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Biologia

Unità didattiche

Respirazione e fotosintesi Versione PDF

di Salvatore Regalbuto e Sonia Formica - 8° Istituto Statale di Istruzione Secondaria Superiore "Quintiliano" (Siracusa)

Questi processi biologici costituiscono nella didattica delle Scienze Naturali un nodo concettuale di grande rilievo, sia per le conoscenze pregresse che richiedono da parte degli allievi, sia per le prospettive che consentono di aprire sulla comprensione del significato termodinamico dei rapporti Terra-Sole, sul senso entropico di vita e di morte, sulla concezione meccanicistica dell'organismo, sul ruolo delle piante verdi negli ecosistemi, e quant'altro.
Il meccanismo biochimico di questi processi metabolici, peraltro compreso in alcuni aspetti solo in tempi recenti, costituisce per gli studenti della scuola secondaria un traguardo importante della loro formazione scientifica ed il senso lato della loro crescita culturale.
Storicamente l'approccio sperimentale a questi temi passava attraverso la messa a punto di apparati di questo tipo:

respirazione
fotosintesi
L'esperienza che si propone utilizza le tecnologie cosiddette del laboratorio "on line" ed in particolare il datalogger CBL2™ e la calcolatrice grafica TI-89, prodotti dalla Texas Instruments ed il sensore di CO 2 (CO 2 Gas Sensor) con il software DATAMATE prodotto dalla Vernier.

Attraverso questo sistema si intende misurare la produzione di CO 2 in diverse condizioni sperimentali, per trarne indicazioni sulle interazioni tra i processi respiratorio e fotosintetico nei vegetali superiori.

Sono stati scelte per l'esperienza due specie vegetali:
  • il Pioppo (Populus nigra L.)
  • l'Arisaro (Arisarum vulgare Targ.-Tozz.).

Il Pioppo è una specie a distribuzione Paleotemperata, (Pignatti, Sandro. Flora d'Italia, Bologna, Edagricole, 1982, III vol. p.629) ovvero eurasiatica in senso lato, ma che compare anche in Nordafrica. Vive spontanea in ambiente fluviale o lacustre, ma è anche coltivata a scopo ornamentale.
La seconda, l'Arisaro è specie stenomediterranea, ovvero con areale limitato alle coste mediterranee (area dell'Olivo). In Italia è spontanea nei luoghi ombrosi, strade e ruderi ( Enciclopedia Agraria Italiana, Roma, R.E.D.A., 1952, I vol. p. 589)
Mentre la prima, per quanto richieda abbondante disponibilità di acqua, vegeta bene in pieno sole, la seconda predilige luoghi ombrosi e freschi.

Prerequisiti
Obiettivi
Strumenti e materiali
Procedura

I campioni di Pioppo e Arisaro, preventivamente pesati, sono stati inseriti ciascuno in uno dei flaconi a corredo dei sensori di CO 2. Ad un CBL 2 nel canale 1 è stato collegato il sensore di CO 2 con il campione di Arisaro ed al canale 2 il sensore di luce; al secondo CBL 2, sul canale 1 è stato collegato l'altro sensore di CO 2 con il campione di Pioppo ( Pur avendo il CBL2 n° 3 porte analogiche, il tentativo di inserire due sensori di CO2 + il sensore di luce nello stesso CBL2 non è riuscito. Il sistema).
Il sistema è stato configurato per raccogliere dati n in intervallo di tempo di 20 minuti. I due flaconi sono stati oscurati ed è stato avviato DATAMATE. Trascorsi 10 minuti il sistema è stato esposto alla luce solare.

Passaggi operativi

N.p. Funzione Operazione Visualizzazione su TI-89
1.

Avvio di Datamate

Con 2ND + VAR-LINK accedere all'archivio e selezionare DATAMATE.
Premere ENTER per tornare in ambiente HOME.
Aggiungere ")" e premere ENTER.
Configurazione dei sensori Dal menù principale digitare 1(: SETUP)
Premere ENTER per accedere al menù di scelta dei sensori.
Scorrere l'elenco (con 7:MORE) fino a trovare il sensore utilizzato.
Digitare 3 (:CO2 SENSOR)
Ripetere la procedura per eventuali altri sensori da installare o non correttamente installati.
Configurazione della modalità di raccolta dati Selezionare con il cursore MODE: e premere ENTER
Scegliere l'opzione 2 (TIME GRAPH) per potere raccogliere dati per un tempo da definire
Digitare 2 (:CHANGE TIME SETTINGS)
Inserire 10" come intervallo di campionamento e 120 come numero dei campioni.
Digitare 1(:OK) due volte, per tornare al menù principale.

Raccolta dei dati Predisporre i due CBL 2.
Introdurre i campioni di foglie nelle due bottiglie.
Inserire a pressione i due sensori.
Oscurare l'ambiente
Digitare 2 (:START) per iniziare a raccogliere i dati.
Trascorsi 10 minuti, esporre il sistema alla luce solare.
Al termine digitare 6 (:QUIT)

Risultati

Si rileva che la concentrazione iniziale misurata dai due sensori (ppm CO 2) è stata diversa (Tra l'inizio della raccolta dei dati e l'inserimento dei sensori è trascorso qualche minuto.):

Tabella 1: Pioppo Tabella 2: Arisaro

Al fine di rendere confrontabili i dati raccolti, sottrarre come costante alla colonna C2 Tab. 1 la differenza di 361,69 ppm e creare una colonna C3 con i dati corretti, che si userà per le successive elaborazioni.

Tabella 3a: Pioppo Tabella 4a: Arisaro
Per potere confrontare i grafici dei dati raccolti si definiscono con + F2 le opzioni di visualizzazione della finestra grafica (Window)

Rappresentare graficamente la concentrazione (ppm) di CO 2 rilevata dai sensori, in funzione del tempo espresso in secondi. Con F3 attivare la funzione TRACE e cercare manualmente il valore massimo di ppm di CO 2 rilevati:

Figura 1: Pioppo Figura 2: Arisaro

Si riportano di seguito i grafici dell'andamento dell'emissione della CO 2 nei due campioni, e dell'andamento della intensità luminosa in funzione del tempo, costruito con i dati - espressi in lux - misurati dal sensore di luce per tutta la durata dei rilievi.

Figura 3: Max Pioppo. Figura 4: Luce. Figura 5: Max Arisaro

Dal confronto si rileva che i campioni sono stati esposti alla luce dopo 740" dall'inizio dei rilievi e che questo cambiamento ha determinato sui campioni di foglie una inversione di tendenza rispetto alla emissione della CO 2 misurata dai sensori.

Si dimostra così che le piante verdi producono CO 2 al buio ed esposte alla luce invece l'assorbono (Si omette qui di dimostrare la natura del gas prodotto. Con un'altra esperienza si potrebbe fare gorgogliare CO2 in acqua di calce).

Il tempo di risposta dei campioni all'azione della luce è stato 60" per il Pioppo e 30" per l'Arisaro.

Al fine di tenere conto delle diverse masse dei campioni, nelle rispettive tabelle di dati inserire una colonna calcolata (C4), ottenuta:

Per rendere confrontabili visivamente i grafici definire sulle due TI-89, con + F2, la finestra di visualizzazione, adottando nelle rappresentazioni gli stessi parametri.

Questi i risultati della CO 2 rilevata dai due sensori, espressi in forma grafica.

Figura 6: Max Pioppo - ppm CO 2 s -1 g -1 Figura 7: Max Arisaro - ppm CO 2 s -1 g -1

Volendo tenere conto del diverso contenuto d'acqua dei campioni, si ricalcolano le concentrazioni di CO 2 misurate dai sensori, in funzione della sostanza secca (La s.s. è stata determinata portando ad essiccazione i campioni in stufa a 105°C e lasciando raffreddare in essiccatore, fino a peso costante.).

Nelle rispettive tabelle dati aggiungere una nuova colonna (C5) calcolata:

Per rendere confrontabili visivamente i grafici definire sulle TI-89, con +F2, la finestra di visualizzazione, adottando nelle rappresentazioni gli stessi parametri.

Questa la rappresentazione grafica dei risultati ottenuti:

Figura 8: Max Pioppo - ppm CO 2 s -1 g -1 di sost. secca Figura 9: Max Arisaro - ppm CO 2 s -1 g -1 di sost. secca.

E' palese che l'Arisaro a parità di massa (sia umida che secca) al buio ha emesso una minore quantità di CO 2 rispetto al Pioppo, mentre alla luce è riuscito a consumarne di più e più rapidamente.

Conclusioni

L'esperienza consente di verificare i seguenti aspetti:

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