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Ma quanto è bella la CO2? – parte 2

Come raccontato nello scorso post, sul Wall Street Journal Will Happer e Harrison Schmitt hanno di nuovo rilanciato alcune tesi del negazionismo climatico. L’ultimo degli argomenti usati è che le piante attuali soffrono per la troppo bassa concentrazione di CO2.

Per capire come le piante reagiscono alla CO2, è necessario approfondire il funzionamento del processo di fotosintesi.
Le gimnosperme  si sono evolute attorno a 370 milioni di anni fa, quando la CO2 era fra i 2000 e le 3000 ppm, le angiosperme circa 165 milioni di anni fa, quando la CO2 era a poco meno di 2000 ppm. Le piante di origine più primitiva usano una forma di fotosintesi che si adatta meglio a queste concentrazioni elevate di CO2; sono chiamate “piante C3” perché nel processo di fotosintesi un enzima  fissa la CO2 in un composto a tre atomi carbonio, il fosfoglicerato, ma soprattutto i loro stomi foliari fanno passare acqua e CO2 insieme. Nelle odierne condizioni di “relativa” carenza di biossido di carbonio (rispetto a 370 milioni di anni fa), richiedono quindi tanta più acqua in quanto, per ogni molecola di CO2 che entra, perdono quantità significative di acqua. A questa situazione, le piante C3 si sono magnificamente adattate: sono diffuse su tutto il pianeta e rappresentano il 90% delle specie.  L’evoluzione ha permesso loro di tenere magnificamente il campo, ha portato allo sviluppo, circa 50 milioni di anni fa, di nuove piante C4 e CAM (come i cactus, le crassulacee), così chiamate perché nel loro processo fotosintetico l’enzima cruciale della fotosintesi, fissa la CO2 in un composto a 4 atomi di carbonio, l’ossalacetato; sono piante in grado di sopportare molto meglio un basso livello di CO2 e l’aridità.  In effetti nelle serre attuali si tende ad aumentare la concentrazione di CO2 per incrementare la produttività delle piante C3.
L’enzima della fotosintesi C3, il più abbondante enzima presente sulla crosta terrestre (la ribulosio-1,5-bisfosfato carbossilasi/ossigenasi) amichevolmente detto rubisco, non è particolarmente efficiente. A25°Ce nelle attuali condizioni, come substrato circa 1 volta su 5 riconosce l’ossigeno invece della CO2, il che lo induce a produrre una sostanza fondamentalmente inutile nel metabolismo della pianta: il glicolato. La reazione compete con quella utile. Con l’aumento della temperatura, questa inefficienza del 20% peggiora ulteriormente.

Sia le piante C3 che C4 possono essere mono o di-cotiledoni (il cotiledone è la foglia germinale della pianta che la nutre prima che inizi ad essere capace di fare da se con la fotosintesi), ma le piante C4 sono prevalentemente monocotiledoni; inoltre le piante C4 si possono ulteriormente dividere in  Nad-me nelle regioni più asciutte e NADP-me in quelle con maggiori precipitazioni. Sulla base dei dati sperimentali raccolti e di una modellazione del comportamento delle varie piante, Ehleringer e colleghi [1] rappresentano nella Figura seguente le condizioni che fanno prevalere le une o le altre piante nel contesto ambientale.

 

 

Figura 1. A seconda del processo fotosintetico le piante si dividono in C3 e C4 (il numero indica gli atomi di carbonio coinvolti). Se la temperatura diurna è bassa sono favorite le C3, se è alta sono favorite le C4 a bassa CO2 e le C3 ad alta CO2; ci sono una serie di condizioni intermedie complesse che coprono tutti i possibili casi dell’habitat terrestre [Fonte figura: rif. 1].

 

 

 

 

 

Considerando i risultati illustrati nella figura 1, il medesimo modello viene applicato ai periodi geologici indicati in figura di cui si conoscono le temperature medie nelle stagioni di crescita delle piante; si vede in Figura 2 che a seconda del periodo glaciale o interglaciale considerato varia la dominanza delle piante di diverso tipo.

 

 

 

Figura 2: Le diverse piante coesistono in un contesto terrestre in cui la temperatura diurna nella stagione di crescita può variare in ampi ambiti [Fonte figura: rif 1].

 

 

 

 

 

 

 

Nei periodi interglaciali le due classi di C3 e C4 si dividevano la scena nei vari climi più o meno caldi che comunque esistevano ed esisterebbero sul pianeta anche al crescere della CO2. L’argomento è stato così interessante che la letteratura a riguardo è ampia e mostra tutta la complessità dei vari meccanismi.
Daniel Taub, su Nature Education Knowledge, esplora l’argomento dei FACE, ossia dei Free-Air Carbon dioxide Enrichment, esperimenti che cercano di capire cosa succede se si arricchisce l’atmosfera di CO2, se si fumigano le piante con CO2 [2]. Egli fa notare che, in genere, l’aumento di velocità di crescita delle piante dipende da molti altri fattori, per esempio dalla disponibilità di altri nutrienti, come l’azoto. Il fatto che oltre il 90% delle piante sono C3, rende poco credibile che oggi stiano patendo la fame, come sostengono i nostri autori.
Le piante C4 usano una pompa per concentrare la CO2 laddove il rubisco possa agire più efficacemente, all’interno delle foglie, per cui è vero che l’aumento di concentrazione della CO2 atmosferica ha molto più effetto sulle C3 che sulle C4. Ma la richiesta di azoto aumenta.  In mancanza di azoto sufficiente, il rapporto fra carbonio e azoto aumenta nei tessuti e questo rende la pianta meno appetibile per i suoi consumatori; solo le leguminose sembrerebbero evitare questo tipo di limite.
Per il medesimo motivo, in un recentissimo articolo [3] Lobell e altri sostengono che “sebbene in genere le piante coltivate rispondano positivamente all’aumento di concentrazione di CO2, la risposta dipende dalla specie e dalle condizioni ambientali. Così sebbene la concentrazione di CO2 stia aumentando uniformemente, l’incremento a livello regionale varierà con il clima e gli insiemi ecologici delle piante”.
Siamo ben lontani dalle certezze di Happer e Schmitt e da un semplicismo che non ha nulla di scientifico.

 

Riferimenti.
[1] James R. Ehleringer,  Thure E. Cerling e Brent R. Helliker C4 photosynthesis, atmospheric CO2, and climate. Oecologia (1997) 112:285-299
[2] D. Taub, Effects of Rising Atmospheric Concentrations of Carbon Dioxide on Plants. Nature Education Knowledge (2012) 3(10):21.
[3] Justin M McGrath e David B. Lovell, Regional disparities in the CO2 fertilization effect and implications for crop yields; Environ. Res. Lett. 8 (2013). Si veda anche  Andrew DB Leakey, Kristen A Bishop and Elizabeth A Ainsworth, A multi-biome gap in understanding of crop and ecosystem responses to elevated CO2, Current Opinion in Plant Biology (2012), 15:228–236.

 

Testo di: Claudio della Volpe

3 responses so far

3 Responses to “Ma quanto è bella la CO2? – parte 2”

  1. Franco Migliettaon Giu 7th 2013 at 12:00

    Non fa una grinza, Claudio, ottimo. Resta solo irrisolto il complesso dilemma sugli effetti eco-idrologici dell’aumento di concentrazione di CO2. La risposta pressoché “universale” della vegetazione alle alte concentrazioni di CO2 è quella di una riduzione della conduttanza fogliare. Una foglia perde meno acqua in alta CO2 che in CO2 ambiente; ma se ciò avvenisse anche a livello di ecosistema, avremmo una riduzione di umidità nello strato limite atmosferico e ciò farebbe crescere la richiesta evaporativa. Quale è la soluzione? Equilibrio (uguale lusso di calore latente) o rallentamento del ciclo dell’acqua a compensazione dell’accelerazione dovuta all’aumento di temperatura?

  2. Franco Migliettaon Giu 7th 2013 at 12:40

    Molti GCM oggi scelgono una scorciatoia, sul tema CO2-acqua. Basandosi su una vasta letteratura basata sullo studio di singole piante o di piccole parcelle, assumono che la traspirazione diminuirà all’aumentare della concentrazione di CO2. Ma non è assolutamente certo che ciò avverrà e la materia è una delle controversie scientifiche di prima grandezza nella comunità. C’è che sostiene che un complesso meccanismo di feedback porterà ad una sostanziale omeostasi nel flusso traspirativo (Christian Korner, ad esempio), chi invece modellizza un effetto di riduzione (Jordi Vila e C. ad esempio) e chi sostiene che l’aumento di biomassa porterà, alla fine, ad un aumento complessivo dei flussi evapotraspirativi. E questo è uno dei motivi per cui Peter Rayner pochi giorni fa su Nature, ha ragione quando dice che solo una corretta parametrizzazione della superficie e dei flussi, ridurrà in modo convincente l’incertezza della previsione climatica. Noi stiamo diventando vecchi, Claudio, ma le nuove generazioni di ricercatori dovranno dedicarsi a risolvere questi dilemmi.

  3. claudio della volpeon Giu 9th 2013 at 10:36

    Franco sono del tutto d’accordo con te; per stimolare l’interesse in queste cose dovresti far conoscere di più il tuo “regno” di Bossoleto; dovete sapere che un posto su cui Franco ha lavorato per anni (e ci lavora ancora) è una fontana naturale di CO2, vicino alle terme di S. Giovanni a Siena; in quella depressione naturale avviene ogni giorno una cosa bellissima: la CO2 si accumula di notte e la mattina la “vascona naturale” che la contiene, una depressione di origine vulcanica se ne riempie fino a qualche metro di profondità; poi le correnti convettive la liberano ripristinando l’equilibrio; ci siamo ispirati al fenomeno di Bossoleto per uno dei prossimi post che compariranno su queste pagine dove abbiamo analizzato in laboratorio un fenomeno analogo che viene poi usato spesso come esempio da laboratorio dell’effetto serra, come vedremo con qualche problema teorico; tuttavia come laboratorio FACE naturale Bossoleto è insuperabile, un posto che sarebbe da far visitare a tutti gli studenti d’Italia.