Perché le Piante Respirano ? - Fotosintesi vs Respirazione

Molti di voi avranno sentito dire "non tenere le piante in camera da letto, perché di notte consumano ossigeno", ma quanto c'è di vero in questa affermazione? Le piante non erano dei produttori di ossigeno?

Premessa :

Per comprendere quanto segue dobbiamo necessariamente aver ben chiaro che cosa sia la Respirazione Cellulare e la Fotosintesi Clorofilliana.

Semplificando al massimo potremmo dire che Respirazione e Fotosintesi siano la stessa reazione ad ordine invertito, ovvero che la Respirazione produce ciò che la Fotosintesi richiede e viceversa.

Durante la Fotosintesi, tramite una complessa serie di reazioni di ossido-riduzione, si produce Glucosio ed Ossigeno (O₂), partendo da Acqua (H₂O) ed Anidride Carbonica (CO₂); questa reazione non è spontanea e richiede energia affinché possa avvenire, quest'ultima è infatti ricevuta dal Sole. La Respirazione invece consuma Glucosio ed Ossigeno, producendo Acqua ed Anidride Carbonica; questa reazione non richiede energia, bensì la fornisce, permettendo lo sviluppo degli organismi eterotrofi (Homo sapiens compreso).

Reazione della Respirazione Cellulare

 O₂    +      C₆H₁₂O₆ (Glucosio)--------------------------------> CO₂     +     H₂O      +    Energia 

Reazione della Fotosintesi Clorofilliana

CO₂     +     H₂O      +    Energia Solare ---------------------> O₂      +      C₆H₁₂O₆ (Glucosio)

In Quali Tessuti delle Piante Avviene la Fotosintesi ? 

Perché possa avvenire la fotosintesi è necessario che vi sia la Clorofilla, la molecola capace di catturare l'energia solare (fotoni) e di trasformarla in energia chimica (ATP, Glucosio, etc.). Sebbene esistano diversi tipi di clorofilla, capaci di assorbire luce a diversa lunghezza d'onda, la maggior parte della Clorofilla non assorbe (cioé riflette) la luce verde, motivo per cui noi vediamo le foglie di color verde. 

La fotosintesi avviene nei Cloroplasti delle cellule che formano la foglia, ma non solo qui, bensì anche in tutti gli altri tessuti verdi, come possono esser le pale (rami modificati) del Fico d'India o i rami della Ginestra di Spagna, che svolgono la maggior parte della fotosintesi, dato che le foglie cadono molto precocemente. Anche in piante "normali" i rami primaverili (prima della lignificazione) sono verdi ed in grado di svolgere attivamente la fotosintesi.

Tuttavia vi sono parti della pianta che non ricevono luce (es. radici) o che si sono irrobustite ed hanno lignificato (tronco, branche, rami adulti etc.); hanno un colore non verde (marrone, bianco, grigio etc.) e le cellule che le compongono sono prive di Cloroplasti ed incapaci di assorbire la radiazione luminosa. Ciò nonostante rami, fusti e radici sono organi vitali, in continua crescita e che, da qualche parte, dovranno pure ottenere energia.

Le cellule non fotosintetiche delle piante ricavano energia respirando, ovvero demoliscono il Glucosio prodotto altrove (nelle parti verdi per fotosintesi); a dover di cronaca dobbiamo dire che un minimo di respirazione la fanno anche le foglie, anche se ricavano gran parte dell'energia da altre molecole energetiche (ATP e dal NADPH) prodotte dalla fotosintesi (non menzionate sopra per semplificazione), di breve conservabilità e difficilmente traslocabili in altri tessuti.

In ultimo ricordiamoci che le nuove foglie utilizzano praticamente tutto ciò che producono per la loro crescita e solo una volta diventate adulte contribuiscono alla produzione di Glucosio destinato ai tessuti non fotosintetici.

Quali Parametri Influenzano la Respirazione e la Fotosintesi ?

Come per qualsiasi altro processo biologico vegetale i tre parametri che influenzano sono :

• Temperatura
• Luce Solare 
• Umidità del Suolo
• 
  

La Temperatura influenza sia la Fotosintesi che la Respirazione. Sebbene la temperatura ottimale di sviluppo vari da specie a specie, potremmo dire che, mediamente, a 0° C (32° F) entrambe le reazioni sono talmente lente da poterle considerare ferme (velocità = 0). Per semplificazione, potremmo usare la velocità della Fotosintesi come grammi di Glu prodotti ogni ora e per la Respirazione i grammi di Glu consumati in un'ora.

La Fotosintesi Netta è = Glu Prodotto (Fotosintesi) - Glu Consumato (Respirazione)

La Fotosintesi Netta si può anche esprimere come : Ossigeno Prodotto (Fotosintesi) - Ossigeno Consumato (Respirazione) oppure CO₂ consumata (Fotosintesi) - CO₂ prodotta (Respirazione)

Il punto in cui la Fotosintesi Netta è uguale a zero (ovvero Respirazione e Fotosintesi "lorda" si pareggiano) si definisce Punto di Compensazione.

All'aumentare della temperatura aumentano sia Respirazione, sia Fotosintesi, ma quest'ultima cresce più rapidamente. Nel range tra 20° C e 30° C si ha la maggior Fotosintesi Netta. Sorpassati i 30° C si ha una netta riduzione dell'attività fotosintetica, mentre la riduzione della Respirazione avviene a temperature superiori, così ché, nella maggior parte delle specie il Punto di Compensazione per la temperatura è di circa 32° C.

La Radiazione Solare assorbita è la quantità di energia solare che una pianta riesce ad utilizzare. Il numero di ore di luce (Fotoperiodo) è percepito ed usato dalle piante per capire, ad esempio, quando è il momento di fiorire o quando è il momento di perdere le foglie (per approfondire clicca qua); tuttavia la variazione del numero di ore di luce è stagionale. Tra giorno e notte quello che cambia è l'irraggiamento Solare, che è nullo di notte e raggiunge il suo massimo a mezzogiorno.

La Respirazione NON è influenzata dalla radiazione Solare e, quindi, la sua velocità (a parità di temperatura) è uguale tra giorno e notte.

Di notte, di conseguenza, una pianta consuma Glucosio ed Ossigeno (Respira esclusivamente). Alla mattina, ai primi raggi di Sole, la Fotosintesi aumenta, fino a raggiungere il punto di compensazione (fotosintesi=respirazione), da lì in poi continua ad aumentare all'aumentare della radiazione Solare; solo con irraggiamento molto elevato (ore centrali dei mesi estivi) il fattore limitante inizia a diventare la CO₂  e la Fotosintesi raggiunge un Plateau. Oltre un certo livello di irraggiamento la radiazione Solare può anche esser dannosa, ma le piante sono in grado di dissipare l'energia in eccesso (Fotoinibizione).

Riassumendo la Respirazione è costante in funzione della Luce, mentre la Fotosintesi è pari zero in assenza di luce, in una prima fase cresce esponenzialmente all'aumentare della luce, per poi crescere lentamente sino ad andare a saturazione; il Punto Saturazione equivale alla radiazione luminosa oltre la quale non vi è un ulteriore incremento di Fotosintesi

Le diverse specie richiedono quantitativi di luce diversa, ad esempio le piante che crescono nel sottobosco si sviluppano meglio in zone ombreggiate (specie Sciafile), mentre gli alberi che crescono alti o in ambienti aperti preferiscono il pieno sole (specie Eliofile).

Ovviamente le due specie hanno adattamenti evolutivi che permettono loro di preferire l'alta o la bassa radiazione luminosa. In linea di massima le specie Sciafile raggiungono il Punto di Compensazione con intensità luminose più basse, ma hanno anche il Punto di Saturazione a radiazione solare inferiore rispetto alle specie Eliofile. 

Come si vede dal grafico sopra, le specie Sciafile ("A") sono avvantaggiate nella prima fase della curva (quando vi è minor irraggiamento Solare), mentre le specie Eliofile ("B") recuperano nella seconda parte della curva (quando vi è alto irraggiamento Solare).

Ricordiamoci che, anche in un'unica pianta, vi possono esser foglie diverse a seconda se siano nella parte bassa (prendono poco luce) o nella parte alta. Le prime tendono ad esser più allargate e sottili, mentre quelle più esposte al Sole sono più spesse e con un numero maggiore di Cloroplasti.

Assumendo la quantità di  CO₂ nell'aria costante, l'ultimo parametro che influenza la fotosintesi è disponibilità idrica e l'umidità dell'aria. In linea di massima è facile intuire che, a sua volta, la quantità di acqua disponibile è collegata anche alla temperatura.

Nella pagina inferiore le foglie posseggono gli Stomi, ovvero dei fori che la pianta è in grado di regolare (aprire o chiudere); attraverso gli Stomi la pianta traspira, ovvero cede acqua all'atmosfera, oltre ad effettuare gli scambi gassosi con l'esterno. 

La traspirazione serve sia per richiamare nuova acqua dalle radici (funziona un po' come una pompa), sia per "raffreddare" le foglie. Se la disponibilità idrica è elevata le piante hanno gli Stomi aperti, vi è alta traspirazione e fotosintesi. Le piante della foresta tropicale, infatti, hanno foglie grandi ed usano la traspirazione per rinfrescarsi, dato che le precipitazioni sono abbondanti; in altri ambienti le piante hanno sviluppato diverse strategie per la resistenza alla siccità (clicca qua per dettagli).

La traspirazione consuma acqua e la sua velocità è tanto maggiore tanto è maggiore la temperatura, scarsa l'umidità atmosferica e se vi è presenza di vento.

In ambienti caldi ed aridi le piante perderebbero per traspirazione più acqua di quanta ne hanno a disposizione, perciò chiudono gli Stomi per non disidratarsi, ma allo stesso tempo la CO₂ interna diminuisce (ed aumenta l'ossigeno), dato che viene consumata senza esser rimpiazzata. Come conseguenza la Fotosintesi rallenta, fino ad arrestarsi. La carenza idrica riduce anche la Respirazione, ma in maniera meno drastica, così che il rapporto Fotosintesi/Respirazione tende a diminuire quando l'acqua scarseggia.+

In  Estate molte Piante Mediterranee hanno una sorta di stasi vegetativa indotta dalla carenza idrica, ma son in grado di tollerarla bene. Specie con fabbisogno idrico maggiore iniziano invece a manifestare segni di sofferenza se costrette a mantenere gli Stomi chiusi per lunghi periodi.

In conclusione :

Come facile comprendere Respirazione e Fotosintesi sono finemente regolate, nell'articolo abbiamo cercato di capire come varia il loro rapporto analizzando un solo fattore alla volta, ma nella realtà temperatura, irraggiamento solare e disponibilità idrica agiscono contemporaneamente e sono graduali (vi è una scala di grigi, non è mai tutto bianco o nero), generando un'infinità di possibili combinazioni. 

Per rispondere alla domanda iniziale "ma le piante si possono tenere in camera da letto" ?

Direi proprio di sì, anche se le piante respirano, in condizioni "standard" (temperatura, luce, acqua) nell'arco delle 24 h la Fotosintesi è 7-9 volte più efficiente rispetto alla Respirazione, quindi per ogni molecola di Ossigeno consumata con la Respirazione ce ne saranno 7-9 prodotte per Fotosintesi, con un bilancio netto 6-8. Ovviamente di notte vi sarà consumo, ma in una stanza la quantità di ossigeno usata di notte è irrilevante (decisamente inferiore rispetto ad aver un'altra persona in camera) e, di giorno, sarà solo vantaggioso. Detto questo basta cambiare l'aria 5 minuti per aver una composizione interna identica a quella esterna.