La fotosintesi: lo sguardo della vita terrestre verso lo spazio

La reazione più importante per la vita terrestre è quella descritta dal ciclo di Calvin, ossia la trasformazione della luce solare e dell’anidride carbonica in ossigeno e glucosio – lo zucchero fondamentale della vita. La peculiarità di tale reazione risiede nella natura del Sole, la stella che ci illumina. È ancora del tutto misteriosa l’evoluzione di questa reazione, che apparve all’improvviso nell’eone Archeano. Cosa resta di quei tempi antichi?

Ce lo insegnano sin dalle elementari: il Sole è la fonte primaria di energia del pianeta Terra (oltre a essere una stella di classe G2V, ma questo lo si impara un po’ più avanti). Ciò significa che, emettendo principalmente luce bianca, a causa della sua temperatura superficiale, essa emette anche radiazioni corrispondenti a tutti i colori visibili. Dalla Terra, per sua distanza dal Sole e composizione atmosferica, si ha, invece, l’impressione che la nostra stella sia intensamente gialla: ciò deriva dalla composizione atmosferica del pianeta e da diversi altri fattori.

Esistono sì degli ecosistemi totalmente autotrofi, cioè capaci di nutrirsi autonomamente e che non hanno alcun legame col mondo illuminato dalla luce dell’astro, ma la stragrande maggioranza della vita sulla Terra è strettamente regolata, allineata, dedicata, dipendente dalle radiazioni emesse da esso.

Qualche miliardo di anni fa, durante l’eone Archeano, la Terra era giovane e butterata di vulcani attivi. Era appena stata sottoposta all’intenso bombardamento tardivo avvenuto ‘appena’ un miliardo di anni prima, e la crosta terrestre stava iniziando a raffreddarsi, l’acqua portata dalle comete e dagli asteroidi impattati su di essa stava iniziando a condensare negli oceani, il Sole – stando ai calcoli dell’astronomo Carl Sagan – si trovava al massimo al 70% della sua radiatività attuale e l’atmosfera era, per usare un termine tecnico, altamente riducente. Insomma, non c’era ossigeno ma c’era già vita, il che potrebbe apparire un controsenso a un Homo sapiens al massimo della sua evoluzione. La vita, per ragioni culturali e antropologiche, è per noi irrimediabile associata a un colore, il verde.
Il verde, se presente sulla Terra nell’eone Archeano, era associato non alle piante, ma piuttosto a qualche deposito acido di rame o a qualche viscido tappeto microbico.

I primi a guardare alle stelle e a recepire la potenza dell’energia che veniva dall’alto furono i cianobatteri. Il primo, primissimo sguardo rivolto alla luce lassù.
Eppure c’era vita, laggiù, in quell’inferno senz’aria respirabile e, probabilmente, freddo: piccoli batteri che ottenevano, come gli attuali chemoautotrofi, la loro energia dall’ossidazione e dalla riduzione di composti inorganici, ossidi di Ferro, acido solfidrico, acido rameico, idrogeno biatomico, metano – tutte sostanze che, pur essendo in grado di sostenere la vita, hanno un potenziale redox (tradotto in parole comprensibili: un’efficienza) piuttosto ridotto, e, dunque, incapace di dar vita a complessi ecosistemi sfaccettati, in grado di ricoprire l’intero pianeta, dentro e fuori, di creature viventi evolute.

La straordinaria comparsa del Ciclo di Calvin risolse, dunque, il problema energetico.
La storia dell’evoluzione del fenomeno della fotosintesi – riassunto nel sopracitato Ciclo di Calvin, una sorta di reazione inversa alla ben più nota glicolisi – è uno dei tanti abominable mysteries della biologia.

Partiamo dalle basi: la fotosintesi sensu strictu è quella reazione che converte anidride carbonica e luce solare in glucosio (per i più, la famosa fotosintesi clorofilliana). Scoperta e descritta nelle sue componenti principali da Jan Ingenhousz negli anni ’70 del XVIII secolo, è tipica degli organismi detti fotoautotrofi. Avviene negli organi fotosintetizzanti delle piante, delle alghe e nei cianobatteri: le foglie, lo stelo, ovunque sia verde.

È strettamente regolata a seconda dell’irraggiamento solare: una cosiddetta fase luminosa, in cui l’energia solare viene stockata sotto forma di composti ad alta energia, e una fase oscura, in cui l’anidride carbonica viene fissata, organicata, polimerizzata, in forma di molecole di glucosio; sottoprodotto ne è l’acqua, come in tutte le reazioni della vita. Nei casi più evoluti, la reazione coinvolge due fotocentri (ossia i complessi proteico-lipidici che racchiudono tutto l’armamentario necessario) negli specifici organelli nel caso di piante e alghe superiori, i cloroplasti (null’altro che, al pari dei mitocondri, ciò che resta di antichi batteri), e, al loro interno, strettamente impacchettate, le membrane dei tilacoidi.

La reazione stechiometrica è la seguente:
3 CO2 + 9 ATP + 6 NADPH + 6 H+ → C3H6O3-fosfato + 9 ADP + 8 Pi + 6 NADP+ + 3 H2O

Oltre a essere, per ovvie ragioni, la reazione chimica più frequente sul nostro pianeta, detiene anche il primato dell’enzima più abbondante in assoluto (ossia, la macchina molecolare più diffusa sulla Terra): la RuBisCo (ribulosio-bi-fosfato carbossilasi ossigenasi), ossia l’enzima che cattura la CO2 atmosferica e, in assenza di essa, l’ossigeno nel ciclo C2. Nelle cosiddette piante C4, le più evoluzionisticamente recenti, l’efficienza della fotosintesi è massima (circa all’8% in conversione energia luminosa–chimica): la RuBisCo viene aiutata accrescendo la concentrazione di CO2 attorno al fotocentro. La comune erba di campo, la Poa pratensis, ed i broccoli (Brassica olearacea) sono esempi di piante evolute al massimo della capacità.

Fossili di stromatoliti australiane, i primi esempi di ecosistemi microbici della Terra.

Ok, questo è il massimo della tecnica raggiunta dalla chimica sulla Terra: la capacità di utilizzare fotoni, dei bosoni privi di massa che trasportano l’energia elettromagnetica per rendere attiva una molecola altrimenti inerte quale l’anidride carbonica.
Ma cosa spinse quei batteri, 4 miliardi di anni fa, a guardare al cielo coperto di stelle?

Tralasciando per un attimo gli effetti quantistici che sottostanno alla fotosintesi clorofilliana, torniamo alla Terra anossica e freddina riscaldata, poco e male, da un tiepidissimo Sole giovane. Mari che ora riterremmo freddi – attorno ai 15° – sono colonizzati dalle stromatoliti, delle formazioni composte da batteri, che probabilmente producevano molto poco efficientemente glucosio e altri zuccheri ossidando o riducendo vari composti inorganici; in un singolo batterio, o in più d’uno – non lo sapremo mai – una proteina con uno scopo totalmente differente – il trasporto quantico di un singolo elettrone –, il citocromo B, subì una mutazione che portò, infine, alla generazione di un fotocentro. Il problema di questa teoria, e di tutte quelle simili, è che una tale serie precisa di eventi è difficilissima da ricondurre a una singola causa scatenante, insomma, a una catena ordinata di mutazioni; devono esserci stati tentativi falliti, vie chiuse dell’evoluzione che, alla fine, hanno portato alla selezione della molecola principe di tutta la reazione, il vero e proprio telescopio su un mondo piccolissimo: la clorofilla a. Di quelle ‘dead end’ dell’evoluzione ancora ne conserviamo esempi: batteri fotosintetizzanti nel rosso, nel blu – tutti quei tappeti microbici viscidi delle sorgenti termali, delle pozze ipersaline, degli ambienti solitari ed estremi dove la vita perdente è stata costretta a ritirarsi.

Vulcano Erta Ale, in Etiopia. Qui sono stati ritrovati i batteri fotosintetizzanti nell’ambiente più estremo della Terra – puro acido. Fonte BBC.

La sintesi della clorofilla a e il suo funzionamento sono strettamente interconnessi. Molecola che noi vediamo verde perché è la radiazione che meno assorbe, contiene un anello porfirinico corredato da un atomo di magnesio: sostanzialmente identica al cofattore principe dell’emoglobina, che, però, contiene un atomo di ferro, l’anello eme. Aiutata dalle strutture incredibilmente complesse presenti nei sistemi antenna dei fotocentri, la clorofilla si ‘carica’ di un fotone, ossia raggiunge uno stato energetico superiore (il che è molto complesso da spiegare senza tirare in mezzo la meccanica quantistica; carica, come termine, basterà). Questa energia è poi ceduta a una serie di ancor più complesse strutture che, incredibilmente, tende ad assomigliare a una metropoli ipertecnologica o a una fabbrica di robotica. Clorofilla a e la sua variante b sono, dunque, le molecole forse più vincenti, assieme al glucosio stesso, che potevano essere concepite in una biochimica basata su acqua e carbonio.

Ma cosa successe in quei tempi antichi, dopo la comparsa della clorofilla?
L’evoluzione della fotosintesi, qualunque siano stati i suoi step, portò a due conseguenze: la prima, il confinamento in nicchie ecologiche svantaggiose di tutti quegli organismi incapaci di farlo, e, più tardi nell’evoluzione, la cosiddetta catastrofe dell’ossigeno.

Semmai ci sia stata una possibilità di vita intelligente, per quella basata sull’improbabile accoppiata chimica ferro-zolfo, invece che CO2-O2, la catastrofe dell’ossigeno la bloccò sul nascere. Se un alieno avesse dato un’occhiata distratta al nostro pianeta in quei tempi, avrebbe avuto di che divertirsi a studiare. La comparsa della fotosintesi che produce ossigeno portò alla copertura in una coltre verde dell’intero pianeta in pochissimo tempo e di conseguenza alla totale estinzione della vita che non era in grado di sopportare la presenza dell’ossigeno biatomico. Un’era glaciale: la primissima tragedia planetaria, il prevalere del più forte.


Fonti:
Olson, J. M., and R. E. Blankenship. 2004. Thinking about the evolution of photosynthesis. Photosynth. Res. 80: 373–386.
Buick, R. 2008. When did oxygenic photosynthesis evolve? In «Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences» vol. 363. Royal Society. 2731–2743

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