se ne estrae l’energia. E queste forme di energia possono poi essere utilizzate da sistemi biologici come noi, per esempio, e dagli animali in generale.

Cosa succede quando i pigmenti assorbono la luce solare?

I pigmenti sono molecole speciali che sono coinvolte nella raccolta della luce dal sole. Quando si illumina un pigmento, l’assorbimento dei fotoni può eccitare gli elettroni e farli passare da uno stato di bassa ad uno di alta energia. Per tornare allo stato di bassa energia, l’energia viene rapidamente ceduta come calore, luce, fosforescenza o, nel caso dei pigmenti fotosintetici, può essere trasferita a un’altra molecola di pigmento come la clorofilla.

Che ruolo ha la clorofilla?

La clorofilla è probabilmente il più importante pigmento che assorbe la luce, non solo nelle piante, ma anche nelle alghe e nei batteri. Quando la clorofilla viene eccitata, rilascia un elettrone a un accettore di elettroni, iniziando una catena di trasporto degli elettroni. Questo significa che gli elettroni vengono trasferiti dal donatore (riduttore) all’accettore (ossidante), che ha un livello di energia leggermente inferiore.

Durante il trasferimento di elettroni, i protoni (cioè gli ioni di idrogeno) vengono pompati attraverso la membrana dei cloroplasti, gli organelli specializzati dove avviene la fotosintesi. Quindi, i cloroplasti funzionano come piccole batterie, con un potenziale diverso su ogni lato, e questa differenza viene usata per creare energia.

Perché la fotosintesi è importante? Cosa accadrebbe se non l’avessimo?

Piante, alghe e batteri sono gli unici organismi che possono raccogliere la luce del sole e usare l’energia per convertire il CO2 (anidride carbonica) in materiale organico. L’anidride carbonica è uno dei principali inquinanti dell’aria, quindi gli organismi fotosintetici stanno effettivamente mantenendo l’aria pulita. Nel processo, producono ossigeno, che costituisce una parte significativa dell’aria che respiriamo, quindi meno piante significa meno riciclo di anidride carbonica e meno produzione di ossigeno. Le piante ci danno anche cibo e fibre per fare vestiti e senza la fotosintesi non saremmo in grado di sostenere la vita che stiamo vivendo.

Che ruolo ha la fotosintesi nella tua ricerca?

Sono interessato a due argomenti principali. Uno è la nutrizione minerale delle piante in generale e l’azoto in particolare. Il metabolismo dell’azoto è strettamente legato alla fotosintesi perché uno dei prodotti dell’assimilazione dell’azoto, il glutammato, è la fonte della clorofilla. E gli zuccheri che sono prodotti dalla fotosintesi sono usati per fare il glutammato e altri aminoacidi.

Uno dei primi segni di carenza di azoto è la clorosi, una condizione in cui le foglie diventano gialle perché non c’è abbastanza azoto per fare il glutammato. Quindi, non c’è abbastanza clorofilla.

L’altro argomento che mi interessa molto è l’orologio circadiano delle piante, e il modo in cui l’orologio circadiano regola molti aspetti diversi dello sviluppo e del metabolismo delle piante.

E uno dei processi che è sotto stretta regolazione circadiana è la fotosintesi. Ciò che l’orologio circadiano fa è preparare l’organismo per qualsiasi cosa stia per accadere. Così, prima dell’alba, tutti i geni richiesti per la fotosintesi sono accesi, così appena c’è luce (alba) il processo è pronto per iniziare. Quindi, non c’è ritardo tra il sorgere del sole e quando le piante sono pronte a usare la luce.

Similmente, prima di svegliarci, abbiamo bisogno che l’adrenalina salga, che i livelli di alcuni ormoni cambino e che gli zuccheri entrino in circolazione. Così quando la sveglia suona siamo pronti a partire. E alcuni studi suggeriscono che senza l’orologio circadiano avremmo un attacco di cuore ogni volta che ci svegliamo perché non saremmo pronti.

Quindi questo è il vantaggio di avere un orologio circadiano. Sei pronto per qualsiasi cosa stia arrivando, se qualsiasi cosa stia arrivando sta accadendo ogni giorno.

Quindi, le piante e gli esseri umani hanno un orologio circadiano simile?

Sì, l’architettura molecolare è diversa ma la funzione è la stessa, cioè quella di adattarsi a una vita su un pianeta che ha un periodo di rotazione di 24 ore, e cicli di luce e buio che si alternano.

Come influisce il tempo sulla fotosintesi?

La fotosintesi è molto sensibile all’intensità luminosa. Quindi, in generale, il sistema si spegne a mezzogiorno, o al culmine delle ore più calde della giornata, perché troppa energia del sole può danneggiare la struttura biologica. Quindi, causerà un sacco di elettroni che andranno in giro e diventeranno molto velenosi per le strutture biologiche. Quindi vogliono essere sicuri di usare un’intensità di luce adatta. E quando è troppo il sistema si spegne.

In inverno, quando non ci sono foglie sugli alberi, cosa succede alla nostra riserva di ossigeno?

Non credo che respiriamo solo l’ossigeno che viene prodotto dove viviamo. Per esempio, l’Amazzonia produce molto ossigeno e alla fine arriva anche a noi. Quindi, non dipendiamo solo dalle piante che sono intorno a noi. Siamo dipendenti dalla quantità di piante sul pianeta, sulla terra.

Gli scienziati hanno trovato un modo per replicare il processo di fotosintesi?

È stata una sfida per molti anni, e molti laboratori hanno raccolto questa sfida. Ma, recentemente, un gruppo del Royal Institute of Technology di Stoccolma è riuscito a produrre un catalizzatore che è in grado di utilizzare la luce del sole per scindere l’acqua in ossigeno come fa la fotosintesi.

L’importanza di questa scoperta non è solo legata all’ossigeno. Quando si scinde l’acqua c’è anche la produzione di idrogeno, e questo è davvero importante per l’urgenza che abbiamo di trovare fonti alternative di energia rinnovabile.

Quindi, se riescono a farlo funzionare correttamente, potrebbero usarlo per produrre energia rinnovabile?