I cloroplasti e i mitocondri sono le parti delle cellule vegetali che hanno il proprio DNA e trascorrono il loro tempo a raccogliere luce per creare l'intera base per la vita sulla Terra. Witthaya Prasongsin/Getty Images Probabilmente non apprezzi abbastanza le piante. Va tutto bene, nessuno di noi lo fa. Dato che le piante sono state il protagonista della contorta soap opera della vita che ci ha portato su questo pianeta, dovremmo ringraziare ogni giorno i nostri amici frondosi per la nostra esistenza.
Onestamente, l'intera storia è così intricata e complicata, potremmo non sapere mai la verità su come i nostri antenati verdi abbiano permesso a tutti gli altri di evolversi, ma un aspetto della storia coinvolge certamente la fotosintesi:la capacità di una pianta di produrre il proprio cibo dalla luce del sole.
"Un ottimo modo per apprezzare la fotosintesi è confrontare l'atmosfera terrestre con quella dei nostri pianeti 'sorelle', "dice Gregory Schmidt, professore emerito presso il Dipartimento di Biologia Vegetale dell'Università della Georgia. "Tutti e tre i pianeti erano molto probabilmente simili quando si sono formati e si sono raffreddati, ma le atmosfere di Venere e Marte hanno il 95% di anidride carbonica (CO2), 2,7% di azoto (N2) e 0,13% di ossigeno (O2). L'aria terrestre è composta per il 77 percento da N2, 21 percento di O2 e 0,41 percento di CO2, anche se questo numero è in aumento. Ciò significa che ci sono 800 gigatonnellate di anidride carbonica nella nostra atmosfera, ma ce ne sono altri 10, 000 gigatonnellate — 10, 000, 000, 000 tonnellate — scomparse o sepolte sotto forma di calcare fossile, carbone e petrolio».
In altre parole, il carbonio è stato contrabbandato fuori dall'atmosfera e nella crosta terrestre per miliardi di anni, che è l'unica ragione per cui questo pianeta è abitabile da organismi multicellulari.
"Così, come è avvenuto quel drammatico cambiamento atmosferico per la Terra?" chiede Schmidt. "C'è solo una risposta, ed è piuttosto semplice:fotosintesi, il fattore più sorprendente nell'evoluzione della Terra."
FOTOSINTESI, gli amici. Circa un miliardo di anni dopo la formazione della Terra, la vita si è presentata - probabilmente prima come alcuni batteri anaerobici, trangugiando lo zolfo e l'idrogeno che uscivano dalle bocche idrotermali. Ora abbiamo le giraffe. Ma erano 10, 000 gigatoni di gradini sulla strada tra i primi batteri e le giraffe:quegli antichi batteri dovevano trovare un modo per trovare nuove bocche idrotermali, che ha portato allo sviluppo di un pigmento termosensibile chiamato batterioclorofilla, che alcuni batteri usano ancora per rilevare il segnale infrarosso generato dal calore. Questi batteri erano i progenitori di discendenti che potevano produrre clorofilla, un pigmento che è stato in grado di catturare più breve, lunghezze d'onda della luce più energiche dal sole e usarle come fonte di energia.
Così, in sostanza, questi batteri hanno creato un mezzo per catturare l'energia della luce solare. Il successivo salto evolutivo ha reso necessario elaborare un mezzo per immagazzinare energia stabile, creando una sorta di batteria solare che incoraggiasse i protoni ad accumularsi su un lato delle loro membrane interne rispetto all'altro.
La vera meraviglia dell'evoluzione delle piante e delle alghe sta nel fatto che, ad un certo punto, questi antichi batteri produttori di clorofilla iniziarono a generare ossigeno. Dopotutto, miliardi di anni fa, in realtà c'era pochissimo ossigeno nell'atmosfera, ed era tossico per molti dei primi batteri (è ancora tossico per i batteri anaerobici che rimangono nei luoghi privi di ossigeno sulla Terra). Però, il nuovo processo di cattura e conservazione della luce solare ha richiesto ai batteri partecipanti di bruciare l'acqua . Sì, hanno bruciato quella roba che usano i vigili del fuoco per spegnere gli incendi.
Il processo di combustione è solo ossidazione:la sottrazione di elettroni da un atomo e il trasferimento di quegli elettroni a un altro (che si chiama riduzione). I primi batteri fotosintetici hanno sviluppato un modo per catturare fotoni - fondamentalmente particelle di luce - e usare la loro energia per spogliare l'acqua di molti dei suoi protoni ed elettroni da utilizzare per la produzione di energia.
La svolta delle scoperte avvenne 3 miliardi di anni fa, quando il macchinario fotosintetico fu perfezionato al punto che la clorofilla poteva dividere due molecole d'acqua contemporaneamente - oggigiorno lo chiamiamo "gruppo clorofilla-proteina del fotosistema II".
I cianobatteri si sono evoluti una volta che questi batteri fotosintetici hanno capito come bruciare l'acqua e immagazzinare l'energia da quella reazione chimica. Nella fotosintesi, Il fotosistema II (acqua che brucia) non può essere realmente sostenuto senza il secondo stadio, Fotosistema I, che consiste nel prelevare gli elettroni sottratti alle molecole d'acqua nel primo passaggio e utilizzarli prima che decadano. Photosystem I fa questo incollando questi elettroni su una catena di montaggio chimica in modo che l'organismo sia in grado di trattenere quell'energia guadagnata duramente, che viene poi utilizzato per convertire la CO2 in zucchero che i batteri possono utilizzare come cibo.
Una volta che Photosystems I e II sono stati risolti, i cianobatteri si sono impossessati degli oceani, e poiché l'ossigeno era il loro prodotto di scarto, divenne abbondante nell'atmosfera terrestre. Di conseguenza, molti batteri sono diventati aerobici, cioè richiedevano (o almeno tolleravano) ossigeno per i loro processi metabolici. Circa un miliardo di anni dopo, i protozoi si sono evoluti come anaerobi (un organismo che non ha bisogno di ossigeno per crescere) estirpando prede batteriche aerobiche. Almeno una volta, i batteri non sono stati completamente digeriti, ma è rimasto all'interno della cellula e ha finito per aiutare l'organismo anaerobico intollerante all'ossigeno a far fronte all'ambiente aerobico. Questi due organismi attaccati insieme, e alla fine l'organismo preda si è evoluto in un organello cellulare chiamato mitocondri.
Uno scenario simile si è verificato con i cianobatteri circa 1 miliardo di anni fa. In questo caso, un protozoo aerobico probabilmente ha divorato un cianobatterio, che finì per allestire bottega all'interno del suo ospite, risultando in un piccolo, organello legato alla membrana comune a tutte le piante:i cloroplasti.
Man mano che le alghe e le piante multicellulari si evolvevano e beneficiavano dell'abbondanza di CO2 e dell'aumento di ossigeno nell'atmosfera terrestre, i cloroplasti sono diventati il luogo in cui la fotosintesi — Fotosistema I, II e cose ancora più complicate sono andate giù in ogni cella. Proprio come i mitocondri, hanno il loro DNA e passano il loro tempo a raccogliere luce per la pianta, creando l'intero fondamento per la vita sulla Terra.
Ora è interessanteLa prima era glaciale della Terra è stata probabilmente il risultato dei cianobatteri che producono così tanto ossigeno e divorano così tanto carbonio nell'atmosfera che le temperature sono crollate.
