La Vista delle Piante

Le piante ci vedono?
Ovviamente tutti sappiamo che le piante non hanno occhi, e per moltissimo tempo si è creduto che non possedessero nemmeno la vista. 
In realtà prima di tutto bisognerebbe capire e definire precisamente cos'è la vista. 

Ci viene naturale associare l'atto di vedere alla presenza di occhi, e forse se si parla del regno animale questo può essere anche vero, ma cosa si può dire delle piante?
Secondo molte definizioni oggi accettate dalla scienza la vista è il "senso della luce e degli oggetti illuminati". Questo cambia tutto nella nostra percezione di che cosa vuol dire vedere e di che cos'è la vista, e cambia tutto ciò che abbiamo sempre creduto di sapere sulle piante.

La luce è il cibo delle piante: la fotosintesi

Basta pensare a un girasole per capire che le piante non sono affatto immuni agli stimoli luminosi.
Ma non solo, facendo una passeggiata in un bosco ci si accorge subito di come alberi e piante di vario genere siano impegnate in una lotta senza esclusione di colpi per ricevere fino all'ultimo raggio di sole disponibile. 
E come dar loro torto? 
In fondo dobbiamo pensare che la luce solare è la loro più importante fonte di sostentamento, il loro cibo se vogliamo, la portata principale della loro dieta basata sulla fotosintesi.
La Fotosintesi Clorofilliana è un processo biochimico che permette alle piante di sintetizzare il glucosio di cui hanno bisogno utilizzando la luce solare come fonte di energia.
E' un processo composto da due fasi:

• Fase Luminosa: grazie al pigmento verde chiamato clorofilla, le piante catturano la luce solare dando inizio a una serie di reazioni chimiche che portano alla formazione di molecole denominate ATP e NADH.

• Fase Oscura o Ciclo di Calvin: in questa fase la pianta usa l'ATP e la NADH prodotte durante il giorno per trasformare l'anidride carbonica che prende dall'atmosfera in molecole di Glucosio o di altre componenti necessarie alla sua sopravvivenza.

Lo scarto di questo complesso processo biochimico è l'Ossigeno.
Certo, in una serie di reazioni così elaborate intervengono anche moltissimi altri nutrienti, come l'acqua e i sali minerali, che la pianta assorbe attraverso le radici; si può tuttavia dire che la luce è il motore principale della Fotosintesi e la pianta ha un bisogno disperato di trovarla.

Piante che seguono il sole: il Fototropismo

Se la luce è così importante, non sorprende che le piante abbiano sviluppato un'incredibile capacità di muoversi verso di essa, modificando la posizione delle foglie ma anche crescendo nella sua direzione.
Questo movimento è detto Fototropismo. 
Quando due piante si trovano a vivere molto vicine la competizione per la luce è una faccenda molto reale, perchè la più alta fa ombra alla più bassa. 
Questo porta le piante a crescere più rapidamente in altezza per superare la rivale, una competizione chiamata fuga dall'ombra, e che era noto fin dall'antica grecia!
Se mettiano una piantina in una scatola chiusa e lasciamo una sola apertura per far entrare la luce, noteremo che quella pianta crescerà nella direzione del foro fino a uscirne per ricevere più luce possibile.

Esempio di Fototropismo

Il Fototropismo è un comportamente che è stato a lungo ignorato e sottovalutato, ma che esperimenti più recenti hanno studiato più approfonditamente, scoprendo che le piante sono davvero molto più intelligenti di quanto non pensassimo.
Una crescita rapida come quella della fuga dall'ombra, ma anche il dirigersi deliberatamente verso la fonte luminosa, denota un complesso calcolo dei rischi e dei benefici; ci vuole un gran dispendio energetico, infatti, potrebbe addirittura essere fatale, eppure il beneficio rappresentato dalla luce vale l'investimento fatto.

Occhi chimici

Se è evidente, quindi, che le piante hanno percezione della luce e si muovono per raggiungerla, è altrettanto evidente però l'assenza di occhi.

Come fa quindi la pianta a vedere la luce?

Grazie a una serie di molecole che agiscono da fotorecettori, in grado cioè di ricevere e trasmettere informazioni sulla direzione da cui  i raggi luminosi provengono e sulla loro qualità

La pianta, infatti, non è solo in grado di riconoscere la luce dall'ombra, ma riesce ad avere informazioni anche sulla sua lunghezza d'onda.

Questi fotorecettori sono: i fitocromi, le fototropine e i criptocromi.

Strutture dei fotorecettori

Queste molecole sono proteine sensibili a specifiche lunghezze d'onda della luce (il rosso, l'infrarosso, il blu e l'ultravioletto). Quando la luce le colpisce, modificano la loro struttura e la loro conformazione inviando così un certo segnale alla pianta che fornisce tutte le informazioni necessarie perchè veda.

Se nell'uomo e negli animali più evoluti i fotorecettori si trovano nell'occhio e l'impulso elettrivo viene inviato al cervello, nelle piante non abbiamo nè occhi nè cervello. 

Dove sono posizionati quindi questi recettori?

Nel mondo vegetale, tutte le facoltà sono presenti su tutta la pianta, e lo stesso vale per i fotorecettori che servono a percepire la luce. La maggior parte di essi sono situati sulle foglie, ma ce ne sono anche sullo stelo, i viticci, i germogli e persino nel legno cosiddetto verde.

E' come se la pianta fosse ricoperta di migliaia di minuscoli occhi.

Nel 1905 il botanico Gottlieb Haberlandt ipotizzò persino la presenza sulla pianta di piccoli ocelli, una sorta di occhio primitivo formato da minuscole lenti concave o convesse, esattamente come il cristallino che si trova nella struttura degli occhi umani, che oltre all'idea di luce restituiscono alla pianta anche le forme. 

Schema di un ocello

Le teorie di Haberlandt non hanno mai trovato una conferma sperimentale, ma sicuramente negli ultimi anni il mondo vegetale ha riacquistato dignità presso gli scienziati, che si sono resi conto sempre di più di come le piante non siano semplicemente degli esseri immobili. L'intelligenza delle piante è sempre più studiata e sempre più evidente studio dopo studio, e ora che gli esperimenti rivelano anche un po' del modo in cui percepiscono il mondo, dobbiamo riconoscere evidentemente come molto più che un ornamento.

Chissà, forse la conoscenza dell'intelligenza vegetale a partire dalla comprensione di come vedono e sentono il mondo, può aiutarci non solo a vivere meglio e in armonia con loro sul nostro pianeta, ma anche a dare una svolta alla nostra ricerca di intelligenze aliene.

Le ragnatele: i materiali del futuro

Le ragnatele sono un vero e proprio capolavoro di ingegneria e di chimica: non solo può allungarsi fino al 40% prima che si spezzi (l'acciaio, ad esempio, arriva all'8%, il nylon al 20%), ma riesce a resistere persino ai venti di un uragano rimanendo intatta.

Non c'è da stupirsi, quindi, se si è guardato ai ragni e alle ragnatele come possibile fonte di nuovi materiali per moltissime applicazioni diverse.

Si è persino tentato di allevare ragni così come si fa per i bachi da seta, ma si è rivelata impresa impossibile, poiché non sono animali sociali e finiscono per divorarsi fra loro. L'approccio successivo, quindi, è stato quello di studiarne la composizione chimica e tentare di riprodurla sinteticamente; non si è rivelata certo una impresa facile, ma qualche successo negli anni si è raggiunto.

Di cosa sono fatte le ragnatele

Sembrerà forse strano, ma la seta prodotta dai ragni è principalmente composta da proteine.

In realtà ne esistono diversi tipi, non solo a seconda della specie di ragno che la produce, ma anche in base alla funzione che essa dovrà adempiere: quindi quella al centro della tela sarà maggiormente elastica e appiccicosa, quella ai lati ha una maggiore resistenza perché funge da ancoraggio per la struttura, un tipo di seta più dura è prodotta per racchiudervi le uova, e così via.

Chimicamente parlando, quindi, la seta di ragno è formata da fibre proteiche, ovvero lunghe catene di amminoacidi disposte nello spazio in modo peculiare, tale da formare appunto fibre. La composizione di queste fibre è stata studiata andando a identificare quali tipi di amminoacidi sono presenti e in quale quantità, scoprendo non solo che essa varia significativamente da specie a specie, ma anche, come dicevo, nella tela prodotta dallo stesso ragno in momenti diversi e per scopi diversi.

Essenzialmente si può dire che ogni fibra è costituita da un 70-75% di una proteina chiamata fibroina, che è il filamento che possiamo considerare un po' lo scheletro della seta; i due filamenti di fibroina sono tenuti insieme e avvolti da sericina che svolge la funzione di rivestimento, ma anche di lubrificante e inoltre promuove il processo biologico di avvolgimento.

Inizialmente il ragno produce una soluzione acquosa molto concentrata in cui sono presenti le due proteine, successivamente grazie a un meccanismo di regolazione del pH e degli ioni metallici presenti nella soluzione, si innesca un processo di gelificazione, in cui le proteine assumono una conformazione detta a foglietto beta, che dà forma alla fibra, e la soluzione diventa man mano più viscosa.

La regolazione del pH è inoltre estremamente importante per la conservazione della seta una volta espulsa, infatti essendo composta da proteine in soluzione acquosa, un basso pH impedisce che il materiale sia attaccato da muffe e funghi. In parole povere, l'ambiente acido fa sì che la ragnatela non marcisca.

La complessità e la grande varietà nella composizione della seta di ragno è ciò che la rende un materiale tanto straordinario, ma è anche il motivo per cui è così difficile riprodurla in laboratorio.

Ragnatele artificiali

Un gruppo di ricerca dell'Università di Cambridge è riuscito a produrre in laboratorio un qualcosa di molto simile alla seta di ragno con proprietà per certi versi anche superiori alla fibra naturale.

Le fibre sono importantissime a livello industriale, basti pensare al ruolo che il nylon ha avuto e continua ad avere nell'economia globale, ma la sintesi di questi polimeri è spesso accompagnata da un grande uso di solventi organici o alla presenza di alte temperature durante il processo. 

Uno dei motivi per cui si è guardato ai ragni per la sintesi di fibre resistenti è quindi anche la capacità di questi animali di produrre polimeri dalle proprietà estremamente utili utilizzando un mezzo acquoso e a temperatura ambiente, cosa che in un momento storico in cui si guarda sempre più a una produzione sostenibile ed eco-compatibile, è di estremo interesse.

http://www.pnas.org/content/114/31/8163/tab-figures-data

Partendo quindi da un materiale chiamato idrogel, composto prevalentemente di acqua (98%) e in minima parte da silice e cellulosa, i ricercatori hanno sintetizzato un bio-polimero che hanno denominato supramolecular polymer–colloidal hydrogel (SPCH). 

Il trucco è stato quello di inserire nanoparticelle di silice all'interno del sistema colloidale, in modo che queste fungessero da assemblatrici per l'intera struttura. Questo ha permesso al SPCH di avere proprietà meccaniche incredibili, come ad esempio una capacità di smorzamento (cioè la capacità di un materiale di essere sottoposto a stress meccanico) che aumenta di più del 60% dopo alcuni cicli di allungamento e restringimento.

Bibliografia:

• Fu, C., Shao, Z. & Vollrath, F. - Animal silks: their structures, properties and artificial production. Chemical Communications, (43): 6515-6529 

Il Carbonio, l'Idrogeno e la tavola periodica

Così avviene, dunque, che ogni elemento dica qualcosa a qualcuno (a ciascuno una cosa diversa), come le valli o le spiagge visitate in giovinezza: si deve forse fare un'eccezione per il carbonio, perché dice tutto a tutti.

[Primo Levi - Il Sistema Periodico]

Benvenuti, sia che voi siate scienziati, sia che siate semplici appassionati o, ancora più benvenuti voi che di scienza non sapete nulla: questo spazio è per voi.

Probabilmente vi starete chiedendo: perché il Carbonio?

Se la risposta vi sembra ovvia, beh, è possibile che anche voi, come me, siate dei chimici.

Il Carbonio sarà principio e arrivo di ogni cosa che tratterò, perché non c'è nulla di più importante del Carbonio nella vita di tutti noi.

Noi siamo Carbonio, infatti, e più precisamente lunghe catene di carbonio: gli acidi grassi che costituiscono la membrana cellulare, gli amminoacidi che formano le proteine, il DNA che definisce precisamente chi siamo e come siamo.

E Idrogeno, naturalmente, perché non c'è Carbonio senza Idrogeno.

Ma siamo anche Ossigeno, Ferro, Cobalto, Rame, Fosforo...

Insomma, di storie da raccontare ce ne sono tante con un numero potenzialmente infinito di elementi che conosciamo o che non sono stati ancora scoperti per arricchire la Tavola Periodica.

Chissà se Dmitrij Mendeleev, lo scienziato russo che per primo ebbe l'idea di ordinare gli elementi chimici secondo il loro numero atomico (cioè il loro numero di protoni), avrebbe mai immaginato un giorno di arrivare fino all'Oganessio, numero atomico 118, l'ultimo arrivato nel 2015.