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Dalla notte al giorno: in che modo le piante utilizzano abilmente l'anidride carbonica in due periodi di tempo?
Negli ambienti secchi, alcune piante hanno sviluppato un percorso unico di fissazione del carbonio chiamato metabolismo acido delle crassulacee (CAM). Questo metodo di fotosintesi consente alle piante di eseguire la fotosintesi durante il giorno e di effettuare scambi di gas durante la notte, utilizzando così in modo intelligente l'anidride carbonica (CO2). Questo processo non solo dimostra la saggezza della natura, ma rivela anche la capacità delle piante di adattarsi ad ambienti estremi.
CAM è un meccanismo di fotosintesi adattabile che consente alle piante di sopravvivere in ambienti poveri d'acqua e di utilizzare in modo efficace risorse limitate di anidride carbonica.
Cenni storici
L'annotazione del CAM risale al 1804, quando gli scienziati osservarono la respirazione delle piante e la sua acidità. Con l'approfondimento della ricerca scientifica, la ricerca correlata si è gradualmente evoluta e intorno al 1940 il termine "metabolismo acido delle piante succulente" è stato introdotto per la prima volta nella comunità scientifica. Questa scoperta si basa principalmente sullo studio di una varietà di piante, in particolare della famiglia delle Nautilus (Crassulaceae) alla quale appartengono le piante grasse.
Panoramica del doppio ciclo
Il processo CAM può essere diviso in due parti: notte e giorno. Di notte, gli stomi della pianta si aprono, consentendo all'anidride carbonica di entrare e fissare gli acidi organici attraverso la reazione con l'enolo fosfato (PEP). Questi acidi organici verranno immagazzinati nel vacuolo per un uso successivo. Al contrario, durante il giorno, gli stomi della pianta si chiudono per trattenere l'umidità e quindi rilasciare gli acidi organici immagazzinati, che vengono poi riconvertiti in anidride carbonica ed inseriti nel ciclo di Calvin della fotosintesi.
Quali sono i vantaggi
Le piante che utilizzano la CAM possono mantenere chiusa la maggior parte degli stomi durante il giorno, riducendo significativamente la perdita di acqua dovuta all'evapotraspirazione. Questo è fondamentale per le piante che vivono in ambienti secchi, poiché consente loro di continuare a crescere anche quando l'acqua è estremamente limitata. Al contrario, le piante che utilizzano solo la fissazione del carbonio C3 perderanno circa il 97% dell’acqua assorbita dalle radici, il che è senza dubbio un processo ad alto costo.
Confronto tra metabolismo CAM e C4
Sebbene sia CAM che C4 siano progettati per aumentare l'efficienza di RuBisCO, differiscono nel modo in cui concentrano il carbonio nel tempo e nello spazio. Il CAM fornisce anidride carbonica durante il giorno, mentre il C4 aumenta strutturalmente la concentrazione di anidride carbonica. Inoltre, alcune piante possono persino eseguire la fotosintesi C4 e CAM simultaneamente nella stessa foglia, il che significa che possono regolare in modo flessibile il loro meccanismo di fissazione del carbonio in base ai cambiamenti ambientali.
Processi biochimici
Negli impianti che utilizzano CAM, i processi di stoccaggio e riduzione della CO2 devono essere controllati con precisione nello spazio e nel tempo. Di notte, le piante aprono i loro stomi e l'anidride carbonica entra nelle cellule. Dopo essere stata catalizzata da una serie di enzimi, si formano acidi organici che vengono immagazzinati nei vacuoli. Con l'arrivo del giorno, gli stomi si chiudono e gli acidi organici immagazzinati vengono convertiti in anidride carbonica, che poi partecipa al ciclo di Calvin per creare energia e sintesi di carboidrati.
Utilizzo della diversità delle piante
La misura in cui le piante utilizzano la CAM varia. Alcune piante, come le "piante CAM forti", si affidano interamente a questo meccanismo per la fotosintesi, mentre altre utilizzano selettivamente il meccanismo CAM o C3/C4 in base ai cambiamenti ambientali. Ciò dimostra che l'adattabilità e le strategie di sopravvivenza delle piante sono diverse e flessibili.
Le meraviglie della CAM acquatica
Sorprendentemente, la fotosintesi CAM non esiste solo nelle piante terrestri, ma questo meccanismo può essere trovato anche nelle piante acquatiche. L’anidride carbonica si diffonde molto più lentamente nell’acqua che nell’aria, quindi alcune piante acquatiche scelgono di immagazzinare l’anidride carbonica durante la notte per resistere alla concorrenza nell’acqua. Questo fenomeno è particolarmente evidente nel periodo estivo, quando aumenta la richiesta di anidride carbonica nell'acqua e la cattura notturna della CO2 diventa ancora più importante.
Ecologia e distribuzione tassonomica
Le piante della CAM sono distribuite principalmente tra piante grasse ed epifite, che esibiscono straordinarie strategie di sopravvivenza di fronte alla siccità. Molti alberi, come Clusia, mostrano anche una doppia capacità di fissazione del carbonio, che consente loro di cambiare liberamente i meccanismi fotosintetici in base ai cambiamenti nell'ambiente. La ricerca mostra che la CAM si è evoluta più volte, con oltre 16.000 specie di piante che mostrano finora questa caratteristica.
Nel processo di adattamento ambientale, non possiamo fare a meno di pensare: in che modo queste piante massimizzano l'uso di risorse limitate per ottenere vantaggi nella competizione per la sopravvivenza?
