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Giu
08
2017
0

I sistemi tradizionali di recupero della fertilità dei suoli: nuove idee per vecchi sistemi.

Una gestione errata dei campi causa, nel lungo periodo, la compattazione, l’erosione e la perdita di sostanze nutritive del terreno. Cosa possono fare i piccoli agricoltori per ripristinare e recuperare la qualità e la fertilità dei loro suoli? Gli agricoltori sono generalmente consapevoli del fatto che il loro terreno si sta degradando. Si accorgono dei solchi, fori e gole che si formano nei loro campi. Anche se non sono così attenti ai loro terreni, finiscono per contare meno sacchi di grano o cassette di frutta al momento della raccolta annuale. Ma cosa possono fare per evitare questi danni? Nel corso dei secoli, i piccoli agricoltori in tutto il mondo hanno trovato molti modi ingegnosi per coltivare le colture e allo stesso tempo conservare e trattenere il terreno coltivato su pendii ripidi – facilmente oggetto ad erosione proprio perché in pendenza – ed eventualmente ripristinare il terreno degradato. In Etiopia, per esempio, gli agricoltori usano tradizionalmente un ampio repertorio di tecniche “sostenibili”: muretti di pietra e terrazze, strisce vegetali, creste e bacini, piscicoltura, consociazione (coltivare più colture, anche erbacee e arboree, nello stesso campo e nello stesso periodo) e piantumazione di alberi per fare ombra. Approcci nuovi sono stati aggiunti a questo repertorio, spesso adattando i sistemi tradizionali di coltivazione.

 

I grandi agricoltori usano alcune pratiche dell’agricoltura conservativa ma combinano la monocoltura con l’uso di semi geneticamente modificati.

 

I rimedi rientrano in quattro tipi generali: agronomici, vegetativi, strutturali e gestionali. Le misure agronomiche implicano la modifica della modalità di coltivazione del raccolto. L’aratura e la piantumazione ortogonalmente al pendio invece che su e giù per il pendio (cioè parallelamente alle linee di pendenza) possono ridurre l’erosione e trattenere l’acqua piovana. La permacultura, difatti, riprende questa tecnica creando delle trincee ortogonali alle linee di pendenza e riempiendole parzialmente di materiale organico (strati di fieno, cartone, letame, ecc.). I cereali, in consociazione o in rotazione con i legumi, ristabiliscono la fertilità del suolo e riducono la necessità di fertilizzanti a base di azoto, perché le leguminose ospitano nelle loro radici batteri in grado di fissare l’azoto gassoso atmosferico. L’applicazione di materiale pacciamante, compost e letame permette di aggiungere sostanze nutritive e organiche al suolo, e di stimolare i lombrichi (vedete questo mio articolo di qualche mese fa) e altri organismi benefici del suolo. L’aggiunta di calce riduce l’acidità. L’agricoltura conservativa (da alcuni anche chiamata “sostenibile”) consiste in realtà in una combinazione di misure agronomiche: elimina o riduce l’aratura e in generale la lavorazione del suolo, protegge il terreno con colture pacciamanti o di copertura e ruota le colture per mantenere la fertilità e controllare i parassiti e le erbacce. Questo approccio, comune nelle Americhe e in Australia, spesso prevede l’uso di erbicidi per sopprimere le erbacce, e le diverse specie coltivate sono state geneticamente modificate per resistere proprio all’erbicida usato. È curioso quindi che OGM e metodi di coltivazione conservativi possano andare tranquillamente d’accordo. In Africa e in Asia, i piccoli agricoltori seminano e diserbano a mano, o usano speciali attrezzi trainati da animali che disturbano il suolo il meno possibile. Non c’è bisogno di andare così lontano, dal momento che alcune buone pratiche agricole sostenibili sono applicate anche in molti campi del sud Italia. Queste prevedono l’irrigazione a goccia (spesso fertirrigazione, anche con acque reflue derivanti da impianti di depurazione), l’aggiunta di compost (che funge da fertilizzante e ammendante allo stesso tempo), la permanenza di residui colturali e di potatura nel campo (dove vengono trinciati e incorporati nei primi centimetri di suolo), la non lavorazione o la minima lavorazione del terreno e, in generale, la diminuzione delle perdite di sostanza organica dai suoli coltivati, che si riflette in maggiore acqua e nutrienti nel suolo.

 

Un mix di misure è generalmente la migliore soluzione. Anche i piccoli agricoltori, con poche opzioni possono aumentare significativamente le loro rese.

 

Il problema è che il passaggio all’agricoltura di conservazione può essere difficile: gli agricoltori potrebbero aver bisogno di imparare nuove abilità, cambiare le specie e le varietà coltivate, investire in nuove attrezzature e sforzarsi di controllare le erbacce. Le misure vegetative prevedono l’impianto di piante erbacee, cespugli o alberi per rallentare il flusso d’acqua, trattenere il suolo e diminuire la velocità del vento (causa di erosione eolica). Le siepi e gli alberi piantati intorno ai campi separano gli animali dai raccolti e producono frutta e legna da ardere. Le strisce di erba lungo linee di contorno del campo possono essere una preziosa fonte di foraggio e possono intercettare abbastanza terreno per costruire una serie di terrazze.

Gli alberi e le piante erbacee piantate lungo i corsi d’acqua possono ristabilire solchi, fori e gole esistenti nel suolo e impedire che se ne sviluppino di nuovi. Le misure strutturali comportano lo spostamento di terra e pietre per costruire barriere fisiche. In molte aree dei tropici, spettacolari terrazze rendono possibile la coltivazione di colture su pendii ripidi. In Cina, Himalaya e Asia sud-orientale, terrazze secolari di terriccio vengono utilizzate per coltivare riso (cianobatteri azotofissatori fanno sì che la fertilità di queste terrazze sia rimasta costante anche dopo secoli di coltivazione continua). Sulle Ande, terrazze in pietra vengono utilizzate per coltivare patate. In Etiopia, le terrazze sono piantate con cereali, caffè e cotone. Altre misure strutturali comprendono il posizionamento di cumuli di vegetazione, terriccio e pietre lungo le linee di livello (contour bunding), i condotti di taglio, lo sbarramento delle gole, e i serbatoi per la raccolta dell’acqua.

 

La coltivazione convenzionale usa l’aratura per diserbare. L’agricoltura conservativa invece usa spesso gli erbicidi. Questo permette di risparmiare tempo ma rischia di contaminare l’ambiente.

 

La categoria finale, le misure di gestione, comportano il cambio dell’uso del suolo. Un esempio è quello di recuperare un’area di terra degradata per tenere fuori gli animali da pascolo, dando alla vegetazione la possibilità di ripristinarsi. Gli agricoltori possono tagliare e trasportare foraggio per nutrire il bestiame. Piuttosto che consentire agli animali di vagare liberamente, sono scelti pascoli e coltivazioni foraggere a rotazione, che permettono all’erba e agli alberi di ricrescere sulla terra nuda. Spostando le loro mandrie in cerca di erba e acqua, i pastori evitano di denudare una particolare zona di vegetazione. Le misure più appropriate per la conservazione del suolo dipendono dalle situazioni particolari. Il contour bunding va bene su pendii poco ripidi, ma inefficace sulle colline più ripide. Le strisce di erba non crescono in zone secche o se al bestiame è permesso pascolare e calpestare. I singoli agricoltori possono applicare alcune misure per conto proprio, ad esempio arando e piantando lungo le linee di livello (perpendicolarmente alle linee di pendenza), ma altre misure richiedono che tutti gli agricoltori di una determinata area collaborino. Le terrazze e altre misure strutturali richiedono molta fatica per essere costruite e devono estendersi lungo una collina per essere efficaci. Pianificarle, costruirle e ripararle sono di solito uno sforzo di comunità. Laddove non esista una tale tradizione di aiuto reciproco, la creazione di tali strutture può avere bisogno di sostegno esterno. Ciononostante, l’investimento potrebbe non essere valido dato il valore delle colture che possono essere coltivate sulla terra riabilitata e la necessità di mantenere le strutture una volta costruite. Spesso una combinazione di misure agronomiche, vegetative, strutturali e gestionali è la cosa migliore, ad esempio costruire terrazze per coltivare un mix di colture, includendo erbe foraggere e alberi.

 

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Mar
03
2017
0

Felci arboree

 

 

Le Pteridofite sono chiamate, in linguaggio comune, “felci”. Costituiscono il phylum più complesso e diffuso tra le piante che non differenziano semi. Hanno avuto il loro momento di massima diffusione nel Devoniano (intorno a 400 milioni di anni fa), quando erano di dimensioni gigantesche e i loro residui hanno dato origine poi ai giacimenti di carbon fossile che sfruttiamo oggi. Le felci comprendono sia specie erbacee che specie arboree (se ne conoscono 12.000 specie, la maggior parte delle quali tropicali). Come tutte le piante, le felci, hanno alternanza di generazioni, cioè è come se una stessa specie comprenda due individui distinti (non in termini di sesso, ma proprio di alternanza di generazioni). A differenza con le Angiosperme (piante con i semi), dove il gametofito (che produce gameti a maturità) si sviluppa sulla pianta madre (sporofito), e quindi non ha una vita completamente autonoma, nelle felci il gametofito è indipendente, una pianta a sé stante, al punto tale che è spesso difficile capire a quale sporofito corrisponda. La cosa è sorprendente e mi aveva stupito già ai tempi dell’università; è come se mio figlio fosse un animale completamente diverso da me, con un corredo cromosomico dimezzato, ma sia a sua volta in grado di dare origine ad un uomo!

Nelle felci, lo sporofito (per intenderci, la pianta con rizomi, radici, fusti e fronde; quella che vediamo facilmente) ha spore prodotte in sporangi racchiusi in organi particolari portati al di sotto delle fonde (sori). Le spore, a maturità, vengono diffuse dal vento e, germinando, danno origine a protalli aploidi, separati dalla pianta madre, e di piccole dimensioni. I protalli sono a tutti gli effetti gametofiti con degli organi chiamati anteridi e archegoni (presenti nella stessa pianta, che quindi è ermafrodita, o in gametofiti a sessi separati), i quali producono rispettivamente gameti maschili (anterozoi mobili) e femminili (oosfere immobili). Gli anterozoi, nuotando nell’acqua che inumidisce i protalli, arrivano negli archegoni e si fondono con le oosfere. Dallo zigote risultante si origina lo sporofito diploide, e il ciclo ricomincia. Gli sporofiti delle felci erano riuniti un tempo nelle Crittogame vascolari, in quanto piante prive di fiori ma con apparati conduttori ben differenziati.

Nei climi mediterranei, le felci sono tipiche piante di sottobosco, con eccezione della felce aquilina, che è eliofila, vive nelle radure e può diventare un’infestante. Questo perché l’umidità, come abbiamo detto, è essenziale per la loro riproduzione e per il loro sistema vascolare non così efficiente come quello delle Angiosperme. Il paese invece più ricco di felci è la Nuova Zelanda, dove, soprattutto nell’isola del Nord, le felci sono le piante forestali predominanti. La Nuova Zelanda è relativamente giovane in termini geologici, ma le sue piante e i suoi animali risalgono a un tempo molto lontano. Grazie al suo lungo isolamento, il Paese si presenta come un vero e proprio vivaio di piante particolari e assai varie, spesso esclusive del suo territorio. Il clima è piovoso, soprattutto nella North Island. Per chi si spinge nella foresta kiwi è impossibile non incontrare le felci arboree. La Nuova Zelanda è infatti una terra di felci, delle quali conta più di 80 specie.

 

Tra di esse si riconoscono con grande facilità la felce “mamaku” (felce nera; Cyathea medullaris), che arriva a 20 m di altezza ed è diffusa nelle gole umide di tutto il Paese. E’ la felce più alta e a rapido accrescimento, con fronde a ombrello alte fino a 6 m e larghe 2 m. Viene chiamata “nera” a causa del suo tronco nero e sottile, segnato da uno schema esagonale o ellittico laddove le fronde si distaccano. Le stipole (i gambi delle fronde) sono di colore blu-nero con una struttura ruvida, e le loro basi sono coperte da una peluria nera e luminosa. La base della felce è spesso molto ampia e rinforzata, e piena di radici aeree ingarbugliate. Per questa ragione, i Maori la utilizzavano per depositare e conservare il cibo, dal momento che era impenetrabile anche per i ratti. Le parti più tenere della pianta, tra cui i nuovi germogli non ancora dischiusi, la base delle stipole e il midollo tenero, erano mangiate fredde dopo essere state bollite in un forno di terra. Una curiosità, “Black Ferns” è il nome della squadra nazionale di rugby femminile della Nuova Zelanda, mentre il logo degli “All Blacks”, la fortissima squadra maschile, è una fronda di felce nera stilizzata.

 

 

 

Un’altra felce molto bella, nonché emblema della Nuova Zelanda, è la “ponga” o “kaponga” (felce argentata; Cyathea dealbata), una specie che arriva a 10 m di altezza e presenta, a maturità, fronde dalla caratteristica coloritura bianca sul lato inferiore, lunghe 1-4 m e larghe 4 m. Le fronde delle piante giovani non sono argentee, ma le piante immature possono essere comunque riconosciute dalle loro stipole color argento. I tronchi degli alberi maturi, nelle zone in cui si distaccano le fronde, hanno una struttura a pioli rivolti verso l’alto, di colore chiaro-argenteo. I Maori usavano il midollo delle stipole per curare malattie cutanee e i tronchi per costruire le pareti delle capanne. La felce argentata, peraltro, è assai diffusa nei loghi di molte aziende, oltre che sulle magliette di molti tra i più importanti marchi sportivi del paese. A novembre 2014, i kiwi sono stati chiamati a cambiare bandiera, cambiando la vecchia (con la Union Jack, retaggio dell’impero coloniale britannico, e la Croce del Sud) con una nuova raffigurante una felce argentata su fondo nero, bianco e blu. Quest’ultima bandiera era stata scelta con un primo referendum, tenutosi a dicembre, tra i cinque bozzetti finalisti di un concorso a cui ne erano stati inizialmente sottoposti oltre diecimila. I risultati del referendum, però, hanno finito per confermare la bandiera tradizionale.

 

 

 

La hen and chickens fern (in lingua maori, “manamana” o “mouki”; Asplenium bulbiferum) è anch’essa molto comune, ma più adattata a foreste più fresche di altura rispetto alle due precedenti. Presente anche in Australia. Produce tantissime fronde di colore verde-pallido (alte fino a 1,5 m e larghe 40 cm) che gradualmente si curvano verso il suolo. Le stipole sono nere e squamose alla base e verdi in alto, e hanno dei solchi sulla superficie superiore. Il nome comune (felce “gallina e polli”) è dovuto al fatto che si formano dei bulbilli (i polli) sulle sue fronde, i quali si distaccano, cadono sul suolo e si sviluppano in nuove piante per via vegetativa (senza passare dalla riproduzione sessuale). Le parti giovani delle piante erano cotte al vapore e mangiate ad insalata.

 

 

 

La crown fern (“piupiu”; Blechnum discolor), presente in molti tipi di foreste, cresce in grandi ciuffi a forma di corona con numerose fronde di colore verde opaco al centro e verde giada ai lati. Si trova nel sottobosco in forma di grandi colonie a causa del suo comportamento stolonifero (gli stoloni sono fusti orizzontali che si estendono nel suolo e formano nuove piante, come succede nelle fragole). In inverno, la felce a corona produce fronde fertili separate dalle altre e che crescono al centro della pianta. Queste fronde fertili sono marroni e a forma di lisca di pesce. Dal momento che non è mangiata da cervi e opossum, è spesso predominante, quasi infestante. Le piante più vecchie possono formare un tronco corto. I Maori mangiano le fronde non ancora dischiuse sia crude che cotte.

 

 

 

Infine, chiudo con l’elegante “wheki” (Dicksonia squarrosa), una delle felci arboree più comuni (2-6 m di altezza) in Nuova Zelada, che cresce dal livello del mare fino a 750 m di altitudine. Il tronco può formare “gemme” che poi sviluppano un proprio tronco, soprattutto se il tronco principale è danneggiato. Anche i rizomi sotterranei possono formare nuovi tronchi. Le fronde sono di colore verde scuro e dure al tatto, mentre la nervatura centrale delle fronde nuove è sospesa e appare come un gonnellino marrone.

 

 

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Nov
30
2016
0

Quanto funziona la fotosintesi?

 

[Questo articolo è stato ispirato, rielaborato e in parte riprodotto da “La Fisica della Vita”, Jim Al-Khalili e Johnjoe McFadden, ed. Bollati Boringhieri].

 

In un articolo di parecchi mesi fa pubblicato su questo blog avevo scritto che un organello cellulare chiamato cloroplasto è responsabile della fotosintesi nelle cellule vegetali. I cloroplasti sono molto particolari perché derivano da batteri indipendenti che probabilmente, miliardi di anni fa, sono entrati in simbiosi obbligata con antiche cellule eterotrofe che non facevano fotosintesi. Quest’ultima è un processo molto complesso, che coinvolge decine di enzimi, proteine che, per le loro reazioni chimiche specifiche e rapide, possono essere definiti le macchine della vita. Basti pensare che in un solo secondo, le piante e i microbi fotosintetici raccolgono la luce solare e creano circa 16.000 tonnellate di nuova materia organica, quasi tutta la biomassa del pianeta.

Ora, la gran parte dei biologi pensa che le leggi classiche, spiegabili con le leggi newtoniane, siano sufficienti a spiegare la fotosintesi, dal momento che le biomolecole e gli enzimi coinvolti si comportano proprio come palline e bastoncini. Perfino Richard Feynman, uno degli eredi intellettuali di Schrödinger, descrisse la fotosintesi in termini strettamente classici.

Ma cos’è questo mondo quantistico? Esso ci sembra molto strano, e spesso si pensa che questa stranezza sia il sintomo di una separazione fondamentale tra il mondo che vediamo attorno a noi e le sue fondamenta quantistiche. In realtà esiste un solo insieme di leggi che regola il modo in cui funziona il mondo, e sono le leggi quantistiche. Le leggi statistiche, tanto familiari, e le leggi newtoniane sono, alla fin fine, leggi quantistiche viste attraverso un filtro, che elimina tutte le cose strane (e questa è la ragione per cui ci sembrano strani i fenomeni quantistici e invece “normale” la realtà che sperimentiamo ogni giorno). Scavando più a fondo si trova la meccanica quantistica, acquattata nel cuore della realtà di tutti i giorni e che si rivela ai nostri occhi solo in determinate condizioni sperimentali, come quelle del famoso e elegante esperimento della doppia fenditura (lo trovate spiegato anche nel video in basso; nonostante l’orrendo abitino del prof. Q, è il migliore che abbia trovato in rete!). E’ un esperimento dimostrato migliaia di volte, quindi pienamente confermato, ma completamente controintuitivo e che mi stupisce ogni volta.

 


 

Per chi ha la pazienza di studiarsi questo esperimento, è evidente che il mondo quantistico, con le sue “assurde” ma verificate leggi, smette di esistere (perde la sua “coerenza”, diventando “decorente”) una volta che si effettua un’osservazione o una misura, trasformandosi in mondo classico.

Tra i due mondi, classico e quantistico, in bilico, la vita fa da ponte tra il regno classico e quello quantistico. Per esempio, gli apparati fotosintetici sono strutturati con precisione fino alla posizione delle singole particelle, e oggi il loro moto quantistico, così finemente regolato, sembra essere alla base del loro funzionamento. La cosa più strana è che le proteine o il DNA non sono macchine fatte d’acciaio e componenti rigidi; sono invece strutture flessibili e morbide, costantemente soggette alle proprie vibrazioni termiche. Una cellula è in realtà molto diversa dalle immagini, pur belle e artistiche, che spesso la raffigurano; se fosse a grandezza naturale, essa ci apparirebbe come una fabbica tumultuosa e disordinata, calda e umida, piena di operai indaffaratissimi e operosi 24h/7d. Ci si aspetterebbe che questo disordine, fatto di vibrazioni e collisioni casuali, distruggessero la delicata configurazione di atomi e molecole necessaria per mantenere il comportamento quantistico. Tutto questo trambusto cellulare, al pari dell’osservazione degli elettroni nell’esperimento della doppia fenditura, dovrebbe infatti far passare il sistema quantistico in uno stato di decoerenza. E questo infatti avviene per molti fenomeni cellulari, spiegabili convenzionalmente secondo le leggi della termodinamica classica. Eppure, esistono “sacche quantistiche” in cui fenomeni, come quelli esposti in questo articolo, seguono le leggi quantistiche senza venire perturbati dal resto. Come si riesca a mantenere la coerenza in in qusti sistemi rimane quindi un mistero.

Come funziona esattamente la fotosintesi, cioè il processo di trasformazione della materia inanimata in biomassa, ad esempio dell’aria in una mela?

Vista da lontano, una foglia è apparentemente liscia, diventa una piattaforma irregolare pavimentata di piastrelle verdi rettangolari ricoperte da blocchi rotondi più chiari, ognuno con un poro centrale. Le piastrelle verdi si chiamano «cellule epidermiche» e i blocchi rotondi si chiamano «stomi»: il loro lavoro è permettere all’aria e all’acqua (i substrati della fotosintesi) di passare attraverso la superficie della foglia e raggiungere l’interno. Una volta all’interno della foglia, si trova uno spazio ampio con cellule verdi che sembrano massi sul pavimento e spesse fibre cilindriche sul soffitto. Le fibre sono le venature della foglia, che portano acqua dalle radici (vasi xilematici) oppure trasportano gli zuccheri che si sono appena formati dalla foglia al resto della pianta (vasi floematici).

 

01- Leaf

 

A scala cellulare, vediamo che la superficie della cellula è ricoperta di una rete di corde, un po’ come uno spesso tappeto di iuta. Questo materiale è la parete cellulare, una sorta di esoscheletro della cellula. Attraversandolo, si arriva a uno strato ceroso, la membrana cellulare, che è l’ultima barriera, impermeabile all’acqua, tra la cellula e l’ambiente esterno. Essa non è completamente liscia, ma è tempestata di piccoli fori pieni d’acqua, detti “porine”.

 

02 - Cloroplasto

 

03 - Tilacoidi

 

L’interno di una cellula è molto diverso dal suo ambiente esterno: è ancor più affollato e disordinato. Il citoplasma, di consistenza intermedia tra gel e liquido, è denso e vischioso. Sospesi nel gel ci sono migliaia di enzimi, responsabili dei processi metabolici della cellula: rompono i legami dei nutrienti e creano biomolecole, come carboidrati, DNA, proteine e grassi. Molti di questi enzimi sono collegati a una rete di cavi (il citoscheletro) che, un po’ come i cavi di una seggiovia, trasportano carichi da un posto all’altro della cellula. Questa rete di trasporto sembra emanare da diversi centri di smistamento, dove i cavi sono ancorati a grandi capsule verdi, che sono i cloroplasti della cellula, all’interno dei quali avviene l’azione cruciale della fotosintesi.

Come la cellula, il cloroplasto è anch’esso delimitato da una membrana trasparente, attraverso la quale si vedono mucchi di oggetti che sembrano monete verdi. Sono i tilacoidi, e sono pieni zeppi di molecole di clorofilla, il pigmento che rende verdi le piante. I tilacoidi sono le macchine della fotosintesi, e quando sono alimentati dai fotoni riescono a legare tra loro gli atomi di carbonio (assorbiti dall’anidride carbonica dell’aria) per costruire gli zuccheri che finiranno nella nostra mela. Qui, sebbene ci siano moltissime turbolente collisioni molecolari tutt’intorno, c’è anche un impressionante livello di ordine. La membrana di superficie del tilacoide è tempestata di scoscese isole verdi, abitate da foreste di strutture che somigliano ad alberi e terminano con piattaforme pentagonali a forma di antenna. Queste antenne sono le molecole che raccolgono la luce, chiamate cromofori, di cui la clorofilla è l’esempio più noto, e sono responsabili del primo passo della fotosintesi: la cattura dei fotoni di luce.

La clorofilla è la seconda molecola più importante sul nostro pianeta (dopo il DNA). Ha una struttura bidimensionale, fatta di anelli pentagonali costituiti principalmente da atomi di carbonio e azoto, che racchiudono un atomo centrale di magnesio con una lunga coda di atomi di carbonio, ossigeno e idrogeno. L’elettrone più esterno dell’atomo di magnesio, legato solo debolmente al resto dell’atomo, può essere sbalzato dentro la gabbia di carbonio circostante mediante l’assorbimento di un fotone di energia solare, che lascia così una lacuna nell’atomo, che resta carico positivamente. Questa lacuna elettronica si può considerare astrattamente come un buco carico positivamente. L’idea è che continuiamo a considerare l’atomo di magnesio come neutro, mentre abbiamo creato, mediante l’assorbimento del fotone, un sistema che consiste di un elettrone negativo sfuggito all’atomo e la lacuna positiva lasciata nell’atomo. Questo sistema binario si chiama «eccitone» e si può considerare come una minuscola pila con un polo positivo e uno negativo, in grado di immagazzinare energia. Alla fine della giostra, gli elettroni persi, che lasciano i buchi carichi positivamente, vengono rimpiazzati dagli elettroni dell’acqua. I sistemi di fotosintesi sono l’unico luogo del mondo naturale dove l’acqua «brucia» e cede elettroni, quindi si ossida. Abbiamo quindi un’offerta di elettroni liberi grazie all’energia fornita dagli eccitoni della clorofilla, e sono elettroni che la pianta può mandare dove serve e che saranno utili, insieme all’ATP, nella seconda fase della fotosintesi, quando la CO2 (gas) è fissata in zuccheri (solidi).

04 - Clorofilla

 

Gli eccitoni sono instabili. L’elettrone e la sua lacuna sentono una forza elettrostatica che li attrae; se si ricombinano, l’energia del fotone solare originale si disperde sotto forma di calore. Quindi, se la pianta vuole catturare l’energia solare deve trasportare l’eccitone molto rapidamente fino a un’unità di fabbrica molecolare nota come il «centro di reazione», dove avviene un processo chiamato «separazione di carica». Essenzialmente, questo significa strappare completamente un elettrone energetico dal suo atomo e trasferirlo in una molecola vicina. Questo processo crea una pila chimica più stabile di un eccitone, che si usa per alimentare le reazioni chimiche della fotosintesi. Ma i centri di reazione di solito sono abbastanza distanti, in termini molecolari (distanze di nanometri), dalle molecole di clorofilla eccitate; quindi l’energia si deve trasferire da una molecola-antenna a un’altra, nella foresta di clorofilla, per raggiungere il centro di reazione. Il trasferimento avviene grazie al fatto che la clorofilla è molto concentrata; altre molecole accanto a quella che ha assorbito il fotone possono diventare esse stesse eccitate, nei fatti ereditando l’energia dell’elettrone eccitato inizialmente, per trasferirla al proprio elettrone, nell’atomo di magnesio.

 

05 - Centro di reazione

 

Il problema, naturalmente, è quale strada dovrebbe prendere questo trasferimento di energia. Se si avvia nella direzione sbagliata, saltando a caso da una molecola all’altra nella foresta di clorofilla, alla fine perderà la propria energia invece di consegnarla al centro di reazione. Da quale parte deve andare? Non c’è infatti molto tempo per trovare la strada prima che l’eccitazione si consumi.

Fino a poco tempo fa si pensava che questi salti di energia da una molecola di clorofilla all’altra fossero casuali, seguendo una traiettoria casuale. A volte si parla di «cammino dell’ubriaco», perché ricorda la traiettoria seguita da un ubriaco che, uscito dal bar, gira di qua e di là finché non trova finalmente la via di casa. Ma le traiettorie casuali non sono un modo efficiente per andare da qualche parte: se la casa è molto lontana, è facile che la mattina dopo l’ubriaco si trovi in un fosso dall’altra parte della città. Un oggetto che segua una traiettoria casuale tenderà ad allontanarsi dal punto di partenza di una distanza proporzionale alla radice quadrata del tempo trascorso. Se in un minuto l’ubriaco è avanzato di un metro, allora percorrerà due metri in quattro minuti, e tre metri in nove minuti. Questa descrizione non rispondeva però alla realtà, anche perché il primo passo nel processo di fotosintesi è straordinariamente efficiente. In effetti, il trasferimento dell’energia catturata dal fotone da una molecola-antenna di clorofilla al centro di reazione vanta l’efficienza più alta di tutte le reazioni naturali o artificiali conosciute: molto vicina al 100%. In condizioni ottimali, quasi tutta la quantità di energia assorbita da una molecola di clorofilla riesce ad arrivare al centro di reazione. Se il cammino seguito fosse casuale, quasi tutta l’energia perderebbe la strada. Come faccia l’energia della fotosintesi a trovare la strada fino alla sua destinazione in modo molto più efficiente degli ubriachi, o delle formiche o, se è per questo, di tutte le nostre tecnologie più efficienti, è da lungo tempo uno dei più grandi misteri della biologia.

E’ stato così che un’équipe alla University of California-Berkeley ha usato una potente tecnica spettroscopica con è riescita a sondare la struttura e la dinamica interna dei sistemi molecolari più piccoli, colpendoli con pulsazioni laser molto concentrate e brevissime. L’équipe ha impegnato la gran parte del suo tempo studiando un complesso fotosintetico chiamato «Fenna-Matthews-Olson» (FMO), presente in microbi fotosintetici (clorobi) che vivono nelle profondità di bacini ricchi di zolfo, come il Mar Nero. Per studiare il campione di clorofilla, i ricercatori hanno colpito i complessi fotosintetici con tre lampi di luce laser. Questi lampi depositano la loro energia in picchi rapidi e perfettamente sincronizzati, e generano un segnale di luce che proviene dal campione e viene rilevato da appositi apparati.

Furono messi quindi insieme i segnali che erano stati generati, della durata di 50-600 femtosecondi, per produrre un grafico dei risultati, scoprendo un segnale a spirale ascendente e discendente, che oscillava per almeno 600 femtosecondi (1 femtosecondo = 10–15 sec). Questo segnale è simile alla figura di interferenza a bande dell’esperimento della doppia fenditura (vedi filmato precedente); oppure si può considerare l’equivalente quantistico dei battimenti delle onde acustiche. Questi «battimenti quantistici» (figura in basso) mostravano che l’eccitone non prende una sola strada nel labirinto di clorofilla, ma segue piuttosto diverse vie contemporaneamente; le strade alternative agiscono un po’ come le note pulsanti di una chitarra quasi accordata: generano battimenti all’udito quando hanno circa la stessa lunghezza (permettendoci ad esempio di accordare due corde a via via adiacenti partendo da una sola – di solito il LA – accordata precisamente).

 

06 - Battimenti

 

Ma, ricordiamo ancora, la coerenza quantistica è molto delicata ed estremamente difficile da mantenere in un microbo o una pianta. Il gruppo di Berkeley ipotizzava che il complesso FMO si comportasse come un computer quantistico per trovare la strada più breve verso il centro di reazione: un problema di ottimizzazione estremamente complesso. I battimenti descritti dal gruppo nel complesso FMO dimostravano effettivamente la presenza della coerenza quantistica e se ne concluse che le molecole di clorofilla mettono in pratica una nuova strategia di ricerca, chiamata «traiettoria quantistica».

Il vantaggio della traiettoria quantistica rispetto alla traiettoria casuale classica si può apprezzare tornando al nostro ubriaco che si aggira casualmente nella notte, e immaginando che nel bar da cui parte si sia rotto un tubo e l’acqua ne fluisca fuori, per la strada. Al contrario del nostro ubriacone, che deve scegliere una strada sola, le ondate d’acqua avanzano nelle strade percorrendo una distanza proporzionale al tempo trascorso, e non alla sua radice quadrata. Quindi, se in un secondo l’acqua è avanzata di un metro, in due secondi avanzerà di due metri, di tre metri in tre secondi, e così via. Ma non solo; poiché, come l’atomo in sovrapposizione nell’esperimento della doppia fenditura (che attraversa contemporaneamente le due fenditure) percorre tutte le strade possibili contemporaneamente, qualche parte dell’onda troverà sicuramente la casa dell’ubriaco molto prima di lui.

Alcuni scienziati furono molto veloci nell’osservare che gli esperimenti erano stati eseguiti con complessi FMO isolati e raffreddati a –196 °C: chiaramente una temperatura molto più fredda di qualunque temperatura compatibile con la fotosintesi delle piante, o con la vita stessa, ma bassa abbastanza da tenere a bada la fastidiosa decoerenza (la “trasformazione” dal mondo quantistico a quello classico). Quanto potevano essere rilevanti questi batteri congelati per capire quello che succede nell’interno caldo e umido delle cellule vegetali? Ben presto divenne chiaro che la coerenza quantistica non era limitata al caso del complesso FMO raffreddato. Nel 2009, furono rilevati battimenti quantistici in un altro sistema fotosintetico di batteri («fotosistema», in breve) chiamato LHC2, molto simile al fotosistema delle piante, ma questa volta a temperatura ambiente. Poi, nel 2010, si dimostrò la presenza di battimenti quantistici nel fotosistema di un gruppo di alghe criptoficee. Attorno allo stesso periodo, fu dimostrata la presenza di battimenti quantistici nello stesso complesso FMO, ma a temperatura molto più alta, questa volta compatibile con la vita. E infine, sono stati recentemente rilevati battimenti quantistici in un altro sistema LHC2, un sistema presente in tutte le piante e che contiene il 50% di tutta la clorofilla del pianeta.

La scoperta della coerenza quantistica in sistemi caldi, umidi e turbolenti come le piante e i microbi è stata quindi uno shock per i fisici quantistici, dal momento che non si comprendeva come i sistemi viventi riuscissero a proteggere e usare i loro delicati stati coerenti quantistici.

 

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