IMPORTANZA BIOLOGICA DELL’ACQUA

 

La molecola dell’acqua ha una forma semplicissima: due atomi di idrogeno e uno di ossigeno (H₂O). L’acqua è il liquido più comune sulla Terra: tre quarti della superficie terrestre sono ricoperti da acqua. Ma non bisogna confondere “comune” con “qualunque”; l’acqua non è affatto un liquido qualunque. In confronto ad altri liquidi è, in effetti, davvero straordinaria: se così non fosse, l’evoluzione della vita sulla Terra sarebbe stata molto improbabile.

L’acqua è il vero e unico mezzo della vita. Senza di essa, semplicemente, non è possibile assicurare la vita. L’acqua è il fluido che consente il funzionamento della cellula, trasportando da un luogo all’altro materiali e strutture molecolari e promuovendo tutte le reazioni chimiche che permettono il nostro funzionamento. Nelle piante l’acqua è addirittura un elemento strutturale, il quale aiuta i fiori a volgersi verso il Sole. In assenza di acqua rapidamente moriremo; in seguito alla disidratazione, alcune cellule riescono a evitare la morte, ma in quel caso cessano ogni attività fino a quando non vengono reidratate.

Tendiamo troppo spesso a dimenticare che fino a qualche tempo fa l’ambiente acquatico è stato l’unico luogo a ospitare la vita sul pianeta.  Volendo mantenere un autentico senso delle proporzioni, la storia della vita sulla Terra è una storia della vita sul mare. Addirittura Anassimandro, il filosofo della scuola ionica della Grecia classica, ipotizzò che i primi organismi fossero marini e si spinse al punto di azzardare che gli esseri umani si fossero sviluppati dai pesci.

Nei sistemi viventi molte sostanze si trovano in soluzione acquosa. Una soluzione è una miscela uniforme di molecole; la sostanza presente in maggior quantità (liquido) è detta solvente e le sostanze presenti in quantità minore sono dette soluti. È la polarità delle sue molecole che è responsabile della capacità dell’acqua di comportarsi da solvente. La percentuale di acqua contenuta nella cellula è abbondantemente superiore alla somma delle percentuali degli altri compartimenti. Il fatto è di notevole importanza poiché, come è noto, la cellula costituisce l’unità elementare degli esseri viventi. L’importanza dell’acqua nelle cellula è sia di carattere strutturale che di carattere metabolico in quanto essa è coinvolta in quasi tutte le trasformazioni che avvengono all’interno della cellula. In questo contesto, è bene analizzare un importante caratteristica della molecola d’acqua: data la grande differenza di elettronegatività esistente tra gli atomi di idrogeno e quello di ossigeno, la molecola d’acqua pur elettricamente neutra, è una molecola molto polare e tra le molecole di acqua si formano legami dipolo - dipolo e legami idrogeno. Quest’ultimo è un debole legame non covalente, ma conferisce all’acqua proprietà molto importanti da un punto di vista biochimico. L’acqua, inoltre, si può comportare sia come un acido sia come una base; oltre a immagazzinare e a distribuire calore all’interno dell’organismo, forma sulla pelle un velo impercettibile di vapore che isola o scambia calore con l’esterno, mantenendo, in questo modo, costante la temperatura corporea.

Il mezzo fluido presente all’interno di tutte le cellule viventi, denominato citoplasma, è costituito principalmente da acqua arricchita di proteine e DNA, zuccheri, sali, acidi grassi, ormoni.

L’acqua ha un ruolo attivo nella vita della cellula, a tal punto che possiamo considerarla in sé come un particolare tipo di biomolecola. Senza di essa, le altre biomolecole si disfarrebbero, si bloccherebbero fino a perdere del tutto la loro funzione biologica. Il che significa che le strutture e i processi biologici possono essere compresi solo tenendo ben presenti le proprietà fisiche e chimiche dell’acqua. La biologia comincia con l’acqua, storicamente, ontologicamente e pedagogicamente.

La quantità d’acqua che viene usata nella fotosintesi è infinitesimale rispetto alla quantità che attraversa una pianta nel corso della fotosintesi.

L’idratazione è una condizione necessaria perché le reazioni metaboliche procedano nell’organismo: l’acqua è il mezzo in cui si svolgono le reazioni. La maggior parte degli animali terrestre beve acqua libera e/o la ricava dal cibo che mangia. Una certa quantità d’acqua, quindi, è generata dal metabolismo del cibo e delle sostanze organiche. Nel caso degli animali terrestri che dipendono da una fonte di acqua potabile, la disponibilità e la prossimità di pozze d’acqua può imporre limiti assoluti alla loro distribuzione e abbondanza.

Nel caso delle piante terrestri, i compromessi imposti dai problemi dell’economia idrica sono complicati, non soltanto perché l’acqua può effluire ogniqualvolta la CO₂ affluisce, ma anche perché le piante sono radicate nel loro sito.

È interessante analizzare come le piante inneschino dei meccanismi tali da ridurre la perdita di acqua, in quanto ciò ci fa capire quanto sia importante la funzione biologica dell’acqua,

Per assorbire anidride carbonica, la pianta verde deve perdere acqua, ma ci sono diversi modi in cui la perdita d’acqua può venire ridotta (5 casi principali):

 

1)  i ritmi di apertura e chiusura degli stomi possono assicurare che le parti aeree della pianta rimangano più o meno impermeabili all’acqua, tranne che durante periodo controllati di fotosintesi attiva

2)  le caratteristiche strutturali delle foglie, come i peli, gli stomi infossati e la restrizione degli stomi ad aree specializzate della pagina inferiore di una foglia, rendono tutte meno rapida la via di diffusione del vapore acqueo dalle superfici cellulari umide del mesofillo all’atmosfera esterna, rallentando così la perdita d’acqua

 

3)  alcune piante possono sviluppare in diverse stagioni forme di foglie piuttosto diverse, ciascuna delle quali case di volta in volta (polimorfismo sequenziale delle risorse)

 

4)  in alcune piante (piante CAM) il processo di captazione di anidride carbonica può essere dissociato dal processo di fotosintesi: mantenendo aperti gli stomi di notte e mantenendoli chiusi di giorno. La CO₂ fissata nell’oscurità viene incorporata nella via fotosintetica durante il giorno.

 

5)  in alcune piante (piante C4) il gradiente di CO₂ verso l’interno della foglia può essere reso più ripido del gradiente di vapore acqueo nel verso opposto

 

Per quanto riguarda la captazione dell’acqua, è sempre interessante analizzare i comportamenti delle piante. Al di sopra del terreno, le economie dell’acqua e della CO₂ sono strettamente accoppiate, ma sottoterra la CO₂ non ha importanza come risorsa. La principale risorsa idrica per le piante terrestri si trova nel terreno, entro il quale l’acqua penetra dopo gli eventi metereologici. Il semplice fatto che l’acqua è penetrata nel terreno, non significa però che essa sia disponibile per le piante: questo infatti dipende innanzitutto dalle dimensioni dei pori. L’acqua trattenuta nei pori del terreno contro la forza di gravità è detta “capacità di campo” del terreno. Esiste anche un altro limite alla discesa dell’acqua nel terreno, determinato dalla capacità delle piante di esercitare una sufficiente forza di aspirazione per estrarre l’acqua dai più stretti pori del terreno (questo limite è detto “punto di avvizzimento permanente”. Inoltre, i soluti presenti nella soluzione circolante del terreno aggiungono forze osmotiche alle forze capillari che la pianta deve fronteggiare quando assorbe acqua nel terreno.

La cattura dell’acqua per opera delle radici può svilupparsi in due modi: l’acqua può migrare attraverso il terreno verso una radice e la radice può accrescersi attraverso il terreno verso l’acqua. La maggior parte delle radici è dotata di caratteristiche che permettono loro di esplorare il terreno. Le radici si allungano prima di produrre radici laterali (i germogli iniziano a produrre foglie prima di allungarsi) e ciò assicura che l’esplorazione preceda lo sfruttamento. La radici figlie si sviluppano in modo da emergere sui raggi della radice madre (e così via, da madre a figlia): queste regole di accrescimento guidano l’esplorazione di un volume di terreno e riducono la probabilità che due rami della stessa radice cerchino acqua nella stessa particella di terreno ed entrino l’una nella zone di depauperamento di un’altra.

 

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